某超高层住宅结构超限设计:结构超限是什么意思

某超高层住宅结构超限设计 某超高层住宅结构超限设计

赵 青* 裔裕峰

(广州容柏生建筑结构设计事务所，广州510170)

摘 要：从结构体系、性能设计等方面对某超限高层住宅结构进行了详细论述，并采用多种计算软件对其进行了弹性、弹塑性分析。计算结果表明，各项指标均表现良好，满足规范的有关要求，结构是可行且安全的。

关键词：超限高层，性能设计，弹塑性分析

1 工程概况

本工程位于郑州市金水区，沈庄北路与燕西路交叉口。本项目设4层地下室，规划建筑用地面积约4.38万m2，总建筑面积约29.7万m2，其中5栋楼住宅面积约19.9万m2，1栋楼办公面积约7.9万m2，沿街商铺面积约1.7万m2。本文主要介绍其中25#楼第一单元的超限设计情况供设计人员参考。25#楼为住宅，分三个单元，每个单元都是独立的。其中第1和第2单元地上50层，第3单元地上18层，均带两层商业裙房。地上总建筑面积为49 786.99 m2，其中住宅建筑面积为45 502.88 m2，商业裙房面积2 830.04 m2，首层基底建筑面积为2 765.53 m2。塔楼主屋面标高为150.000 m，出屋面电梯机房顶标高为157.100 m。首层层高4.5 m，往上各层均为3.0 m。25#楼一单元住宅主要楼层平面详见图1～图2，建筑几何信息详见表1。

表1 建筑几何信息表

Table 1 Building geometril information

单元 结构高度 平面尺寸 长宽比 高宽比25-1 151.5m 35.1 m×18.2 m 1.93 8.32

本工程结构设计使用年限为50年，建筑结构安全等级为二级，地震抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.15g，地震设计分组为第二组，场地类别为Ⅲ类。

2 主要结构设计内容

2.1 结构体系及结构布置

本项目采用钢筋混凝土剪力墙结构体系，主要抗侧力构件为剪力墙。本项目建筑外形为十字型，电梯间与楼梯间位于十字的上方突出部位，围绕电梯间楼梯间设置核心筒。由于核心筒是靠连梁封闭，筒的效应不明显，增加核心筒上半框的剪力墙至600 mm厚，对提高结构抗侧刚度有显著成效。从建筑图可以看出，此建筑可以布置的有效墙体较少，X向只有中间一片墙，Y向墙体较短而且上下可以对齐拉通的墙体不多，因此根据剪力墙应均匀布置的原则，选了有效部位的墙体布置，并尽量使得Y向墙体与筒体相连，共同协调工作，提供结构高效的抗侧及抗扭刚度。首层主要抗侧力墙厚为400 mm，地下室加厚至600 mm，墙截面向上每隔10层递减50 mm，直到250 mm厚。底部楼层墙柱混凝土强度等级采用C60，向上楼层变化为C50～C40。塔楼结构体系组成详见图3。

图1 二层带裙房建筑平面图

Fig.1 Level floor plan

图2 标准层建筑平面图

Fig.2 Standard floor plan

图3 塔楼竖向承载体系+结构平面布置

Fig.3 Building vertical load carrying system+structure plan

本项目首层为嵌固层，为满足规范要求，地下一层与首层侧向刚度比不应小于2，对此采取以下措施:①利用首层室内建筑标高±0.000 m与纯地下室顶板标高-1.500 m的高差，将首层结构楼板标高降低至-1.500 m，使得首层结构计算层高提高到4.5 m，B1层层高降低为4.6 m;②充分利用塔楼相关范围内的剪力墙及侧壁，并加厚塔楼范围内的墙厚。

