曲曉東

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600）

0 引言

目前，超限高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)已經(jīng)成為建筑行業(yè)需要重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。尤其是對(duì)于超限高層建筑工程結(jié)構(gòu)，其抗震設(shè)計(jì)更是受到了研究者與相關(guān)工作人員的廣泛關(guān)注。姜晶[1]在對(duì)高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方面的研究中提出，抗震設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目所在區(qū)域的實(shí)際地質(zhì)情況及其建設(shè)應(yīng)用需求來(lái)實(shí)施。孫蘭蘭等[2]在對(duì)高層住宅建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行研究時(shí)，充分體現(xiàn)了地震波時(shí)程分析法在此項(xiàng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，并對(duì)其應(yīng)用策略進(jìn)行了深入分析。肖從真等[3]在研究高層建筑混凝土建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)時(shí)，也提出了抗震設(shè)計(jì)需要結(jié)合現(xiàn)代化建模計(jì)算法的觀點(diǎn)。這些研究對(duì)于超限高層建筑工程結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)而言都具有非常深遠(yuǎn)的參考意義。

1 項(xiàng)目概況

某房屋建筑工程項(xiàng)目中的5#塔樓是一個(gè)超限高層建筑，其主要屋面高度是60.9m，架構(gòu)層高66.3m，一層高度6.9m，標(biāo)準(zhǔn)層高度是4.5m，地上建筑總面積是21 600m2，地下建筑總面積是8 000m2。該塔樓和其他單體共用一個(gè)三層大底盤地下室，將地下室中的頂板用作嵌固端，其埋深在15.4m左右，地下室結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆筑鋼筋混凝土框架建立墻。根據(jù)該建筑工程所在地的實(shí)際情況，該建筑的地上部分屬于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類結(jié)構(gòu)。具體設(shè)計(jì)中，將其結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)設(shè)計(jì)為二級(jí)，使用年限設(shè)計(jì)為50年，抗震設(shè)防烈度設(shè)計(jì)為7度，地震分組設(shè)計(jì)為第二組；其場(chǎng)地類別設(shè)計(jì)為Ⅳ類，特征周期設(shè)計(jì)為0.90s，基本風(fēng)壓設(shè)計(jì)為0.55kN/m2，在計(jì)算承載力時(shí)需要放大1.1倍。本文主要對(duì)該建筑工程結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

2 超限高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)分析

2.1 地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

在該工程的大底盤地下室中，底板面部分的主要標(biāo)高是-14.2m，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)勘查結(jié)果，對(duì)于該地塊，其抗浮設(shè)計(jì)水位需達(dá)到地坪下0.5m以上。該項(xiàng)目所在區(qū)域的北側(cè)與地鐵2號(hào)線毗鄰，其隧道盾構(gòu)邊緣與地下室外墻之間的最近距離是26.6m，項(xiàng)目北側(cè)純地下室以及該塔樓部分區(qū)域都處在地鐵保護(hù)范圍之內(nèi)。按照地質(zhì)勘查結(jié)果和該建筑工程的設(shè)計(jì)方案，該工程中的單體樁基礎(chǔ)均為鉆孔灌注樁，其基礎(chǔ)形式是樁基加承臺(tái)加底板，在地鐵保護(hù)范圍內(nèi)應(yīng)用的是厚板。經(jīng)建設(shè)與設(shè)計(jì)單位共同商討之后，決定按照現(xiàn)場(chǎng)靜荷載試驗(yàn)結(jié)果來(lái)確定單樁豎向承載力特征值。對(duì)于地下室，施工過(guò)程中應(yīng)通過(guò)合理的措施來(lái)實(shí)施降水處理。

根據(jù)本次工程毗鄰地鐵安全保護(hù)區(qū)域的實(shí)際作業(yè)技術(shù)要求，在本次工程中，決定將5#單體建筑的鉆孔灌注樁直徑設(shè)計(jì)為φ850mm，長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為67m，要求樁端需進(jìn)入到地下的⑨層粉砂層內(nèi)，單樁頂部豎向荷載應(yīng)控制在300T及以下。對(duì)于純地下室，其鉆孔灌注樁直徑設(shè)計(jì)為φ600mm，長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為36m，東北側(cè)PD-2坡道位置的樁長(zhǎng)設(shè)計(jì)為44m，將⑦2層灰黃-灰色粉砂層作為其樁端持力層。

