浅谈超限高层建筑结构整体设计

浅谈超限高层建筑结构整体设计

摘要：本文介绍广州某城中村改造项目超限高层建筑结构工程概况，对其中心结构超限进行了分析，提出了结构设计与抗震构造措施，并进行了结构计算与分析，具有一定的参考价值。

关键词：超限高层建筑，抗震设计，建筑结构

Abstract: This paper introduces the general situation of Guangzhou urban village

reconstruction project of high-rise building project, the center for out-of-codes

structure are analyzed, and puts forward some measures for structure design and

anti-seismic structure, and the structure calculation and analysis, has a certain

reference value.

Key words: high-rise building, seismic design, building structure

中图分类号: TU3 文献标识码：A文章编号：

1 工程概况

本项目建筑用地面积9934m2，总建筑面积为78862m2，其中地下建筑面积10652m2。本工程为高层建筑，地面以上31层，建筑物总高度为86.8米。地面以下2层，主要为停车库及设备用房，其中地下2层为核六级人防地下室。

2 结构布置、选型和材料

2.1 结构体系

工程采用部分框支抗震墙结构体系。结构的主要抗侧力构件为抗震墙，以提供结构的抗侧及抗扭刚度。

2.2 楼盖体系

根据结构体系特点、使用要求和施工条件，本工程均采用现浇钢筋混凝土梁板体系，整体性良好。

(1）地下室底板采用平板结构，板厚h＝550mm；地下室负一层楼板采用平板结构，板厚h＝250mm,柱帽厚h=700mm；首层（地下室顶板）采用梁板结构，板厚h＝180mm；塔楼地上部分板厚为100~150mm，屋面层板厚h＝120~150mm。

(2）加强薄弱部位连廊板配筋，来抵抗连廊两边楼层变形不均时的应力差引

起的开裂。

(3）转换层楼板厚h＝180mm，双层双向配筋，以承担较大的水平力转移。

(4）核心筒旁楼板薄弱处，楼板加厚至h＝150mm并双层双向配筋。

2.3结构缝的设置

工程地下室根据建筑功能使用、防水及结构耐久性的要求，为避免设缝削弱结构的整体性及对防水、通风等建筑构造带来的困难，地下室结构不设置伸缩缝。地上部分相邻塔楼之间设置防震缝，防震缝宽250mm。

2.4计算嵌固层的确定

工程地下室顶板采用梁板结构，结构地上一层的侧向刚度小于地下一层相关部位楼层侧向刚度的0.5倍，故本工程计算嵌固层确定为地下室顶板，该层楼板厚度为180mm，并采用双层双向配筋加强。

2.5 结构转换层型式

根据建筑功能的要求，本工程部分局部结构竖向构件上下不连续贯通，需要进行竖向构件转换。考虑工程实际情况，在不影响建筑功能使用的前提下，在地下室顶板及二层楼面设置转换梁进行竖向构件转换，部分转换梁因剪力较大、层高受限，采用型钢混凝土组合梁。

2.6 主要构件尺寸

(1)抗震墙：

地下室位置抗震墙厚度均为400mm；塔楼位置抗震墙，除首层抗震墙厚度为400mm，其余楼层剪力墙厚度均为200mm。

(2)框支柱

采用钢筋混凝土柱，有1500X1200，1450X800，1200X1200，1200X800。其中部分采用型钢混凝土柱（仅用于型钢混凝土转换梁两端的转换柱）

(3)转换梁

采用型钢混凝土梁1000X2000,采用钢筋混凝土梁800X2000,800X1800

2.7基础类型

根据地质勘探资料，本工程采用旋挖桩基础，基础入中风化砂砾岩深度为

3~8米，直径分别为0.8米、1.2米、1.6米、1.8米。

3 结构超限类型和程度

3.1 特殊类型高层建筑

工程采用部分框支抗震墙结构体系，不属于《建筑抗震设计规范》和《高层建筑混凝土结构技术规程》暂未列入的其他高层建筑结构。

3.2 高度超限判别

工程建筑物高88.6米，按照《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3－2002）4.2.2条：框支抗震结构7度A级高度钢筋混凝土高层建筑适用的最大高度为100m，本工程属A级高度高层建筑结构。

3.3 超限情况总结

工程1栋、4栋采用部分框支抗震墙结构，存在扭转不规则、凹凸不规则、楼板不连续、构件间断、局部穿层柱等不规则5项；2栋、3栋采用抗震墙结构，存在扭转不规则、凹凸不规则、楼板不连续、局部穿层柱等不规则4项，四栋建筑均属A级高度的超限高层建筑。

4 抗震设防要求及抗震性能目标

4.1 抗震设防目标

根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）的要求，建筑结构以“三个水准”为抗震设防目标，即“小震不坏、中震可修、大震不倒”。各阶段抗震设防水准的具体表述如表4.1。

