王 旭

（中铁房地产集团北方有限公司 北京 100066）

1 引言

随着经济的快速发展和土地资源的紧缺，在人口密集型城市建设超高层结构具有可行性和必要性[1]。保证超高层结构的抗震性能安全尤为重要。本文通过超高层工程实例，结合基础结构设计及抗震性能分析，在超高且存在平面及竖向不规则情况下提出适宜的结构抗震性能化设计目标。

2 项目概况

该项目位于重庆市北滨路，总建筑面积约为27.7万m2，其中5＃公寓楼为本次重点研究超高层建筑。建筑结构高度145.75 m，地上三十七层，在11层和25层处设两个避难层；因建筑功能需要，在35层和36层处单独设置两个设备夹层；地下室三层。5＃公寓楼立面效果如图1所示。

图1 5＃公寓立面效果图

（1）主体概况

本建筑采用框架剪力墙结构，B级高度，水平荷载和地震作用为设计主要控制因素。由于建筑需要提高客厅及卧室的通透感，建筑物角部不允许设置结构柱。标准层建筑平面布置如图2所示。结构布置在满足建筑使用功能的同时，尽量做到简单规则、受力明确、经济合理，剪力墙尽量布置在楼电梯间及建筑周边，如图3所示。结构的X向宽度为28.4 m，Y向宽度为24.4 m；X向高宽比5.13，Y向高宽比5.97。

图2 标准层建筑平面布置

图3 标准层结构构件布置

（2）结构设计主要参数

根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）（2016年版）和《建筑抗震设防分类标准》等国家现行相关规范，结构设计所采用的设计基准期为50年，建筑结构安全等级为二级，抗震设防烈度6度，地震动峰值加速度0.05 g，设计地震分组第一组，场地类别Ⅲ类，属抗震不利地段，特征周期0.45 s，弹性分析阻尼比0.05。框架及剪力墙抗震等级为二级，抗震设防类别为丙类。风荷载作用下层间位移角限值1／800，多遇地震作用下层间位移角限值1／800，罕遇地震作用下层间位移角限值1／100。

（3）荷载作用

本工程多遇地震、设防地震、罕遇地震的地震动参数均按规范建议值采用。基本风压0.44 kN／m2。

3 超限情况

（1）超限判别

本建筑在偶然偏心的规定水平力作用下，层间位移比为1.22，大于1.2，判定本工程为扭转不规则；38层因建筑功能所需，客厅区域为两层挑空，导致有效楼板宽度小于50%，造成楼板局部不连续；避难层11层、25层因建筑功能所需，存在穿层柱，造成局部不规则。

（2）超限措施

根据以上超规超限等复杂情况，综合考虑类似工程中的相关资料[1－2]，采取加强剪力墙及底部加强区框架柱、加强穿层柱、加厚不连续楼板且增强配筋等措施。

4 抗震性能目标

本工程抗震设计在满足国家、地方规范外，根据性能化抗震设计的概念进行设计。根据《建筑工程抗震性态设计通则》和《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）第3.11.1条文说明进行抗震性能评估，并同时综合考虑抗震设防类别、设防烈度、场地条件、结构特殊性、建造费用、震后损失和修复难易程度等因素[3－4]。

鉴于拟建建筑为B级高度建筑，同时结构较为规则，因此其抗震性能目标选用D级。根据D级性能目标要求，结构主要受力构件性能目标如表1所示。

表1 抗震性能目标

5 多遇地震计算分析

多遇地震计算采用振型分解反应谱法，不是本文研究重点，只做简要说明。本工程采用盈建科和ETABS两种分析软件计算多遇地震作用，结果互为校核。考虑偶然偏心及双向地震作用，CQC法进行振型组合，两者计算结果较为接近，分布规律相同。第一振型与第二振型为平动，且周期较为接近，约为4.5 s；第三振型为扭转振型。各计算结果数值上满足规范要求，验证了结构的合理性和正确性[5－7]。

6 设防地震计算分析

采用盈建科软件对关键构件，如底部加强区及其上一层剪力墙、避难层穿层墙验算中震抗剪承载力弹性及正截面承载力不屈服的性能目标。

（1）中震等效弹性层间位移角验算

中震等效弹性计算的层间位移角X方向为1／600，Y 方向为 1／621。计算结果表明，中震条件下结构的最大层间位移角满足1／200的规范限值要求。

（2）中震弹性构件性能目标验算

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》第三章相关规定，采用等效弹性方法对构件的性能目标进行验算。底部加强区（以层高最大的1层为例）和11层避难层关键构件中震等效弹性分析计算结果如图4、图5所示。其计算结果表明关键结构构件能够满足性能水准要求。

