（南京长江都市建筑设计股份有限公司，江苏南京210002）
摘要：本工程平面和竖向较为规则，结构仅存在少量不规则项，结构设计作了相应的分析和设计，确保结构具有很好的承载能力和延性，满足我国抗震规范设防目标：小震不坏，中震可修，大震不倒。
关键词：超高层建筑；抗震分析；专项审查
前言
南京2007G39地块项目建设单位是恒盛江旭（南京）房地产开发有限公司，项目位于南京市秦淮河南侧、郑和南路西侧，定淮门大街北测，夹江东侧，是集高级住宅、大型配套商业于一体的综合开发项目。
项目用地面积：113963m2；城市道路及现有规划将地块分割为C和D。地上总建筑面积：398850㎡。地下建筑面积：148927m2，此次设计范围为C地块，用地面积：77500.1m2，地上建筑面积：271250m2，地下建筑面积：100000m2。C地块由3栋47～56层超高层住宅、2栋14～32层高层住宅、1栋5层商业综合体、2栋2层小型商业用房以及地下车库组成。
南京市抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g，地震分组为第一组。
场地20m以浅土层的等效剪切波速Vse==108.4～125.6m/s。场地覆盖层厚度为58.90～70.00m，经判别属Ⅲ类建筑场地。根据《建筑抗震设计规范（GB50011-2010）表5.1.4-2规定，设计特征周期值为0.45S。
拟建场地浅部土层均为粘性土，无液化土层分布。
本工程4#、5#、9#楼建筑结构为超限高层，本文仅为4#C区楼超限高层结构进行抗震设计专项论证，4#楼上部共分为三个区，分别为4A、4B、4C。建筑总高度分别为161.45m、167.45m、173.45m（包括室内外高差），室内外高差0.15m，屋顶大屋面的结构高度分别为156.45m、162.45m、168.45m（包括室内外高差）。结构总高度以屋顶大屋面标高作为本楼的结构控制高度。
4#楼地下二层，地上：4A区52层、4B区54层、4C区56层，具体为：4A区（3层商业网点+3层避难层+46层住宅）、4B区（3层商业网点+3层避难层+48层住宅）、4C区（3层商业网点+3层避难层+50层住宅）。
1结构超限情况和性能化抗震设计
本工程结构平面及竖向规则，平面无大开洞及凹凸变化，沿竖向无结构转换及大的刚度突变，竖向抗侧力构件上下连续贯通，刚度和承载力分布均匀。房屋的高度为173.45m超过B级高层的限制；其次是扭转不规则，考虑偶然偏心的扭转位移比为1.27，大于1.2。针对于高度超限及扭转不规则的情况，制定了结构的抗震性能目标：
（1）在多遇地震作用下，各构件均保持弹性工作状态。
（2）在设防地震作用下，对底部加强区的剪力墙，正截面承载力不屈服，斜截面受剪
承载力弹性，对非底部加强区的剪力墙，正截面承载力不屈服，斜截面受剪承载力不屈
服，连梁截面受弯允许屈服，但抗剪不屈服。
（3）在罕遇地震作用下，结构的竖向构件不允许斜截面剪切破坏，满足截面抗剪的控
制条件，允许局部正截面屈服，连梁（耗能构件）允许出现塑性铰，承托楼面梁的连梁不
发生剪切破坏。
2结构设计分析计算
2.1小震作用下的弹性分析
本工程采用中国建筑科学研究院编制的《多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件SATWE》（2010版）进行计算分析。同时，本工程为B级、超B级高度建筑，根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）第3.6.6-3款，补充采用北京迈达斯技术有限公司开发MIDAS（2012版）程序进行对比分析计算。
根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）第5.1.2条要求，采用SATWE软件进行多遇地震下动力弹性时程分析计算，楼层地震剪力取时程计算所得与振型分解反应谱法计算结果的包络值进行结构设计。