表4.1抗震设防目标要求

4.2 结构关键抗侧力构件抗震性能目标

根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）的要求及工程的实际情况，本工程在多遇地震（小震）下满足抗震性能第1水准的要求，在设防地震（中震）下满足抗震性能第3水准的要求，在罕遇地震（大震）下满足抗震性能第4水准的要求，各性能水准结构预期的震后性能状况如表4.2。

表4.2 各性能水准结构预期的震后性能状况

注：“普通竖向构件”是指“关键构件”之外的竖向构件；“关键构件”是指该构件的失效可能引起结构的连续破坏或危及生命安全的严重破坏；“耗能构件”包括框架梁、剪力墙连梁及耗能支撑等。

5弹性计算结果及分析

5.1工程的整体计算

由于本工程为超限高层建筑，根据《高层建筑混凝土结构技术规程》第5.1.13条规定，采用两个不同力学模型的空间分析程序进行计算分析，选用中国建筑科学研究院编制的SATWE软件（简化墙元模型，2008版）和深圳市广厦科技有限公司编制的GSSAP软件（细分墙元模型，14.0版）。结构计算考虑偶然偏心地震作用、双向地震作用、扭转耦联及施工模拟。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》第3.3.4条和第5.1.13条规定，采用弹性时程分析程序对建筑物在多遇地震作用进行补充验算。

5.2 结构的弹性时程分析

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）第5.1.13条规定，本工程采用了弹性时程分析方法进行了补充计算。

本工程为带转换层的复杂高层建筑，抗震设防烈度为7度，根据《高规》第3.3.4条第3款、第3.3.5条和第5.1.13条第3款的规定及《建筑抗震设计规范》的要求，需进行弹性时程分析法进行多遇地震下的补充计算。输入地震波为两组实际地震记录（SATWE软件选波），并在由《场地地震安全性评价报告》提供的地震波中选取一条场地合成人工波USER3输入SATWE进行弹性动力时程分析。进行弹性动力分析时按7度地震Ⅱ类土，50年时限内超越概率为63.2%（小震），阻尼比为0.05考虑。

5.3 结构的中震验算

对设防烈度地震（中震）作用下，除普通楼板、次梁以外所有结构构件的承载力，根据其抗震性能目标，按最不利荷载组合进行验算，但不考虑规范规定的构件内力增大、调整系数。根据《场地地震安评报告》，在计算设防烈度地震作用时，水平最大地震影响系数αmax＝0.239，阻尼比ξ= 0.05。墙、柱在中震作用下未出现屈服，部分楼层的个别连梁、框架梁的配筋需求比多遇地震作用下的需求要高，仅小部分连梁和框架梁出现屈服情况。

5.4 楼板应力分析

为满足抗震性能目标的要求，确保中震作用下楼板能可靠地传递水平力，针对模型结构标准层楼板大开洞等楼板平面不规则的情况，采用PMSAP进行中震作用下弹性楼板应力分析，计算结果显示各工况下主应力与剪切应力均较小，只有在楼板开洞边角和与剪力墙角交接的地方出现的应力较大,是需要注意加强的部位，凡是拉应力大于混凝土抗拉强度处，均由钢筋承担拉力。6超限处理主要措施

6.1设计和构造措施

(1)本工程的框支柱和转换梁是本工程的重要构件，因此，按中震弹性、大震不屈服性能目标进行设计，在部分构件中设置型钢，增强了构件在地震下的承载力和延性。框支柱的轴压比在0.6以内。

(2)本工程中抗震墙是主要的抗侧力构件，所以应该提高关键部位墙肢的延性，使抗侧刚度和结构延性更好地匹配，达到有效地协同抗震。

a) 抗震墙墙肢轴压比控制按“高规”要求不大于0.6。

b) 底部加强区剪力墙抗震等级为二级，墙身水平和竖向分布筋配筋底部加强部位最小配筋率0.25％；约束边缘构件竖筋最小配筋率为1.05％，体积配箍率不小于1.7％（箍筋采用Ⅱ级钢）。

c) 抗震墙底部加强区满足大震不屈服性能目标。

(3)转换层楼板取h＝180mm，每层每方向的配筋率不小于0.25％。转换层以上一层楼板、楼板局部不连续的楼层楼板，板厚均为h＝150mm，每层每方向的配筋率不小于0.25％。

6.2计算手段

(1)设计时分别采用两个空间结构分析程序SATWE和GSSAP进行计算，考虑扭转耦联和偶然偏心地震作用；对关键构件如转换柱、转换梁等采用两个计算程序的计算结果的包络值进行设计。

(2)按规范要求，选用两组II类场地上的地震波和一组《地震安全性评价报告》所提供的场地人工波，对结构作弹性时程分析，并将结果与反应谱分析结果相比较。

(3)对关键构件进行中震弹性验算，了解其抗震性能，并采取相应加强措施。

(4)针对上述超限情况，采用PUSHOVER对本工程结构进行罕遇地震下的弹塑性静力分析，以确定结构能否满足第二阶段抗震设防水准要求，并对薄弱构件制定相应的加强措施。