2.2 超限情况及抗震设防指标

根据国家相关规范及规程的规定，本工程的超限情况详见表2。特别注意本项目在X向布置的剪力墙较少，此方向具有较强的框剪结构特性。在确定抗震等级时，X向按框架剪力墙结构体系确定，Y向按剪力墙结构体系确定;并且嵌固层设在首层。故按照《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3—2010)第3.9.1条、第3.9.2条、3.9.5条—3.9.7条规定，确定本工程各部分的抗震等级如表3所示。［1］

表2 结构超限情况［2］

Table 2 The out-codes of the structure

结构形式 判定结果 程度与注释(规范限制)是否特殊类型高层建筑否 钢筋混凝土剪力墙结构高度超限 是 超B级:主屋面结构高度151.5mX向:规则 1.09＜1.2(第1层)扭转不规则Y向:不规则 1.27＞1.2(第1层)(该层最大层间位移角1/9999)凹凸不规则 否 楼层凹进尺寸比例27%＜30%楼板不连续 否 X、Y向有效宽度＞50%;开洞面积4%＜30%是否复杂高层 否不同时具有转换层、加强层、错层和连体等复杂类型3种及以上

表3 结构抗震等级［3］

Table 3 Structural anti-seismic grade

*X方向剪力墙的构造抗震等级为特一级。

一级框架 一级负一层地下室 剪力墙/结构部位 抗震等级塔楼、裙房 剪力墙*框架 二级负四～负三层地下室 剪力墙/框架 一级负二层地下室 剪力墙/框架 三级地下室(无上部结构)框架 三级备注 剪力墙底部加强区:1F～5F层(首层～5F层顶)

2.3 结构各关键部位性能目标

针对本工程超限项目，采取了结构抗震性能化设计的措施。结构抗震性能目标按照《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)第3.11节内容执行［1］。根据本工程地处7度(0.15g)区，且房屋高度略超B级高度的特点，设定结构抗震性能目标为D级。结构各部位构件性能化设计的具体要求详见表4。

表4 结构各关键部位性能目标

Table 4 The performance indexes of the structure

构件类型 构件位置 多遇地震(小震) 设防烈度地震(中震) 预估的罕遇地震(大震)性能水准1 4 5关键构件 底部加强部位的剪力墙及弹性 抗剪抗弯均不屈服框架柱中度损坏(弹塑性)满足最小抗剪截面(等效弹性)普通竖向构件 一般部位的剪力墙与框架弹性 部分构件抗弯屈服，但均满足最柱，以及裙房框架柱 小抗剪截面要求部分构件比较严重损坏(弹塑性)满足最小抗剪截面(等效弹性)楼板 所有楼板 弹性 不屈服 中度损坏(弹塑性)耗能构件 框架梁 弹性 抗弯屈服，部分受剪破坏 比较严重损坏(弹塑性)耗能构件 剪力墙连梁 弹性 抗弯屈服，部分受剪破坏 比较严重损坏(弹塑性)

3 结构计算分析

3.1 结构弹性计算分析

本工程弹性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，2013版)和北京迈达斯技术有限公司的MIDAS Building软件(有限元模型，2014版)进行计算，考虑偶然偏心地震作用、双向地震作用、扭转耦联以及施工模拟加载的影响，程序自动考虑最不利地震作用方向。小震作用下结构的整体计算对比结果详见表5。

根据表5的计算结果，结合规范规定的要求及结构抗震概念设计理论，可以得出如下结论:

(1)结构两个方向的周期和振动特性较为接近，第一扭转周期与第一平动周期之比小于0.85，满足高规第3.4.5条要求。

(2)有效质量系数大于90%，所取振型数满足要求。

(3)多遇地震和风荷载作用下的层间位移角满足高规第3.7.3条的要求(注:X向虽有框架剪力墙结构体系的特性，但层间位移角限值仍按剪力墙结构体系严控)。

(4)X向和Y向的楼层剪重比均大于高规4.3.12限值的0.85倍。

(5)在偶然偏心地震荷载作用下，按高规第3.4.5条规定水平地震力计算得出的最大扭转位移比均小于1.4，满足高规第3.4.5条“B级高度建筑不应大于该楼层平均值1.4倍”的要求，属于扭转不规则结构。

