超限高层住宅建筑的抗震设计张均洲华阳国际设计集团深圳公司广东深圳518038摘要：目前超限高层建筑越来越多，木文采用PKPM和ETABS、PERFORM 3D 有限元分析程序，对工程进行了详细的弹性及弹塑性的计算分析，根据分析结果， 就工程中的各项超限指标提出了相应的概念设计原则及处理措施关键词：超限高层住宅建筑；抗震性能设计；弹性分析；弹塑性分析1、 工程概况某超高层住宅建筑位于深圳市南山区，地面以上54层，地下2层，主体结 构建筑高度175.6m设计使用年限50年，结构安全等级二级，抗震设防类别为 丙类，地基基础设计等级为甲级；根据《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010) 及工程地质勘察报告，木场区抗震设防烈度为7度，设计基木地震加速度为0.10g, 设计地震分组为第一组，场地类别为II类，特征周期值为0.35s,属建筑抗震一 般地段风荷载计算时，整体位移验算釆用50年重现期的风压值0.75kN/m2, 承载力计算釆用50年重现期风压值的1.1倍0.83kN/m2o2、 荷载及作用2.1风荷载2.1.1规范风荷载2.1.2风洞试验数据木工程建筑风洞实验模型由广东省建筑科学院完成，以下列出相关的风洞实 验结果。
风洞实验报告提供了各楼层等效风荷载值，风洞实验结果表明基底剪力 作用最大的风作用方向同风吹来的方向有一定的夹角50年重现期风压下塔楼 基底最不利结果见下表2.1.3风荷载计算数据的选择（1）风荷载作用下X方向楼层剪力（2）风荷载作用下Y方向楼层剪力图2.1规范风荷载和风洞实验的计算结果对比图为便于同规范风荷载比较，我们将基底剪力最大的方向作为相应的风作用方 向，分别按照规范风荷载和风洞实验数据进行计算，图2.1给出了塔楼X、Y向 按风洞实验和规范风荷载计算结果的比较从图中结果可以看出来风洞实验结果 比规范风荷载小考虑到周边建筑实际同风洞试验有一定差别（周边超高层建筑 实际施工情况），因此本工程进行风荷载作用下位移及构件承载力计算吋，取规 范风荷载进行设计计算2.1.4顶点舒适度验算为确保高层建筑内使用者之舒适度，需考虑结构顶点风振加速度现分别釆 用规范风荷载和风洞实验结果对结构顶点风振最大加速度进行复核结构顶点舒适度验算结果（Satwe结果）结构顶点舒适度验算结果（风洞实验结果）由于本项目不属于大跨度、长悬臂结构，根据《高规》43.2-3条，抗震 设计吋不计入竖向地震作用2.2.2工程场地地震安全性评价报告数据及安评反应谱与规范反应谱的对比基于上述差别，在多遇地震作用下的计算分析中，分别按照规范反应谱 和安评反应谱的地震动参数计算，取两者计算所得基底剪力较大者为振型分解反 应谱法的计算依据；设防地震按规范地震动参数（包括反应谱和加速度峰值）进 行计算；罕遇地震选用《安评报告》提供的两条天然波和一条人工波（峰值加速 度调整至规范水平）进行计算。
3、结构体系及抗震性能目标3.1结构体系本工程为一超高层住宅楼，塔楼54层，建筑高度为175.600米，采用剪力 墙结构该塔楼与其他塔楼首层以上分开，地下室为一整体，不设缝一层为架 空车库，层高5.850m；二层为架空层，层高6.000m；标准层层高为3.150mo剪 力墙、框架柱均采用钢筋混凝上构件，楼盖均采用现浇普通钢筋混凝土梁板体系, 标准层结构布置详见图3.1o图3.1标准层结构平面布置图3.2结构超限情况本工程超限类型有三点，分别如下：1） 《高层建筑混凝土结构技术规程JGJ3-2010表1全部落地剪力墙结构A级 高度限值120m, B级高度限值150m,本工程高度175.6m,超过B级高度25.6mo2） X方向扭转位移比超过1.39,按照《超限高层建筑工程抗震设防专项审 