對(duì)于5#單體建筑下的局部區(qū)域，其板厚度設(shè)計(jì)為2 800mm；對(duì)于其他區(qū)域，其板厚度設(shè)計(jì)為1 200mm。對(duì)于5#單體塔樓以及純地下范圍，按照樁尖持力層實(shí)際的壓縮模量，通過(guò)YJK基礎(chǔ)模塊來(lái)計(jì)算其基礎(chǔ)沉降。

2.2 結(jié)構(gòu)選型設(shè)計(jì)

按照本次工程設(shè)計(jì)，該項(xiàng)目中的5#塔樓地上建筑包括13層樓層加一層屋面構(gòu)架層，地下結(jié)構(gòu)為3層地下室。整體建筑的平面尺寸是423m×46.8m，整體結(jié)構(gòu)高度60.9m，包括構(gòu)架層的總高度是66.3m。該塔樓建筑結(jié)構(gòu)的上部是鋼框架體系，首層設(shè)置了鋼支撐，整體建筑都嵌固在了首層大底板地下室中的頂板結(jié)構(gòu)上。

在該塔樓建筑中，每一層都有寬度在50%以下的典型樓板，其首層高度是6.9m，其他各層高度均為4.5m，將中心支撐布設(shè)在首層，以此來(lái)增加其整體結(jié)構(gòu)剛度。在塔樓的8層樓面，需要向上結(jié)構(gòu)X以及Y方向上各收進(jìn)一跨；在10層到屋面構(gòu)架層10軸左側(cè)以及EA軸上，均設(shè)置了外伸懸挑結(jié)構(gòu)，前者外伸長(zhǎng)度是8.55m，后者外伸長(zhǎng)度是7.65m。將豎向拉桿設(shè)置到外伸懸挑段上，使其和頂部構(gòu)架層中的桁架連接到一起。表1是本次超限高層建筑結(jié)構(gòu)選型設(shè)計(jì)中的主要構(gòu)件截面參數(shù)情況。

表1 本次超限高層建筑結(jié)構(gòu)選型設(shè)計(jì)中的主要構(gòu)件截面參數(shù)情況

2.3 超限高情況與加強(qiáng)措施

結(jié)合上述的平面豎向布置特征及其相關(guān)模型的計(jì)算與分析結(jié)果，依據(jù)該項(xiàng)目所在地住建部門對(duì)于超限高層建筑抗震設(shè)防方面的審查技術(shù)要求，在本次工程項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，特對(duì)5#單體塔樓實(shí)施了超限判別。經(jīng)判別確定，該建筑工程為超限高層建筑，在具體的抗震設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要按照超限高層建筑工程的專項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)審查其抗震設(shè)防。以下是該超限高層建筑的整體規(guī)則性分析結(jié)果：（1）一般不規(guī)則項(xiàng)主要包括以下幾個(gè)：①扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，其超限判別結(jié)果是（X1.27，Y1.3）；②偏心布置，其超限判別結(jié)果是8-9層質(zhì)心差達(dá)到了24%；③局部樓板不連續(xù)，其超限判別結(jié)果是9層樓板有效寬度只有典型寬度的25%；④偏向剛度不規(guī)則，其超限判別結(jié)果是9層局部收進(jìn)尺寸是8層的28%，且每一層的懸挑都超過(guò)了4m；⑤其他不規(guī)則項(xiàng)，其超限判別結(jié)果是局部存在穿層柱。（2）特別不規(guī)則項(xiàng)是樓板的有效寬度較小，其超限判別結(jié)果是兩層屋面樓板有效寬度只有典型寬度的40%。

