吕国钊
（上海正轶建筑设计有限公司，上海，200433）
【摘 要】本文结合工程实例，介绍了在超限高层设计中应注意的要点，对比了YJK及ETABS动力分析方面的对比差异，着重研究高位转换侧向刚度比及框支框架倾覆弯矩比，针对转换梁及转换梁上层墙体及转换层楼板等薄弱部位进行分析，并对超限高层性能化设计进行研究。
【关键词】超限高层；高位框支转换剪力墙；薄弱部位应力分析；性能化设计；
1．工程概况
绿地象山南路A地块位于南昌市象山南路，由1栋超高层办公、1栋购物MALL、1栋超高层住宅、4栋高层办公、数栋多层商业、两层大底盘地下汽车库组成。住宅A2-5#楼，周边设抗震缝和裙房脱开，中间设抗震缝分成左右2个单元，本文论证的为左单元，主屋面高度135.450米，避难层分别位于15、29层，1~3层层高分别为4.5m、4.2m、4.2m，4、5层层高分别为5.1m、3.3m，5层转换层考虑设备走管降板300mm，标准层层高均为3.0米。采用部分框支剪力墙结构体系，在5层楼面进行转换。
结论：小震安评反应谱的数值大于规范反应谱的数值。小震作用时，地震作用计算采用安评参数；中震及大震作用时，地震作用计算均采用规范参数。
2.2 构架层风荷载体型系数计算：参照《建筑结构荷载规范》 GB 50009-2012表8.3.1，如下图：
故风荷载体形系数：屋面以下1.4，构架层为1.8
3．结构基本布置
框支柱截面为1200mmx1200mm~1400 mmx1400mm,落地剪力墙墙厚为400mm~ 600mm，电梯之间局部墙厚200mm，5F以上剪力墙墙厚200~300mm。框支梁截面为1200mmx2100mm~1400mmx2100mm；标准层周边连梁梁高550mm/1200mm，其他典型梁高400m。 5F转换层板厚180mm，4F及6F层板厚加厚为150mm，标准层典型板厚为100mm，大洞口周边的楼板进行适当加强。
图3.2 标准层结构布置图
4．超限情况总结
1）结构高度超过A级高度钢筋混凝土建筑的最大适用高度，属于B级高度；
2）偶然偏心规定水平力下楼层的最大弹性水平位移大于该楼层两端弹性水平位移平均值的1.2倍，属平面不规则的类型；
3）结构的5层楼面为转换层，上下层墙、柱不连续，为构件间断；
4）3层侧向刚度与4层侧向刚度比比小于0.9，刚度突变，属于竖向不规则的类型；
5．结构分析主要指标
5.1 结构动力特性：
图5.3.1 YJK 图5.3.2 ETABS
结果分析：扭转周期比、有效质量系数、层间位移角及位移比均满足规范要求，剪重比在部分楼层不满足规范要求，需进行地震力调整。
5.4 弹性时程补充分析
为了验证反应谱法的可靠性,选择七条地震波（5条天然波、2条人工波），进行小震下的时程分析，与反应谱法的结果进行对比。地震波主分量峰值加速度Amax取安评结果18.8cm/s2。多组时程波的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法相比，在对应于结构主要振型的周期点上相差不大于20%。在结构主方向的平均底部剪力不小于振型分解反应谱法计算结果的80%、不大于120%，每条时程曲线的结果不小于65%、不大于135%。
图5.4.1 弹性时程分析结果层间位移角
通过对七条地震波楼层位移曲线和层间位移曲线图形分析，楼层位移变化平缓，表明结构竖向刚度相对平均；七条地震波的分析结果和振型分解反应谱法分析结果的趋势一致，没有明显薄弱层出现。部分楼层剪力分布与CQC法相比略有差异，特别是顶部平均反应大于CQC分析结果，综合剪重比分析结果，需将地震力进行放大。
6．侧向刚度比及倾覆弯矩比研究
6.1 转换层侧向刚度比分析
根据高规附录E.0.3条（剪弯刚度算法）计算楼层刚度，转换层所在层号=4：
结论：按高规E.0.3计算的转换层下部结构与上部结构的等效侧向刚度比均大于0.8，按高规附录E.0.2条计算刚度比均大于0.6，满足规范要求。
6.2相邻楼层侧向刚度比分析
按照《高规》3.5.2条要求，楼层与上部相邻楼层侧向刚度比γ2不应小于0.9；当本层层高大于相邻楼层层高1.5倍时，该比值不宜小于1.1；对结构底部嵌固层，其上层与嵌固层的侧向刚度比值不应小于1.5。
图6.2.3 X受剪承载力图6.2.4 Y受剪承载力