查技术要点》2010年版附录一：表2,属于1类扭转不规则3） 平面凹凸尺寸大于其相应边长30%,属于2a类凹凸不规则综上所述，该楼建筑不属于特别不规则和严重不规则结构，但属于房屋高度 超过《高规》表3.3.1-2中B级高度的一般不规则高层建筑工程根据《超限高 层建筑工程抗震设防管理规定》（建设部令第口1号）、《超限高层建筑工程抗震 设防专项审查技术要点》（建质[2010] 109号）及《广东省超限高层建筑工程抗 震设防专项审查实施细则》（粤建市函[2011]580号）的相关规定，应报广东省超 限高层建筑工程抗震设防专项审查。
3.3抗震性能目标综合考虑抗震设防类别、设防烈度、场地条件、结构本身特点、建造费用和 修复难易程度等因素，根据《高规》对抗震性能目标的划分，结构抗震性能目标 定为C级1）针对不同的抗震性能水准对应的结构构件抗震性能目标，设计时具体控制指标如下表:4、多遇地震及风荷载作用下的弹性分析4.1计算反应谱的选择基于《安评报告》提供的安评反应谱数据与规范反应谱相应参数存在差别（见 表3.3.2）,在多遇地震作用下的计算分析中，分别按照规范反应谱和安评反应谱 的地震动参数计算，计算结果对比见下表从结果可以看出，按照规范反应谱计算所得到X向和Y向的结构底部剪 力均比安评反应谱计算结果要大因此，在多遇地震作用下的计算分析中选择规 范反应谱为计算反应谱4.2计算参数及分析方法分别采用SATWE及Midas Building两种三维空间结构分析程序进行计算比较, 按振型分解反谱法进行抗震计算及弹性时程补充分析计算，模型计算主要输入参 数见下表：4.2.5重力二阶效应与结构稳定性（Satwe结果）4.2.6弹性时程分析根据《抗规》第5.1.2条，该塔楼应采用弹性吋程分析方法进行多遇地震下 的补充计算计算分析时，将所采用各条地震波的地震影响系数调整为0.0408g （即40cm/s2）,并分别沿X向和Y向加载，地震波振型阻尼比ξ为0.05,地震 波持续时间t为40.94s,地震波的时间间距At为0.02so经分析结果表明，每条 时程曲线计算所得基底剪力均在振型分解反应谱计算结果的65%和135%之间； 七条吋程曲线计算所得基底剪力的平均值均在振型分解反应谱计算结果的80% 和120%之间，满足《高规》第435条的规定。
说明结构地震作用效应取规范反 应谱的计算结果是合理准确的但应注意顶部部分楼层时程分析结果较反应谱法 计算的地震层剪力大，结构高振型响应明显对于反应谱分析结果不能包络的局部楼层，在结构构件设计吋，对该部分楼 层地震作用放大，使得规范反应谱法计算的楼层地震剪力能够包络时程分析的结 果，构件配筋设计吋采用计算包络结果，以确保结构构件的安全4.2.7分析结论综上分析，在多遇地震及风荷载作用下：(1) SATWE和MIDAS BULIDING两种软件分析的各项指标、反应谱与吋程分 析的结果均具有一致性和规律性，说明分析模型准确2) 各楼层水平地震剪力最小值经调整后满足规范限值要求，结构具有足 够的安全度3) 反应谱分析表明塔楼受力及变形均无明显突变，结构具有合适的抗侧 刚度4) 扭转周期与平动周期之比小于0.85,结构具有合适的抗扭刚度5) 结构楼层质量分布均匀，地震力沿高度方向无较大突变6) 结构构件均处于弹性状态，承载能力和变形能力均能满足规范规定的 要求7) 结构刚重比、剪力墙墙月支稳定性、整体抗倾覆均满足规范要求8) 时程波的选取与安评反应谱在统计意义上相符，分析结果满足规范要 求结论：多遇地震及风荷载作用下，各项控制指标均满足性能水准1的抗震性 能目标。