按照該超限高層建筑所在地的一般抗震性能設(shè)計(jì)原則，并綜合其整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的經(jīng)濟(jì)性考慮，本次抗震設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)單位決定針對(duì)指定的各個(gè)關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行抗震性能目標(biāo)設(shè)計(jì)，而并不是對(duì)整體建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能目標(biāo)進(jìn)行全面設(shè)計(jì)。綜合上述超限判別分析結(jié)果，結(jié)合該超限高層建筑的實(shí)際設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)者對(duì)其中的關(guān)鍵構(gòu)件、普通構(gòu)件以及耗能構(gòu)件做出了合理確定。（1）關(guān)鍵構(gòu)件包括以下幾項(xiàng)：①首層斜撐；②躍層柱；③8層屋面懸挑端部的吊柱；④屋面懸掛桁架。（2）普通構(gòu)件主要包括躍層柱除外的一般區(qū)域框架柱結(jié)構(gòu)。（3）耗能構(gòu)件主要包括每一個(gè)樓層中的框架梁。

對(duì)于該建筑工程項(xiàng)目5#單體塔樓中的超限高不規(guī)則項(xiàng)，本次抗震設(shè)計(jì)中，主要通過(guò)以下措施來(lái)進(jìn)行抗震性能加強(qiáng)處理：（1）在布置結(jié)構(gòu)平面時(shí)，應(yīng)盡可能使每一層中的剛鋅與其質(zhì)心保持重合，或盡可能靠近；對(duì)于具有較大位移的位置，應(yīng)增大其結(jié)構(gòu)剛度；對(duì)于具有較小剛度較大的位置，應(yīng)減小其構(gòu)件的截面尺寸；對(duì)結(jié)構(gòu)柱與支撐構(gòu)件之間的軸壓比加以嚴(yán)格控制；墻體材料應(yīng)盡量選擇低容重形式的材料，以此來(lái)降低建筑自重對(duì)其結(jié)構(gòu)抗震性能的不利影響。（2）該建筑結(jié)構(gòu)局部樓板不連貫問題是由于樓梯與井道開洞所致，因此在具體設(shè)計(jì)中，需通過(guò)與樓板平面剛度實(shí)際變化情況相符的計(jì)算模型來(lái)進(jìn)行計(jì)算。如果計(jì)算后發(fā)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)具有較大的不規(guī)則程度，則需要將局部樓板變形影響計(jì)入其中。將洞口周邊及其連接位置的樓板厚度與配筋適當(dāng)加大，并將洞口邊梁適當(dāng)增加；對(duì)于洞口角部應(yīng)力集中的位置，應(yīng)將其鋼筋設(shè)計(jì)為斜向放射狀。將鋼筋桁架組合形式的樓板應(yīng)用到整體建筑結(jié)構(gòu)中，并全面分析其在小震以及中震情況下的應(yīng)力，再依照應(yīng)力分析結(jié)果對(duì)樓板薄弱位置實(shí)施增加配筋處理。（3）收進(jìn)局部結(jié)構(gòu)的豎向體型，將豎向體型發(fā)生突變位置的上下兩層樓板做加厚處理，使其達(dá)到140mm。結(jié)合實(shí)際情況，通過(guò)合理的措施來(lái)降低結(jié)構(gòu)體型收進(jìn)位置的剛度變化，將結(jié)構(gòu)體型收進(jìn)位置的上下各兩層增加豎向構(gòu)件，使其抗震等級(jí)較原來(lái)高出一級(jí)。（4）對(duì)于局部結(jié)構(gòu)中的躍層柱，應(yīng)加強(qiáng)其頂部和底部的支撐框架梁強(qiáng)度，并加強(qiáng)其構(gòu)造措施，使其豎向傳力保持連續(xù)。通過(guò)Midas對(duì)計(jì)算出的躍層柱長(zhǎng)度進(jìn)行復(fù)核，按照中震情況下不發(fā)生屈服來(lái)進(jìn)行其強(qiáng)度控制，并使其應(yīng)力和軸壓比在小震情況下保持最小值。（5）對(duì)于懸梁區(qū)域，具體設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者需要對(duì)豎向地震作用加以充分考慮，結(jié)合實(shí)際情況，通過(guò)有效的措施來(lái)降低其結(jié)構(gòu)自重，同時(shí)應(yīng)使其結(jié)構(gòu)形式具備較高的冗余度，并按照中震情況下不發(fā)生屈服對(duì)其大懸挑柱實(shí)施強(qiáng)度控制，讓1.0恒載加0.5活載條件下的挑梁端應(yīng)力比控制在允許范圍內(nèi)。