(6)剪力墙最大轴压比为0.39，满足规范对轴压比的规定。

(7)按高规第3.5.2条，首层侧向刚度大于上一层的150%，满足底部嵌固层的侧向刚度比要求;其他楼层侧向刚度均大于上一层的90%。故不属于抗侧刚度不规则结构;

(8)各层受剪承载力均不小于上一层的75%，满足高规第3.5.3条的规定，不存在楼层承载力突变。

(9)结构刚重比大于2.7，计算中不考虑重力二阶效应的影响。

(10)X方向按框架剪力墙结构设计，Y方向按剪力墙结构设计，X，Y方向的层间位移角仍均按剪力墙结构限值控制。

(11)结构整体抗倾覆验算的安全系数大于9，底板无零应力区，结构对抗倾覆的安全性有一定富余。

(12)SATWE与MIDAS Building的计算结果相近，说明计算结果合理、有效，计算模型符合结构的实际工作状况。

(13)综合计算结果表明，结构周期和自重适中，剪重比符合规范要求，位移和轴压比接近规范的限值要求，构件截面取值合理，结构体系选择恰当。

表5 塔楼结构整体计算结果

Table 5 The elastic calculation results

注:标有［注1］的数值是去掉地下室，嵌固在首层的计算模型结果值。

软件 SATWE MIDAS Building计算振型数15 15T1 3.639(0.34+0.65) 4.009(0.29+0.60)自振周期T2 3.222(0.64+0.35) 3.497(0.61+0.27)T3 2.214(0.02+0.00) 2.246(0.03+0.00)第1扭转/第1平动周期0.60 0.56地面以上结构总质36 460.1 37 189.0量/t地面以上单位面积重17.5 17.8度/(kN·m2)地震下首层剪力/kNX 8 604.78 9 574.75Y 9 720.01 10 439.56X 2.33%＞2.70%×0.85 2.43＞2.70%×0.最小剪重比85Y 2.63%＞2.70%×0.85 2.55%＞2.70×0.85地震下首层倾覆弯矩/(kN·m)X 818 395.2 882 436.55Y 817 001.6 932 009.33 50年一遇风荷载下最大层间位移角(层号)限值:1/985［注1］X 1/2811(28) 1/2523(28)Y 1/1268(40) 1/1129(40)规范反应谱地震荷载下最大层间位移角(层号)限值:1/985［注1］X 1/1046(30) 1/1061(36)Y 1/1041(40) 1/985(43)规定水平地震力下考虑偶然偏心最大扭转位移比［注1］X 1.14(4)，1/2018 1.15(2)，1/3603Y 1.27(1)，1/9999 1.36(1)，1/10861地震荷载下本层侧向刚度与上层侧向刚度的比值的最小值［注1］X 1.02(40)＞0.9 1.02(37)＞0.9Y 1.02(40)＞0.9 1.02(37)＞0.9楼层受剪承载力与上层的比值(层号)X 1.0＞0.8 (49) 1.0＞0.8 (49)Y 0.96＞0.8 (26) 1.0＞0.8 (19) 69刚 重 比 EJd/ GH2［注1］X35Y5.5.

3.2 带“计算缝”模型的X向框架承载力复核

本工程结构为剪力墙体系，但X向成榀的剪力墙很少，X向结构刚度很大一部分由外围框梁和与之相连的翼缘墙(即Y向剪力墙的翼缘)提供，因此X向位移曲线呈框剪结构形式。按照超限专家意见，在Y向翼墙与主墙肢之间设置“计算缝”建模(即断开翼缘墙和主墙肢，中间用刚度较弱的框架梁联系)，按框剪结构作对比计算。翼墙和与之相连的梁可参照框架柱、梁配筋进行调整，且和原模型中的边缘构件(或梁)进行包络设计。统计结果如表6和图4所示。

