某超限高层建筑结构分析与设计（建筑）
李 毅，王华辉，韩 平，王 杨，孙建超，夏荣茂
（中国建筑科学研究院，北京100013）
[摘要]本工程写字楼为办公建筑，结构高度169. 1m，采用框筒结构。针对结构超高、楼板局部大开洞、局部穿层柱及核心筒外侧墙体取消带来的扭转不利影响等超限特点，采取相应加强措施，并采用多个分析软件进行多遇地震反应谱分析，同时对结构进行抗震性能化设计、弹性时程分析和罕遇地震作用下弹塑性时程分析。计算分析结果表明，采取相应措施后，各项指标均满足规范要求且满足设定抗震性能目标要求，结构具有良好的抗震性能。
[关键词]超限高层建筑；抗震性能目标；弹塑性时程分析；结构设计
[中图分类号] TU972+．9
1 工程概况
本工程位于江西省赣州市章江新区中心，建筑主要功能为办公、商业及地下停车库等。本工程地下室与先期建设的华润大厦及万象城在地下连为一体，地上设缝分开独立建设，建筑地上42层，地下3层，建筑檐口高度为169. 1m，其中首层、二层为商业，其余楼层为办公，建筑效果图与剖面图见图1、图2。
本工程抗震设防烈度为6度，设防分组为第一组，设计基本地震加速度0. 05g，场地类别为II类，抗震设防类别为丙类，基本风压为0.3 k N/m2，地面粗糙度类别为C类，设计使用年限50年，建筑物安全等级为二级。
2 结构设计
2.1 基础及地下室设计
本工程根据结构布置、楼层与荷载情况，并结合地勘报告及前一期的工程经验，主楼核心筒下为桩筏基础，主楼其余部分与纯地下室均采用柱下独立桩基+抗水板，塔楼核心筒下筏板厚度3. 0m，塔楼核心筒外底板厚度为1. 2m；纯地下室部分底板厚度0. 6m。桩长10m~14m不等，桩端进入中风化泥岩4m~ 8m。地下室采用混凝土梁板结构，首层楼板厚度为200m~ 300mm不等。
2.2上部结构设计
主楼结构地上42层，混凝土核心筒伸至171. 5m高度，大屋面结构标高为165. 9m，结构类型为框架．核心筒结构。楼盖采用混凝土梁、板体系。本工程塔楼标准层平面较为规则，为典型框架。核心筒结构，标准层平面见图3。结构二层局部楼板大开洞，局部形成穿层柱。为了满足建筑功能要求，结构在第14层及以上时核心筒最南侧墙体取消，30层及以上层核心筒最北侧墙体取消，14层~ 30层结构形成核心筒墙体不对称分布。
2.3 结构超限项及特点
本工程结构高度为B级高度，主要超限项为高度超限，由于14层~ 30层核心筒南侧墙体取消引起扭转不规则，同时二层局部楼板大开洞，局部有穿层柱。本工程为超限高层建筑。
3 结构弹性分析与计算
针对本工程超限特点，设计中采取了必要的措施，并且进行了相应的计算分析，主要按以下两个层次进行：
1)整体结构小震弹性分析（振型分解反应谱法）
首先进行整体结构小震弹性分析，采用两套独立的程序（SATWE和ETABS）进行计算分析并对比其结果，确保整体结构的各项指标满足规范要求。
2)整体结构小震弹性时程分析
采用SATWE程序进行小震弹性时程分析。
3.1 抗震设计动参数选取
根据场地安评报告，本场地的地震基本烈度为6度，场地设计抗震加速度为0. 05g，设计地震分组为第一组。勘察场地及影响范围内，四周较平坦开阔，无古河道、古墓，无滑坡、泥石流、地下采空区、砂土液化、软土震陷及塌陷区等不良地质作用。
从图4可以看出，安评谱的地震影响系数曲线全部在规范谱曲线之上，安评谱影响系数在各个周期点上均大于规范谱，因此，多遇地震作用下，本工程在承载力、位移计算时取安评相关参数，中震及大震性能设计的参数按照规范取值。
3.2 多遇地震下振型分解反应谱计算分析
采用对结构进行反应谱分析，并采用SATWE和ETABS进行对比计算分析，结构周期、层间位移角，位移比基底剪力，倾覆力矩等指标计算结果基本一致，SATWE计算结果见表2和表3。
从X向地震楼层位移比分布图与刚心分布图可以看出，由于在14层~ 30层取消B轴处X向核心筒墙肢，在30层及以上层取消F轴处X向核心筒墙肢，所以刚心位置沿Y向发生变化。因此取消最外侧墙体引起结构扭转不规则，对结构抗震造成不利影响。