SATWE计算的第一平动周期X方向为3.46009s，第二平动周期Y方向为3.0676s，第三扭转周期为1.3535s；MIDAS计算的第一平动周期X方向为3.5301s，第二平动周期Y方向为3.0531s，第三扭转周期为1.2684s；SATWE计算的X向地震作用Max-D/h为1/1572，Ratio-D/h为1.13，MIDAS计算的X向地震作用Max-D/h为1/1588，Ratio-D/h为1.16；SATWE计算的X向风作用Max-D/h为1/2706，Ratio-D/h为1.06，MIDAS计算的X向风作用Max-D/h为1/2661；SATWE计算的Y向地震作用Max-D/h为1/1292，Ratio-D/h为1.12，MIDAS计算的Y向地震作用Max-D/h为1/1249，Ratio-D/h为1.18；SATWE计算的Y向风作用Max-D/h为1/1427，Ratio-D/h为1.11，MIDAS计算的X向风作用Max-D/h为1/1392； 由以上计算结果得出，由SATWE及PMSAP分析的指标基本接近，结构刚度适宜，计算结果满足规范要求。
2.2弹性时程分析
本工程每楼选取7组地震波，包括5组天然波和2组人工波，采用特征周期为0.45的波形，适用于3类建筑场地。每条波的时间间隔为0.02秒，持续时间为37～82秒。按抗规要求7组地震波的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线，对应于结构第一、第二、第三振型周期点上相差均不大于20%，满足在统计意义上“相符”的要求。
计算结果表明，每条时程曲线计算所得结构底部剪力均大于振型分解反应谱法计算结果的65%，且不大于反应谱法的135%；多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值均大于振型分解反应谱法结果的80%，且不大于反应谱法的135%。
通过上述图表可以看出，结构部分楼层时程分析结果略大于反应谱分析结果。施工图设计中，按包络值取用。经验算，将相应楼层剪力按比值放大后，结构各项指标均可满足规范要求。
2.3结构在设防地震作用下设计计算分析
中震计算分为中震弹性设计和中震不屈服设计，两种方法均按基本烈度地震作用进行结构抗震设计。在中震弹性设计时，构件处于弹性状态；在中震不屈服设计时，大部分构件处于弹性状态但已经达到弹性状态的极限，即将进入屈服阶段，中震不屈服设计是中震弹性设计的承载能力极限状态。超限高层要求对底部加强区的剪力墙进行抗剪承载力中震弹性及抗弯承载力中震不屈服的计算。
以下介绍两种中震计算方法在SATWE程序中的实现：
2.3.1中震弹性设计在SATWE程序中的实现
（1）勾选“中震弹性设计”选项。
（2）地震影响系数最大值amax按中震取值。
（3）抗震等级调整为四级，即不考虑地震组合内力调整系数（即强柱弱梁、强剪弱弯调整系数）。
（4）材料强度取设计值。
（5）其余设计参数的设置同小震。
（6）不计算风荷载。
2.3.2中震不屈服设计在SATWE程序中的实现
（1）勾选“中震不屈服设计”选项。
（2）调整地震影响系数最大值amax按中震取值。
（3）抗震等级调整为四级，即不考虑地震组合内力调整系数（即强柱弱梁、强剪弱弯调整系数）。
（4）荷载作用分项系数取1.0（组合值系数不变）。
（5）材料强度取标准值。
（6）抗震承载力调整系数γre取1.0。
（7）不计算风荷载。
4#楼各单体中震不屈服设计时大部分墙肢抗弯钢筋为构造配置，局部配筋结果略大于小震下配筋值。施工图设计中，将按包络值取用。中震不屈服设计时，4#楼各单体在四周外围墙底层均出现拉应力，墙体出现拉应力的最高层号较高，位置均在平面突出部位，所对应的拉应力值都很小。这是由于该处竖向荷载较小，并且是平面的突出部位造成的，并不代表全楼的受拉特性。针对墙体受拉问题，设计中采用的措施为：在拉应力较大的墙肢端部边缘构件中加配型钢暗柱，并适当提高底部加强区周边剪力墙墙身竖向分布筋配筋率。
2.4结构在罕遇地震作用下设计计算分析
2.4.1受剪截面限制条件验算（大震不屈服）
根据《高层建筑混凝土结构技术规程》规范3.11.3条文解释，剪力墙及竖向构件受剪截面应满足截面限制条件，竖向构件的剪力值根据大震下等效弹性方法计算结果取值并验算截面抗剪限制条件一般偏于安全，所得地震作用结果可用于对弹塑性分析辅助判别，具体以弹塑性深入分析为准。
为避免剪力墙在地震作用下发生剪切破坏，需控制剪力墙的名义剪力值，即剪力墙的剪压比。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3－2010）第7.2.7条，大震不屈服设计时剪力墙的受剪截面应符合下列要求：
2.4.2静力弹塑性分析（Pushover分析）