對(duì)于屋面部位的挑梁桁架，應(yīng)按照中震情況下不發(fā)生屈服來(lái)復(fù)核其構(gòu)件設(shè)計(jì)，并在不考慮樓板作用的情況下對(duì)屋面桁架應(yīng)力進(jìn)行復(fù)核，同時(shí)應(yīng)補(bǔ)充該結(jié)構(gòu)中典型單榀桁架的相關(guān)計(jì)算結(jié)果。（6）對(duì)于首層結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度不足的狀況，設(shè)計(jì)中，可將斜撐增加在其底部，以此來(lái)提升其抗側(cè)強(qiáng)度，并使其抗側(cè)強(qiáng)度達(dá)到均勻分布效果。同時(shí)應(yīng)將首層結(jié)構(gòu)的地震剪力加強(qiáng)1.25倍，并對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的抗傾覆力矩加以嚴(yán)格控制，使其始終處在一個(gè)比較小的水平。另外，設(shè)計(jì)中也需要合理確定具體的結(jié)構(gòu)安裝順序，并確保底層框架構(gòu)件在沒有支撐作用下的承載力滿足實(shí)際承載需求。（7）對(duì)于樓梯梁和主體結(jié)構(gòu)連接孔，具體設(shè)計(jì)中，應(yīng)將其設(shè)計(jì)為水平長(zhǎng)圓形式，這樣才可以使樓梯對(duì)主體結(jié)構(gòu)中水平支撐的作用得以充分釋放[4]。同時(shí)應(yīng)將樓梯周邊位置的梁截面做加強(qiáng)處理，以此來(lái)確保開洞周邊的傳力及其約束效果。（8）對(duì)于首層室內(nèi)與室外存在高差的位置，可通過(guò)豎向加腋的方式進(jìn)行高差位置梁的設(shè)計(jì)，并將高差位置的水平與豎向構(gòu)件斷面尺寸適當(dāng)增大，再通過(guò)箍筋來(lái)實(shí)施全長(zhǎng)加密處理。（9）通過(guò)MIDAS BUILDING以及YJK兩種程序?qū)Χ嘤龅卣鹎闆r下的整體建筑結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，將分層結(jié)構(gòu)計(jì)算模型加以科學(xué)利用，充分考慮扭轉(zhuǎn)以及偏心影響，對(duì)關(guān)鍵設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比。同時(shí)采用三條地震波時(shí)程分析法對(duì)包絡(luò)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行分析，并通過(guò)反應(yīng)譜法來(lái)實(shí)施包絡(luò)設(shè)計(jì)。（10）將PUSHOVER以及YJK分析模塊作為依據(jù)，對(duì)整體建筑結(jié)構(gòu)的塑性鉸發(fā)育情況進(jìn)行合理計(jì)算，從而將結(jié)構(gòu)中的薄弱部位找出，并結(jié)合實(shí)際情況，通過(guò)針對(duì)性的措施進(jìn)行加強(qiáng)處理。

3 超限高層建筑抗震性能分析

3.1 塔樓抗震計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)MIDAS BUILDING以及YJK程序計(jì)算出的各項(xiàng)參數(shù)結(jié)果對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，兩程序模式下的該超限高層建筑結(jié)構(gòu)的周期、質(zhì)量、位移角、振型、減重比、位移比及其軸壓比等的計(jì)算結(jié)果都基本相同。但是因?yàn)樵摻ㄖY(jié)構(gòu)8層以上為收進(jìn)結(jié)構(gòu)，且其雙側(cè)都加設(shè)了大懸挑，所以其結(jié)構(gòu)中部位置上下兩分段的質(zhì)心具有較大的偏心情況。在這樣的情況下，前兩階模態(tài)中便出現(xiàn)了20%左右的扭轉(zhuǎn)模態(tài)。除此之外，其他所有的設(shè)計(jì)指標(biāo)都與現(xiàn)行規(guī)范中的相關(guān)要求相符。表2為本次超限高層建筑在兩種軟件中的多遇地震情況計(jì)算結(jié)果。