表6 25#框架首层倾覆弯矩比例表

Table 6 25#Building ratio table of overturning moment resisted by frame

25-1模型 原模型(剪力墙模型)端柱开洞模型(框剪模型)X向框架首层倾覆0.64% 16.21%弯矩所占比例

图4 X向框剪调整系数

Fig.4 X-frame-shear coefficient

4 结构弹性时程分析

根据高规4.3.4条和4.3.5条，对塔楼结构进行了常遇地震下的弹性时程分析。按地震波选取三要素(频谱特性，有效峰值和持续时间)，选取Tg=0.45场地上五组实际强震记录(天然波一至天然波五)，以及两组人工模拟的场地波(人工波一、人工波二)，进行弹性时程分析;在时程分析中，主方向地震波加速度峰值取0.606 m/s2，主方向与次方向的峰值加速度比为1∶0.85。地震波有效持时不小于16 s。

时程分析结果满足七组地震波的平均底部剪力不小于振型分解反应谱法结果的80%，和每条地震波底部剪力不小于反应谱法结果的65%的条件，所选地震波满足规范要求;规范反应谱计算得出的楼层剪力及倾覆弯矩在塔楼40层以上略小于弹性时程分析得出的平均值，设计时将对塔楼40层以上按规范反应谱得出的地震力进行适当放大，X向放大系数为1.09，Y向放大系数为1.07;各条楼层位移曲线形状相似，光滑无突变，X向位移曲线表现为弯剪型，Y向位移曲线表现为弯曲型;各条层间位移角曲线形状相似，曲线较为光滑，结构侧向刚度较为均匀，仅在剪力墙收截面及混凝土等级变号的楼层处稍微突出。

5 设防烈度地震和罕遇地震下的抗震性能验算

按照设定的性能目标要求，需对结构在中震作用下的构件承载力进行复核。

图5 验算拉应力墙肢编号

Fig.5 shear walls number for tensile stress calculation

5.1 中震不屈服计算下拉应力验算

在中震双向地震作用与重力荷载代表值标准组合下(即恒载+0.5活载+双向地震作用)，结构四周的剪力墙容易出现拉力，验算图5中带有编号墙肢的拉应力，其它未编号的墙肢未出现拉应力。验算拉应力时，按弹性模量换算考虑型钢的作用。

Q1-2剪力墙在Y向地震作用下受到拉力较大，B1层～15F层配置约7.4%的Q345型钢能满足拉应力小于两倍混凝土抗拉强度标准值的要求(即2ftk);Q1的其余三片剪力墙在地震作用下满足所受拉力大于一倍ftk，小于两倍混凝土抗拉强度标准值的要求。Q1属于关键构件，因此在Q1-1，Q1-3及Q1-4中的B1层～15层范围内设置构造型钢;其余的剪力墙(Q2～Q6)在地震作用下均能满足拉应力小于两倍混凝土抗拉强度标准值的要求(即2ftk)，但所受拉力大于一倍ftk，在底部加强区宜设置型钢。

5.2 中震抗弯抗剪不屈服验算

根据结构抗震性能要求，底部加强区的剪力墙及框架柱作为关键构件，需满足中震抗剪抗弯均不屈服;一般部位的剪力墙及框架柱作为普通竖向构件，需满足部分构件抗弯屈服，大部分构件抗弯不屈服，且均需满足最小抗剪截面要求。本工程采用等效弹性算法对此进行验算。计算结果表明，中震不屈服的基底剪力约为小震基底剪力的2.6倍。

5.3 大震抗剪截面验算

根据结构抗震性能要求，底部加强区的剪力墙作为关键构件，一般部位的剪力墙作为普通竖向构件，需满足大震最小抗剪截面要求。大震抗剪截面验算时的剪力采用大震不屈服等效弹性算法的结果值。计算结果表明，大震不屈服的基底剪力约为小震基底剪力的5.28倍。