Pushover分析是一种简化的非线性地震反应分析方法。侧向荷载的分布特征既要反映出结构在实际地震运动下惯性力分布形式，又要能够大体反映出结构在地震力作用下的位移特征，没有单一的荷载分布形式能够完全反映结构全过程的变形及内力情况，同时，由于结构在罕遇地震作用下一般均会进入弹塑性状态，因而结构的抗侧刚度以及惯性力的大小和分布形式也会随之改变。常用的侧向荷载分布形式有倒三角荷载、均布矩形荷载以及CQC分布荷载。经计算比对，本工程采用较不利的CQC分布荷载方式，在四个主要方向（0度、90度、180度和270度）上对各单体进行推覆，得到大震性能点指标，罕遇地震下，连梁首先出现损伤，结构中跨高比较大的连梁出现弯曲塑性铰，跨高比较小的连梁出现剪切损伤，并逐渐向与连梁相连的墙肢延伸。连梁的剪切损伤首先出现在结构的底部楼层，然后是中部楼层，并逐渐向全楼高度扩展延伸。随着地震的进行，结构个别部位剪力墙墙肢发生局部剪切损伤。
Pushover分析结论如下：
（1）能力谱曲线较为平滑，位移与基底剪力基本呈线性递增，未显示明显的薄弱层特征；曲线在设定位移范围内未出现下降段，表明在抗倒塌能力上有较大余地。
（2）在各工况下能力谱曲线均能与需求谱相交得到性能点，在罕遇地震作用下的弹塑性变形能满足1/120的规范要求。
（3）小震下结构基本处于弹性，中震下部分连梁出现塑性铰，大震下部分墙拉裂，塑性铰都出现在梁上，满足预期性能目标，符合结构概念设计的要求。
2.4.3罕遇地震下的结构动力弹塑性分析（MIDAS）
根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）3.11.4条规定，高度在150m～200m之间高层建筑可视结构自振特性和不规则程度选择静力弹塑性或弹塑性时程分析方法。采用的有限元分析软件为Midas Building（2012R4）。分析时，剪力墙及开洞形成的连梁采用纤维模型，普通梁采用塑性铰模型。计算罕遇地震时输入地震加速度最大值调整至规范要求值220cm/s2。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）第3.11.4条要求，动力弹塑性分析采用双向地震输入，地震波强度比主次方向按1：0.85确定。选用三组（两组天然波和一组人工波）地震波用于动力弹塑性时程分析，建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）5.1.2-3规定，采用时程分析法时：
（1）多组时程曲线的平均地震影响系数曲线应与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符。
（2）每条时程曲线计算所得结构底部剪力不应小于振型分解反应谱法计算结果的65%,多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法计算结果的80%。图5为结构最大层间位移角曲线。层间位移角变化比较均匀，结构在罕遇地震下不存现在明显的薄弱部位，两个方向最大弹塑性层间位移角均小于规范限值1/120，满足结构“大震不倒”的性能目标。
2.4.4结论
（1）结构在大震的最大弹塑性位移角为1/208，小于规范1/120的弹塑性位移角限值，满足“大震不倒”的性能目标
（2）结构在大震下的弹塑性层间位移角曲线及层剪力曲线较为均匀，结构未出现薄弱部位。
（3）大震下，结构中的框架梁及跨高比较大的连梁产生较多弯曲塑性铰，其他跨高比较小的连梁出现了剪切损伤。
大震下结构底部剪力墙压应力水平较高，但并未发生屈服，结构第19～23层角部的个别剪力墙的压应力及剪应力水平稍高。施工图阶段将通过加大墙体配筋率及在底部外围剪力墙边缘构件中设置型钢的措施加以改善。
（4）结构的能量耗散主要依靠框架梁及跨高比较大的部分连梁的弯曲屈服，结构中跨高比较小的连梁的延性较差，大震下产生了剪切损伤在施工图阶段对连梁纵筋将采用较低强度钢筋，更利于塑性铰的形成。并通过加大配筋率、设置对角斜筋或者对角暗撑的措施提高连梁延性，改善其耗能能力。
3结语
通过该工程的结构计算、分析，对照国家有关规范、规程，采用剪力墙结构能满足规范规定的相关要求。对关键部位结构采取了一定的加强措施后，认为该结构方案抗震设计是安全可行的。
施工图过程中，将进一步细化设计，力求在确保结构安全的前提下，节省土建造价，创造更好的经济效益。
参考文献：
[1]闫旭梅．高层建筑抗震设计分析[J]．科技传播，2010（08）
[2]侯巧玲，付刚．高层建筑结构分析与设计方法研究[J]．价值工程，2010（21）
论文作者:华新钰
论文发表刊物:《建筑建材装饰》2015年9月下
论文发表时间:2016/9/6
标签：结构论文; 塑性论文; 截面论文; 荷载论文; 剪力论文; 弹性论文; 系数论文; 《建筑建材装饰》2015年9月下论文;