华东建筑设计研究院有限公司 200002
摘要：随着我国建筑行业的发展不断向好，高层建筑概念也更加深入，在超限高层建筑的建设中，消防与抗震都是主要的建设要求。为了能够更好的了解超限高层建筑，提高超限高层建筑结构的抗震性能，本文从超限高层建筑结构入手，对其抗震性能进行分析，并提出基于抗震性能的超限高层建筑结构设计措施，实现“大震不倒”的抗震设目标
关键词：超限高层建筑结构；抗震性能；防屈曲耗能支撑；弹塑性动力时程分析
超限高层建筑指的是超过规范要求限制的高层建筑，在这种超限高层建筑中，整体建筑结构的合理性影响着建筑物的整体质量，包括建筑物安全性、稳定性、抗震性能等。抗震性能是超限高层建筑设计中保障建筑物稳定性的一大要素，超限高层建筑的抗震性能较差可能引起建筑物坍塌问题，从而威胁人们财产与生命安全。
一、超限高层建筑结构分析
超限高层建筑结构不仅是在高度上与普通建筑物有区别，在整体结构体系，超限判断方式、弹性时程、抗震能力上都应该有效融合，形成具有较强抗震能力与稳定性的建筑结构。以下对上海市天山路养老院新建建筑为例进行分析。
图1主楼剖面图
1.1结构体系概述
本工程地上9层（局部8层），地下2层；主要功能是作为养老院，建筑结构的抗震性能要求高，抗震设防分类属于重点设防类。根据上海市装配式建筑的设计要求，所有新建项目均要采用装配式建筑结构。由于钢结构在抗震性能好、施工速度快、适应建筑功能变化强、装配化率高等优势，综合业主、建筑等各方需求，本项目的结构类型采用钢结构-钢支撑结构体系，整个结构体系兼顾效率、安全、经济以及施工便利性等多方面因素。
本工程地下室顶板作为上部结构的嵌固端，地下室采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构，地下室在地上钢柱对应处采用型钢混凝土柱。主楼范围和纯地下室有高差，控制高差不大于1.2m，在高差部位采取错层梁加腋等措施。
本工程的平面整体呈现L型，在2层有大开洞和局部楼板缺失，在3层有局部框支梁托柱转换；判断具有多项平面和竖向不规则。
1.2主楼抗侧力体系
采用钢框架-中心支撑结构体系，通过控制结构的高宽比以及选择合适的柱墙截面，充分发挥框架结构和中心支撑两种结构体系的优点，形成合适的抗侧力结构体系。
1.2.1中心支撑
中心支撑采用采用防屈曲约束支撑结构，该支撑具有良好的耗能作用，尤其是本工程具有竖向和平面的多项不规则，耗能支撑能有效减少转换构件和其它竖向构件的地震作用。
1.2.2钢框架
钢框架由箱形钢柱和H形钢梁组成。地下2层到地下室顶板设置了型钢混凝土柱，减小了柱截面，提高了构件的承载力和延性，上部支撑部位在地下室范围内设置混凝土剪力墙。钢框架和中心支撑的铰接连接，形成了二道抗震设防的结构体系。
1.3地下室顶板作为崁固端条件：
1.3.1地下室顶板无大洞口，现采用现浇梁板楼盖结构；现浇楼板厚度为180mm和250mm，混凝土强度等级为C35；施工图设计采用双层双向配筋，且每层每个方向的配筋率不小于0.25%。
1.3.2结构地上一层的剪切刚度不大于相关范围地下一层剪切刚度的0.5倍，地下室周边有与地下室顶板相连接的抗震墙。嵌固端的刚度比计算结果如下：
刚度比Ratx =0.0111，Raty = 0.0289小于0.50，嵌固满足规范要求。
1.4超限类别判断
本工程大屋面的结构高度为38.28m，结构类型为钢结构框架-中心支撑体系，属于房屋高度不超限，二层有大开洞和局部楼板缺失，在三层有局部框支钢梁托柱转换。在整体结构体系中，三层转换构件中钢框梁和钢柱的抗震等级为二级，其中转换柱：地下一层至三层为二级，其余为三级，长宽比为1.75，高宽比为1.08。根据国家《建筑抗震设计规范》（2016年版）（GB50011-2010）和上海市《建筑抗震设计规程》（DGJ08-9-2013）相关条文要求，本工程属于重点设防类，同时又是属于特别不规则的建筑，需要进行抗震性能化设计。
表一：一般不规则高层建筑的简要涵义
本工程通过YJK和Midas Building两个程序的对比分析，在小震及风荷载作用下，结构总体性能是满足规范及相关设计要求的，总体结构的竖向刚度、扭转周期，剪重比，刚重比计算指标能控制在合理范围。
1.5弹性时程分析
本工程属于特别不规则建筑，需采用弹性时程分析进行多遇地震下的补充计算。
1.5.1 选波的合理性