多遇地震下振型分析反应谱计算结果显示，结构各项整体指标均满足规范要求，结构体系是可行的。
3.3弹性时程分析
采用SATWE程序进行弹性时程分析，根据场地安评报告提供的地震波，选取3条地震波，包括1条人工波、2条天然波，分别为人工波、天然波TR1和天然波TR2，分别从X、Y向进行输入，峰值加速度取18. 43 cm/s2（安评报告加速度峰值）。X、Y向3条波中每一条的基底剪力都大于反应谱法基底剪力的65%，平均基底剪力大于反应谱法基底剪力的80%，满足规范对时程分析地震波的要求。地震记录频谱分析见图7。
由楼层剪力曲线（图8、图9）可以看出，结构X方向在34至顶层大于反应谱(CQC)分析结果，最大值为在进行小震反应谱计算时的1. 20倍，y方向在34层至顶层的部分地震波的时程分析楼层剪力大于CQC分析结果，最大值为在进行小震反应谱计算时的1.15倍，应按反应谱和时程分析结构取包络进行设计，对X方向相应楼层剪力放大1. 20倍，Y方向放大1. 15倍后进行设计。
4 结构抗震性能目标
根据该结构超限情况及抗震超限审查意见，本工程抗震设防性能目标应设定为C，细化如表4所示。
5超限设计加强措施
核心筒底部加强部位高度取至第6层，主要墙体和框架柱按中震不屈服设计。核心筒外墙水平及竖向分布筋配筋率在1层～6层提高至0. 40%，7层～8层设置过渡层。
由于二层局部楼板大开洞，为保证地震力传递，并对整层楼板进行加强，楼板厚度采用200mm，双层双向配筋，截面每个方向单侧配筋率不小于0. 30%。X向地震作用下，第13层核心筒位于B轴处的剪力墙承担的水平剪力为结构底部总水平剪力的46%，超过《高规》第8.1.7条单片剪力墙承担剪力不得超过30%的限制要求，因此在第13层南侧外框架处局部设置支撑，使核心筒墙肢的剪力减小到底部剪力的30%以下。该层B轴处的剪力墙按（计算时不考虑斜撑）大震不屈服设计且墙体水平分布筋提高至1. 2%，竖向分布筋提高至1.0%，并向下延伸两层，本层该处墙体与支撑相连区域的楼板厚度采用200mm，双层双向配筋，截面每个方向单侧配筋率不小于0. 30%。
对于底部加强区的墙体，进行中震作用下的拉应力验算与大震作用下的抗剪截面验算。核心筒主要墙肢中震组合工况作用下均未出现拉应力；核心筒主要墙肢满足大震作用下的抗剪截面控制条件。
6 罕遇地震弹塑性时程分析
结构罕遇地震弹塑性时程分析采用PKPM-SAUSAGE软件，根据抗震规范要求选取3组地震波，包括1组人工波、2组天然波（分别为人工波、天然波TRH1和天然波TRH2）。根据选出的3组（包含两方向分量）地震记录、采用主次方向输入法（即X、Y方向依次作为主次方向），其中两方向输入峰值比依次为1：0. 85（主方向：次方向），主方向波峰值取为125gal。主要计算分析结果见图10~图13。
从大震弹塑性时程分析结果可知：
1)6度罕遇地震作用下，结构竖向构件仅出现轻微损伤，且最大层间位移角未超过1/100的要求，满足规范“大震不倒”的要求。
2)6度罕遇地震作用下，连梁大部分破坏，说明在罕遇地震作用下，连梁形成了铰机制，发挥了屈服耗能作用，符合抗震概念设计。
3)6度罕遇地震作用下，剪力墙在10层～13层南侧外墙出现局部受压损伤和剪力墙底部出现受拉损伤，框架柱在顶部出现局部受拉损伤，但竖向构件钢筋未达到屈服应力，完全能够满足本工程设定的性能目标要求。
4)6度罕遇地震作用下，第14层楼板局部出现受拉和受压损伤，但楼板钢筋未达到屈服应力，说明本工程采取的超限措施完全能够保证楼板能够满足大震下传递水平力要求。
7 结论与建议
本工程采用的主体结构质量分布均匀，刚度分布基本合理，结构体系合理可行；同时结构满足“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防目标，并达到本工程所设定的性能目标要求。
本工程由于建筑功能需要，核心筒在第14层局部变化引起结构刚度变化，虽然通过采取加强措施，改善刚度变化带来的不利影响，但这种刚度突变对结构抗震十分不利且不经济，因此在超高层建筑确定方案时，尤其是在高烈度地区，应尽量避免采用这种核心简单侧收进方案。