表2 本次超限高層建筑在兩種軟件中的多遇地震情況計(jì)算結(jié)果

3.2 彈性時(shí)程分析

在該超限高程建筑項(xiàng)目的抗震設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者將《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50011-2010中的相關(guān)規(guī)定作為依據(jù)，通過(guò)YJK軟件中的彈性時(shí)程分析模塊，采用一條人工波以及兩條天然波進(jìn)行了該建筑結(jié)構(gòu)的時(shí)程補(bǔ)充分析。分析時(shí)，將主方向上的峰值加速度取值確定為35cm/s2。表3為該超限高層建筑結(jié)構(gòu)彈性時(shí)程分析結(jié)果。

表3 該超限高層建筑結(jié)構(gòu)彈性時(shí)程分析結(jié)果

經(jīng)進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，X向與Y向上的每一條時(shí)程曲線所形成的結(jié)構(gòu)底部剪力都比振型分解反應(yīng)譜計(jì)算出的結(jié)果大。計(jì)算多條時(shí)程曲線獲得大結(jié)構(gòu)底部平均剪力也較振型分解反應(yīng)譜計(jì)算出的結(jié)果大。說(shuō)明該建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)完全符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，可達(dá)到小震應(yīng)力最低、中震不出現(xiàn)屈服的抗震設(shè)計(jì)效果。

3.3 靜力彈塑性推覆分析

按照《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》JGJ3-2002中的相關(guān)規(guī)定，若高層建筑的高度在150m及以下，便可通過(guò)靜力彈塑性法進(jìn)行推覆分析。本次分析中，通過(guò)倒三角以及CQC彈性地震力兩種方法來(lái)進(jìn)行靜力推覆對(duì)比分析。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，兩種方法計(jì)算出的結(jié)果十分接近，且在同一種加載模式中，正向計(jì)算結(jié)果與反向計(jì)算結(jié)果也基本一致。在罕遇地震情況下，X向性能點(diǎn)層間位移角最大值在1/85左右，較標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1 850?。籝向性能點(diǎn)的層間位移角最大值為1/80，較標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1/50小，說(shuō)明其抗震設(shè)計(jì)與規(guī)范要求相符[5]。

經(jīng)進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，在倒三角X+向推覆時(shí)，X+向首批塑性鉸在第18步出現(xiàn)，其位置是中部個(gè)別橫向框架梁位置。在加載步驟的不斷增加中，塑性鉸范圍框架梁端也逐漸擴(kuò)展。大震性能點(diǎn)位置中下部樓層都出現(xiàn)了塑性鉸，框架梁端的塑性鉸更多，但是關(guān)鍵部位并沒有出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p傷情況。說(shuō)明整體結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)比較合理，可充分滿足大震不倒的標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

通過(guò)某超限高層建筑工程結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，合理的抗震設(shè)計(jì)與性能分析可有效確保超限高建筑的抗震設(shè)計(jì)效果，滿足其實(shí)際建設(shè)與應(yīng)用需求。在本次的超限高層建筑抗震設(shè)計(jì)與性能分析中，主要得出了以下結(jié)論：（1）對(duì)于超限高層建筑，應(yīng)結(jié)合其基本情況與實(shí)際需求來(lái)實(shí)施地基基礎(chǔ)與結(jié)構(gòu)選型設(shè)計(jì)。（2）根據(jù)實(shí)際的超限分析結(jié)果，采取合理的措施來(lái)加強(qiáng)其結(jié)構(gòu)抗震性能。（3）在完成了超限高層建筑的抗震設(shè)計(jì)之后，設(shè)計(jì)者還需要采取合理的技術(shù)措施來(lái)分析其抗震性能，以此來(lái)確?？拐鹪O(shè)計(jì)的合理性。