小震七组时程波平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所用的地震波影响系数曲线在结构主要振型的周期点上相差不超过20%，满足《建筑抗震设计规范》GB50011-2010条文5.1.2及其说明“统计意义上相符”的要求。
弹性时程分析与反应谱法基底地震剪力满足《建筑抗震设计规范》GB50011-2010条文5.1.2：时程波计算结果在结构主方向的平均底部剪力一般不应小于振型分解反应谱法计算结果的80%，每条地震波输入的计算结果不应小于65%，及每条地震波输入计算不大于135%，平均不大于120%的要求。
1.5.2 楼层剪力与楼层倾覆弯矩的比较
因取七组波，按《建筑抗震设计规范》GB50011-2010条文5.1.2及其说明，计算结果可取时程法的平均值和振型分解反应谱法的较大值，鉴于顶部楼层剪力与倾覆弯矩弹性时程平均值大于CQC对应楼层剪力，故构件设计时，取两者包络结果。
1.5.3 最大层间位移角及最大楼层位移比较
两个方向CQC最大层间位移角及最大楼层位移曲线基本可包络弹性时程分析，故最大层间位移角及最大楼层位移指标可按CQC取值。
图1 转换梁柱编号图
2.2转换柱
转换柱的编号见图3。要求中震作用下转换柱满足弹性状态，根据表三转换柱的内力均满足要求。
表三：转换柱内力分析
3.3损伤分析
本工程大震弹塑性分析选用了两组天然地震波和一组人工波，对结构在各组波作用下的弹塑性分析整体计算结果取包络。构件的损坏主要以混凝土的受压损伤因子及钢材（钢筋）的塑性应变程度作为评定标准。表14.3.1列举了《高规》3.8.2破损程度，对应本工程弹塑性动力时程分析破损等级。
表六 本工程破损等级与高规损坏程度对应表
图 4 3F屈曲约束支撑的滞回曲线
结构动力弹塑性时程分析结果达到以下要求：
1）根据大震弹塑性时程分析结果，整体结构的层间位移角满足规范要求，能实现大震不倒；
2）根据大震弹塑性时程分析结果，屈曲约束支撑从开始到最后所占耗能比例最高，其次是框架梁、框架柱。说明结构的屈服机制合理，满足抗震性能目标的要求；
3）根据大震弹塑性时程分析结果，转换框架柱和转换框架梁，在罕遇地震作用下基本保持完好，能实现大震不屈服的性能目标。
4）根据大震弹塑性时程分析结果，一般框架柱，有部分进入屈服状态，极少数有破坏，后续对有破坏可能的柱进行加强，无大面积贯通的柱进入破坏状态。
5）根据大震弹塑性时程分析结果，大部分防屈曲约束支撑进入屈服状态，形成良好的耗能机制，所有支撑在承载力极限状态以内，无极限破坏现象。
6）根据大震弹塑性时程分析结果，有较多框架梁进入屈服状态，整体形成部分塑性铰，起到耗能作用。
本结构抗震整体性能良好，关键构件能实现大震作用不屈服，耗能构件形成良好的耗能作用。结构在罕遇地震作用下的震后性能状况达到第4水准的抗震性能目标，满足所设定的抗震性能要求。
三、基于抗震性能的超限高层建筑结构设计
超限高层建筑结构设计中，抗震性能可以从多个要素中获得，但需要在能够适应超限高层建筑结构的模式下进行抗震设计。
建筑结构规范性设计，以设计标准与设计规范为设计原则，提高超限高层建筑结构设计的科学性。
（1） 加强加层间位移的设计控制，超限高层建筑结构设计中，抗震性能的提高还需要从层间位移设计入手，严格控制层间位移。
（2） 加强抗震措施结构设计，超限高层建筑结构的设计中为了能够提高建筑物抗震性能，抗震结构设计应从多个角度入手，从而提高建筑物抗震性能。
（3） 减震与消震设计。在整体结构设计中，需要通过一些减震设计或消震设计提高超限高层建筑的整体抗震性能，需要重视延性结构的设计与优化。
（4） 结束语
（5） 随着房地产建筑业的不断发展，超限高层结构的抗震性能设计越来越受重视。在建筑物结构设计稳定性与抗震性能上需要合理规划与设计，提高超限高层建筑结构的抗震质量，保障建筑结构稳定性。
参考文献
[1]陈涛.某超限高层框架—核心筒结构设计中若干问题研究[D].厦门大学，2014.
[2]游冰.弹塑性分析在超限高层混合结构抗震性能设计中的应用[D].西安建筑科技大学，2013.
论文作者:孙礼奎
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年8期
论文发表时间:2019/8/1
标签：结构论文; 性能论文; 塑性论文; 建筑结构论文; 高层建筑论文; 位移论文; 地下室论文; 《建筑学研究前沿》2019年8期论文;