某超限结构设计分析

某超限结构设计分析

张旻

上海民防建筑研究设计院有限公司 200032

摘要：我国当前的经济水平持续提高，尤其近年来高层建筑的项目数量明显增多。但多数高层的结构均超过规定范围，形成了不同类型的超限结构，主要在高度、结构体系等方面超出规定限额。超限的建筑会普遍在一个或多个方向上出现抗震概念不合理的情况，因此针对超限高层的结构和体系的设计进行分析便具有更高的必要性。在此背景下，本文依据具体的案例，针对超限结构的设计开展系统的分析。案例工程为高于A级高度的建筑，且建筑内的部分楼板为不连续的高层超限结构类型，因此在设计时便需运用不同的专业化软件来对其结构进行科学分析，此外还需开展弹性和弹塑性时程的分析，并对建筑的抗震进行合理设计。通过计算结果的分析可知，全部指标均能够满足标准要求，且能够达到抗震性能方面的标准，建筑的结构具有一定的稳定性，抗震性能良好。

关键词：高层超限结构；弹性时程分析；弹塑性时程分析；抗震性能化设计

引言

所谓的超限高层便是指超过标准要求限制的建筑类型，超限高层对高度和层数并未提出明确的标准。只要高度在120m以上的框架剪力墙结构便可称为超限高层，此外还有高于100m的剪力墙、55m以上的网架结构、高于28m的网架无盖结构等。不管建筑的高度达到多少，超限高层的结构施工需更高的安全和技术手段参与实施。建筑本身的高度会直接对结构的内力位移等数据产生影响。结构通常会具有承担水平和竖直方向载荷作用的职能。而低层结构在受到水平方面的荷载作用力后，其结构内力和位移数值较小，通常可忽略。高层建筑结构的荷载会在层数提高的情况下也随之增加。在超高层的建筑中，虽然竖向的载荷在结构的设计方面会发挥较为关键的作用，但水平荷载其实起到了决定性的影响。两种方向的荷载所占的比重便可导致结构的设计产生一定的差异。而与多层建筑比较来讲，高层建筑的水平荷载量明显较高，结构的抗侧力稳定性也是在设计高层建筑时所需重点思考的问题。在地震多发区，高层建筑会明显受到较高的地震影响，因此高层建筑的抗震结构设计也需更为严谨和科学。在对建筑的结构进行设计时，部分相对复杂的因素，如温度、风荷载等也需设计人员格外留意。

图1：项目效果图

1、工程概况

本项目的建筑面积合计为8.363×104m²。项目主要作为酒店、车库等。主屋面的高度可达140.8m，地上有34层，地下有2层。工程的设计使用年限可达50年。结构的安全等级可达到二级。工程场地的地震烈度达到7度，抗震加速度达0.15g。场地特征的周期值达0.40s，建筑场地属于Ⅱ类。基本风压可选择50年内出现的W0=0.80kN/m²，依据基本风压的1.1倍来计算风压结构的承载能力，地面的粗糙等级为A类。

2、结构设计

工程依据具体的结构布置等方面条件，结合地质勘测的报告内容，运用桩基础作为塔楼，筏板基础作为裙房，地下室部分则设计为混凝土防水底板和防水外墙结合的方法。底板可为平板式，底层的楼板使用梁板式。楼板的厚度需达到180mm，建筑主体结构的高度需为140.8m。地上楼层的结构类型设置为框架和核心筒的结构形式。楼盖使用钢筋混凝土等。其中如果建筑作为酒店使用，需运用无量空心楼板作为标准层，将楼板内运用多孔的轻质材料进行填充。框架和剪力墙的抗震能力需达到一级。

3、超限分析及相应措施

3.1超限情况分析

工程结构的整体高度为140.8m，已经超过A级最大高度。首层和32层的夹层部分并未设置楼板。开洞的面积高于该层楼面的1/3，上述两个方面已经超限。

3.2超限措施

具体的措施可为下述方面：

第一，在底部的加强区和上一层安装约束边缘的构建，如果楼层的轴压比超过0.3，也需同样设置约束边缘的构件。

第二，需在加强区剪力墙震拉应力较高或剪力较大的墙肢处设置型钢，这样便可明显提高剪力墙的承载能力和延展性。

第三．办公层的部分次梁会与筒体的连梁相连，因此需在连梁位置设置型钢，同时在两侧的墙体上增加设置型钢。

4、性能化设计

对项目的性能进行科学设计，主要可从下述方面着手：

第一，如果在小震作用下，结构达到了弹性方面的要求，可结合构建的抗震等级标准，运用荷载作用设计值和抗震承载力对相应系数进行优化，完成小震部分设计工作。

第二，如果在中震作用下，需对剪力墙和框架柱进行弹性和不屈服的设计工作，以此来达到设计标准。

第三，处于底部的加强区墙体，可基于中震的作用完成拉应力的测算。部分墙肢可能会出现拉应力，甚至会超过混凝土的抗拉标准强度，但在2倍强度标准范围内。对于超过抗拉标注怒的墙肢，需设置型钢。同时为保证其安全性，拉应力需由型钢独自承担。经过测算，部分墙体在9层，主要的拉应力便会降到较低水平。为提高结构的延性特征，也需将墙肢内的型钢延伸到办公标准层。