6 罕遇地震下的动力弹塑性时程分析

采用大型通用有限元软件ABAQUS6.12，该软件被工业界和学术研究界广泛应用，是非线性分析领域的顶级软件。对模型的前处理和准备工作由PKPM-SAUSAGE完成。本工程的弹塑性分析将采用基于显式积分的动力弹塑性分析方法，这种分析方法未作任何理论的简化，直接模拟结构在地震力作用下的非线性反应，具有优越性。

经三组地震波，六种地震工况输入下的大震弹塑性分析，综合考虑大震下结构的整体指标响应及结构损伤发展与分布特征，总结如下:

(1)在考虑重力二阶效应及大变形的条件下，结构最大层间位移角为1/130，低于1/120的规范限值。

(2)在各组波作用下，结构最大层间位移角基本都出现在中部楼层，结构位移曲线光滑，位移角曲线没有显著的转折，表明结构在大震弹塑性下没有出现显著的薄弱层。

(3)在各组波作用下，弹塑性楼层位移曲线和层间位移角曲线变化趋势与弹性结果基本一致，弹塑性弹性下基底剪力比值和位移比值均处在合适范围，结构表现出一定的耗能能力。

(4)结构剪力墙和连梁损伤集中在中部电梯筒相关剪力墙，而平面两侧剪力墙受力较小，损伤也不大，这与小震及等效弹性计算结果一致;损伤基本集中在连梁上，部分墙肢端部出现比较严重的受压损伤，但边缘构件均未屈服，结构耗能机制合理。

(5)结构梁板损伤方面，底部楼层与顶部楼层较小，结构中部偏大，但均可接受。

(6)大震下底部墙肢拉力较小，适当配筋即可满足要求。除在电梯筒上方端墙埋置钢骨外(中震性能设计中已考虑)，无需其他加强措施。

7 结论

本项目高度X向超出框架剪力墙结构B级高层建筑最大适用高度140 m，Y向超出剪力墙结构B级高层建筑最大适用高度150 m，并存在平面扭转不规则，结构高宽比适中。采用抗震概念设计方法，根据抗震原则及建筑特点，对整体结构体系及布置进行仔细的考虑并做优化，且设置有效的耗能机制，使之具有良好的结构抗震性能。设计采用多种计算程序进行了弹性和弹塑性的计算，各项指标均满足规范的相关要求。同时在结构端部易受拉剪力墙内设置型钢或增加墙身竖向分布筋，对薄弱部位的剪力墙作了适当加强，保证结构的整体抗震延性。

综上所述，本结构除能够满足竖向荷载和风荷载作用下的有关指标外，抗震性能目标满足D级的要求，设计合理有效，并且安全可行。

参考文献：

［1］中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ 3—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，2010.Ministry of Housing and Urban-Rural Develgoment of the People’s Republic of China.JGJ 3—2010 Technical specification for concrete structures of tall building［S］.BeiJing:China Architecture＆ Building Press，2010.(in Chinese)

［2］中华人民共和国住房和城乡建设部.建质［2010］109号超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点.Ministry of Housing and Urban-Rural Develgoment of the People’s Republic of China.Construction quality［2010］No109 out-of-codes high rise building for seismic fortification technical points.(in Chinese)

［3］中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50011—2010建筑抗震设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2010.Ministry of Housing and Urban-Rural Develgoment of the People’s Republic of China.GB 50011—2010 Code for seismic design of buildings［S］.BeiJing:China Architecture＆Building Press，2010.(in Chinese)

Structure Design of a Super High-rise Residential Building

ZHAO Qing* YI Yufeng

(RBS Architectural Engineering Design Associates，Guangzhou 510170，China)

Abstract：In this article，one of the super high-rise residential buildings was discussed in detail by its structural system concerning performance design.The structure was analyzed with elastic and elastic-plastic analysis by several softwares.The research shows that the indicators are performing well and can meet code requirement，the structure is feasible and safe.

Keywords：super high-rise building，performance design，elastic-plastic analysis

收稿日期：2016-02-22

*联系作者，Email:4096812@qq.com