图4 底部加强区（1层）关键构件中震性能目标计算结果

图5 避难层11层关键构件中震性能目标计算结果

7 罕遇地震计算分析

（1）罕遇地震等效弹性层间位移角及整体稳定验算

大震等效弹性计算的层间位移角X方向为1／250（20 层），Y 方向为 1／239（19 层）。计算结果表明，大震下结构的最大层间位移角满足不大于1 ／100的规范限值要求[8－10]。

大震等效弹性计算的抗倾覆稳定结果如表2所示。

表2 大震等效弹性计算的抗倾覆稳定计算结果

可见，结构大震下的整体稳定满足要求，且几乎无零应力区。

（2）罕遇地震不屈服目标验算

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》第三章相关规定，采用等效弹性方法对构件的性能目标进行验算。底部加强区（以层高最大的1层为例）和11层避难层剪力墙的大震等效弹性分析计算结果如图6、图7所示。

图6 底部加强区（1F）关键构件大震性能目标计算结果

图7 避难层11层关键构件大震性能目标计算结果

由关键构件按大震不屈服计算的配筋结果可知，大部分墙体水平钢筋为构造配筋。一层楼电梯间区域的剪力墙竖向钢筋计算结果较大。经查看构件信息发现该部位墙肢受拉，施工图设计时需要对其边缘构件纵筋和墙身竖向分布筋进行加强。

（3）罕遇地震作用下动力弹塑性分析

计算结构在罕遇地震作用下的动力响应，研究结构在强烈地震作用下的变形形态、构件的塑性及损伤情况，以及整体结构的弹塑性行为。

按照规范要求从太平洋工程地震研究中心（PEER）的地震波库中选取5组天然波及YJK软件生成的2组人工波，并按最大基底剪力的原则选出反应最大的2组天然波和1组人工波进行大震弹塑性计算。

本工程选用天然波 1（Iwate＿Japan＿NO5619）和天然波 2（Chuetsu-oki＿Japan＿NO4855）及人工波 1，采用PKPM-SAUSAGE软件进行罕遇地震作用下的弹塑性时程分析，峰值加速度取规范值144 cm／s2。各组地震波均按地震主方向为X向和Y向分别进行加载，主方向与次方向的加速度峰值比值为1∶0.85。

结构在3条地震波作用下的弹塑性分析整体计算结果见表3～表5。

表3 YJK模型与SAUSAGE模型周期与质量对比

可见两软件计算结果中周期比较接近，就总质量而言，YJK模型不包括钢筋质量，而SAUSAGE模型包括，故SAUSAGE模型总质量大于YJK模型。

表4 各组地震波作用下结构最大顶点位移及最大层间位移角

为判断模型的合理性，列出YJK模型与SAUSAGE模型周期与质量对比，见表3。

由表4可知，各条波X向及Y向层间位移角均满足规范1／100的弹塑性层间位移角限值要求。

表5 结构大震弹塑性与弹性最大基底剪力

由表5可知，罕遇地震作用下的结构基底剪力与小震CQC的比值约为5.48～6.59，说明6度区框剪结构有良好的抗震性能，结构部分进入弹塑性阶段。

由剪力墙和框架在大震下的损伤性能指标可以看出，剪力墙的中重度损伤主要集中在连梁位置。少部分墙肢出现轻度损伤，主要分布于结构中部的水平墙肢上。框架大部分构件出现轻微、轻度损伤，中部部分框架梁出现中度损伤。总而言之，结构损伤主要集中在连梁和框架上，说明连梁和框架起到耗能作用[11－12]。

在考虑重力二阶效应及大变形条件下，结构在地震作用下的X、Y向最大顶点位移分别为606.4 mm、626.2 mm，满足“大震不倒”的设防要求；主体结构在各组地震波作用下X、Y向最大弹塑性层间位移角分别为 1／183、1／180，满足规范弹塑性层间位移角限值（1／100）要求。剪力墙损伤主要集中在底部加强区墙肢处，可采取提高边缘构件纵筋、箍筋及墙身分布筋配筋率的措施进行加强，以提高其抗变形能力和抗震性能。通过大震弹塑性分析及采取的相应措施，认为结构能满足大震抗震性能要求。

8 结论

本建筑在设防烈度6度区，抗震不利地段，为B级高度且存在三项不规则的框架剪力墙结构。通过采取合理的结构布置、采用多力学模型对比分析、考虑适量的地震力放大系数等方式，严格执行相关规范要求，可以保证结构的弹性分析满足规范要求。通过对关键构件采取必要的加强措施，并经软件计算分析，可以满足结构在设防地震和罕遇地震下性能设计目标D级的要求。