5、设防烈度地震作用下结构抗震性能验算根据设防烈度地震作用下的抗震性能目标的要求，对本工程进行中震屈服判 别分析，以判别结构在中震作用下的抗震性能5.1中震验算的参数取值采用Satwe程序进行分析，按照中震弹性计算对底部加强部位剪力墙进行弹 性判别；按照中震不屈服计算对非底部加强部位剪力墙、框架梁、连梁进行屈服 判别中震弹性和中震不屈服计算模型主要输入参数详见下表:5.2中震作用下的结构整体反应指标经分析，在设防烈度地震作用下：（1） 中震作用下结构基底剪力达到小震基底剪力的2.8倍，地震作用量级 合理2） 整体层面的楼层层间位移角分布具有规律性、无异常突变，结构体系 满足选定的变形限值要求3） 除局部墙体出现受拉外，底部加强区剪力墙基本处于弹性状态4） 非底部加强区剪力墙除少量剪力墙墙肢出现受弯屈服、但受剪不屈服 外，均满足受弯不屈服、受剪弹性5） 框架梁、连梁仅有部分出现受弯屈服，但受剪不屈服结论：设防烈度地震作用下各项设计控制指标均满足性能水准3的抗震性能 目标6、罕遇地震作用下结构动力弹塑性分析与抗震性能评价JGJ3-2010高层建筑混凝土结构技术规程》（以下称《高规》）第5.1.13条 规定“B级高度的高层建筑、混合结构和复杂高层建筑结构，宜采用弹塑性静力 或弹塑性动力分析方法补充计算”。
该塔楼属于超过《高规》表33.1-2中B级最 大适用高度的一般不规则结构，因此应进行罕遇地震作用下的动力弹塑性时程分 析，根据规范确定结构整体及构件抗震性能目标，然后根据计算得到的结构地震 反应与抗震性能目标对比，判断结构是否满足期望的抗震性能目标分析采用 Computer and Structures, Inc的三维非线性结构分析软件PERFORM 3D通过对结构输入三条地震波进行罕遇地震作用下弹塑性动力吋程分析，并结 合所设定的结构在罕遇地震作用下的抗震性能目标，可以得出如下结论：6.1结构整体性能（1）层间位移角：计算得到结构楼层质心处的最大层间塑性位移角为：X 方向1/277 （第39层）、Y方向1/272 （第46层），小于规范限＜[1/120]的要求2） 楼层剪力和倾覆力矩：罕遇地震作用下的基底剪力约为多遇地震作用 下的4.8〜5.9倍，楼层剪力分布没有出现突变3） 整体塑性发展过程：在初始阶段，结构整体无任何损伤，整体处于弹 性状态；随着地震波幅值增大，少量连梁和框架开始进入塑性状态，剪力墙依然 保持弹性；接近地震波最人峰值吋，底部剪力墙和上部局部墙肢混凝土开裂，框 架梁开始进入塑性状态；达到峰值后的一段吋间，中上部剪力墙逐步进入塑性状 态；地震将结束时，剪力墙进一步开裂，部分连梁受剪屈服，部分框架梁受弯屈 服，直至地震波结束，整体塑性不再继续发展，结构在罕遇地震作用下非弹性耗 能水平处于较低状态，结构宏观损坏程度为“中度损坏”。
6.2构件性能水准（1） 框架梁：受弯基本处于较弱的非线性状态，满足预期性能水准（LS）； 受剪未达到10% τy,满足剪切截面控制的要求2） 连梁：所有连梁受压和受弯基本处于弹性状态，低于10水准；多数连 梁达到了屈服承载力，但都小于0.15βcfc,满足预期性能目标3） 剪力墙：底部大部分墙体混凝土纤维受压仅达到混凝土抗压强度设计 值的fc的50%,但名义压应力小于抗压强度设计值fc,剪力墙墙肢受压满足预 期性能目标；人部分墙体混凝土纤维受拉未达到混凝土抗拉强度设计值ft,只有 少部分墙肢达到了达到ft,而个别墙肢受拉损伤演化参数达到0.6,但名义拉应 力均小于ftk,满足预定性能水准；所有墙体受剪截面和抗剪承载力均能满足抗 剪不屈服要求结论：罕遇地震作用下各项控制指标均满足性能水准4的抗震性能目标7、针对超限采取的主要措施（1）将剪力墙底部加强部位的抗震构造措施提高为特一级，墙身水平和竖 向分布筋的最小配筋率提高到0.5%, K他部位剪力墙的最小配筋率提高到0.3%； 对于个别剪应力较高的墙体，其约束边缘构件配筋率不小于1.6%,构造边缘构 件吋改为约束边缘构件，水平钢筋配筋率提高至0.6%。