第四，针对竖向构件的中震设计。针对约束边缘的构建，可依据中震的弹性来计算器抗剪性，依据中震不屈服的结果完成抗弯的设计工作。超过7层则需依据中震不屈服的结果开展设计。

5、结构弹性计算分析

5.1计算分析内容

在对整体结构的小震弹性进行分析时，可运用独立的两种程序进行计算，并将结算的结果进行分析，保证结构的所有指标均能够达到工程结构的要求。此外，整体结构也可使用YJK程序来分析小震弹性时程。

5.2整体小震弹性分析

整体结构可运用YJK、ETABS2程序完成计算。使用YJK来准确计算与复核构件结果。具体的对比结果如下表1至表5.可见，上述两种软件的计算结果基本相同，结构的剪重比及位移比等参数均可达到标准要求。

表1：结构总质量对比

表2结构自振周期对比

表3地震作用下最大位移比（刚性楼板假定）

表4基底总剪力及总抗倾覆弯矩

表5层间位移角对比

5.3弹性时程分析结果

通过使用YJK程序来分析弹性时程的特征，结合既定的规范来分析地震波的要求。选择三条地震波，从X、Y两个方向输入。不同方向的三条波基底剪力全部要达到地震波的标准要求。具体见表6.部分楼层的地震波时程剪力高于CQC的分析结果。在计算小震CQC时，相应楼层的剪力也需依据时程的包络值完成设计。

表6基底剪力及楼层层间位移角对比表

5.4弹性计算结论

第一，结构的楼层质量较为均衡，扭转的效应较低；第二，结构的刚度分布具有更高的合理性，变化也适中；第三，结构Y向的剪重比在底部两层不达标时，需进行优化改进；第四，结构的整体抗侧刚度需达到正常的运转效果，满足风荷载等变形的要求，同时在舒适度方面也需达标，结构体系具有可行性。第五，结构的竖向构建轴压比需达到标准，这样才能保障构件在地震情况下也具有一定的延性特征。第六，框架所承担的地震倾覆力矩值要高于10%，多数楼层的框架剪力需在基底剪力中占15%以上。此外依据0.2V0标准进行调整，这样才能保证在地震时期发挥二道防线的功能。第七，底部的加强区域结构关键位置的构件验算需达到规范的标准，同时具有更高的安全性。此外在底部加强区的墙肢拉应力较高的位置设置型钢，以此来提高墙肢的延性特征。第八，结合抗倾覆的复核结果，其结构需达到风荷载、不同振动作用下的稳定性要求。

6、结构动力弹塑性分析

结合工程的具体条件，可选择两条地震波，其加速度时程曲线可呈现为图2.结合具体的弹塑性进行计算与分析，获得的结论可总结为下述方面：

第一，在地震条件下，人工波罕需保证结构处于直立状态，最高的弹性层间位移角度X向为1/137、Y向为1/156，需在核心筒结构的1%范围内。

第二，分析大震弹性时程时，首层的剪重比大致为7%，大震弹性时程首层的X、Y剪力和大震弹性的比值可达0.41和0.58。

第三，核心筒内需具有科学的剪力墙开洞形成连梁，在大震的作用下棋损伤的效果较为明显，以此来提高称重墙肢的稳定性。多数主承重墙并未出现较大的损伤。同时在人工波X方向作用下，结构弹性和弹塑性的反应也表明，由于连梁的耗能较高，弹塑性下的结构不同层面剪力均小于弹性的结果，不同层面的位移反应均高于弹性结果，弹性下的定点位移时程表现出明显的滞后性。

第四，核心筒剪力墙会在结构底部出现 不同程度的损伤，但钢筋并未达到屈服程度，同时提高墙体配筋率滞后，剪力墙的损伤也得到了缓解，抗震承载能力较强。

第五，在大震的情况下，外框架柱的部分外框和梁便会形成细微的塑性应变，较少的柱脚也会存在程度较低的应变，多数外框架柱等形成弹性的状态。外框架的承载能力仍十分充裕，核心筒进入塑性后，外框架也能够发挥抗震的二道防线的功能。

第六，如果裙楼楼板发生损伤，便需对配筋进行强化设置。剩余楼板并未出现较大程度的损伤，抗震的承载能力也较为充沛。

图2：地震波加速度时程曲线

7、结论

本项目为明显超限的高层结构类型。对于工程的结构特征，可使用抗震计算、构造加强等方式进行优化。运用不同的程序完成计算和分析工作，计算参数相对完整可靠，计算结果也能够达到标准要求。主体结构的质量相对均匀，刚度的分布和结构体系也较为合理。此外还可达到不同震动的稳定性要求，基本实现了工程设定的目标。

参考文献：

[1]GB50011-2010建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社，2010．

[2]JGJ3-2010高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社，2011．

[3]建质[2015]67号超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点[S]．中华人民共和国住房和城乡建设部，2015．