结论：x方向在3层刚度变化不满足《高规》3.5.2条要求，为软弱层，地震剪力放大1.25倍；x和y方向结构各楼层受剪承载力均大于上一层受剪承载力的80%，满足《高规》3.5.3条要求，结构受剪承载力无突变,无薄弱层。
7．关键部位分析
7.1转换梁及转换梁上层墙体应力分析
图7.2.1 转换层楼板拉应力分析
结论：转换层楼板大部分面内主拉应力均小于0.38MPa，在局部出现较大面内主拉应力为1.57MPa，本层板混凝土强度等级为C45，抗拉强度设计值为1.80MPa，故多遇地震作用下楼板的最大拉应力小于混凝土的抗拉强度设计值，楼板处于弹性状态。小震、中震的水平地震影响系数最大值分别为0.037、0.12，对中震下楼板平面内主拉应力最大值可近似通过小震下计算所得应力乘以3.243求得。计算所得中震下的最大主应力约为1.23MPa，小于混凝土的抗拉强度设计值，楼板处于弹性状态。局部不满足的楼板采取增加板厚及增强配筋的方法。
8．性能目标研究
本工程存在多处超限情况，为保证设计安全经济，除按照规范规定的要求及目标进行计算和设计，亦提出了基于性能的抗震设计要求。对关键部位的关键构件提出中震下的设计指标进行验算。
关键构件（转换梁、转换柱、剪力墙底部加强区）：小震弹性；中震抗剪弹性、抗弯不屈服；大震抗剪截面不屈服。
9．罕遇地震下静力弹塑性分析
本工程进行了罕遇地震作用下的结构弹塑性变形验算。分析方法采用静力弹塑性推覆分析法。计算程序采用中国建研院PKPM-PUSH&EPDA 模块。
9.1 静力弹塑性分析软件及模型假定
1）结构静力弹塑性分析的目的:
计算薄弱层位移反应和变形能力，判断结构在大震作用下是否满足规范规定的层间位移角限值；判断结构的薄弱层和薄弱构件所在位置，对重要的构件进行加强，以实现“大震不倒”的设计思想。
2)结构材料模型及假设:
程序计算中混凝土受压应力应变全曲线上升段采用Saenz 曲线，下降段用直线表示。在应变0~εc 范围内，应力应变的关系是非线性的，混凝土的弹性模量随应变、应力的增大而减小，程序忽略了混凝土的抗拉能力；钢筋的应力应变曲线采用双折线模拟。
9.2 推覆分析步骤
1）施加竖向静力荷载，结构的计算内力作为侧推分析的初始应力。2）给定侧推荷载形式，采用弧长控制增量法进行非线性静力推覆分析。3）使用程序提供的需求谱与能力谱关系确定对应的罕遇地震下的结构反应特性和弹塑性发展情况。
9.3 推覆结果
图9.3.2 Y向推覆结果
10．针对超限情况采取的主要加强措施
1）采用抗震性能化设计，框支柱及落地剪力墙按受剪中震弹性、受弯中震不屈服设计，框支梁按受剪中震弹性、受弯中震不屈服设计；2）严格控制落地墙及转换柱的轴压比以确保其延性。落地剪力墙轴压比控制限值为0.5,框支柱轴压比控制限值为0.5；3）复核风荷载及中震不屈服下墙肢拉均未出现拉应力；4）根据剪重比的要求及弹性时程计算结果，采用振型分解反应谱法进行多遇地震的弹性计算时，将楼层地震剪力进行调整；5）根据规范每层框支柱的剪力调整为结构基底剪力的30%；6）转换层楼板加厚至180mm，转换层上下层楼板加厚至150mm，并采用双层双向配筋，且每层每方向配筋率不小于0.25%；7）对大洞口周边的楼板进行加强，连廊及电梯前室板厚加厚为140mm，大洞口下侧房间楼板加厚为120mm，并采用双层双向配筋，且每层每方向配筋率不小于0.25%。
11．结论
本工程属于平面和竖向不规则的超限高层建筑，整体结构采用YJK 和 ETABS 两种计算软件进行分析计算，比较分析了各楼层层间位移、剪重比、有效质量参与系数、竖向刚度变化等电算结果。经过合理地布置结构及详细的分析计算，遵循整体结构小震不坏、中震可修、大震不倒、关键构件中震不坏和大震可修的抗震设计思想，对关键构件和薄弱环节提出适当的性能化设计目标，进行了重点加强，使得本工程结构抗震设计安全可行。
参考文献
[1]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.
[2]GB 50011-2010.建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.
论文作者:吕国钊
论文发表刊物:《工程建设标准化》2016年4月总第209期
论文发表时间:2016/6/13
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