摘要：介绍了某带斜柱超限高层结构抗震设计与分析，结构采用钢筋混凝土框架—剪力墙结构体系，设计使用Satwe和Midas building两种程序进行整体结构多遇地震作用下的弹性分析，同时补充进行了多遇地震作用下的弹性时程分析、罕遇地震作用下的静力弹塑性分析及斜柱的专项分析。各项计算指标均满足规范要求。通过采用抗震性能设计方法，选用适宜的抗震性能目标，采取合适的加强措施保证了结构具有良好的抗震性能。
关键词：斜柱；框架-剪力墙；超限高层；抗震分析
1 工程概况
本工程为位于上海崇明，地上12层地下1层的办公公寓建筑。一层层高5.4米，二层层高4.8米，3-9层高度为3.75米层高的公寓；10-12层为各类管理用房，层高为3.9米。地下层设置下沉庭院及餐厅等附属用房及人防地下车库，层高为4.8米。结构高度为49.2米，总建筑面积25449平方米，其中地下建筑面积6700平方米。
2 上部结构设计
2.1 主要设计参数
结构设计使用年限50年，安全等级二级，抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度7度（0.10g），IV类场地图，特征周期0.90s，基本风压0.55kN/m2。
2.2 结构体系
上部结构采用钢筋混凝土框架剪力墙体系，其中东侧立面采用斜钢筋混凝土框架柱，部分混凝土柱内设置型钢，形成型钢混凝土柱，现浇钢筋混凝土楼面。嵌固端位于地下室顶板。此体系具有多道抗侧力防线，结构延性良好，有利于抗震。上部结构剪力墙抗震等级为二级，框架的抗震等级为三级级。结构抗侧力体系布置情况见图1，主要楼层的平面布置情况如图2所示。
图1 结构抗侧力体系 图2 标准层平面结构布置图2.3 超限情况及相关措施
本高层建筑存在多项不规则。1）扭转不规则，考虑偶然偏心的扭转位移比大于1.2；2）楼板不连续，二层有效楼板宽度为45%；3）其他不规则，斜柱。故而进行超限高层建筑抗震设防专项审查。
通过征求专家及业主的意见，并经技术和经济可行性综合分析及论证，主体结构抗震性能目标介于C与D之间，其中关键构件已达C性能目标的要求。同时采取以下针对性的加强措施进行加强：（1）建筑物南侧两榀框架为关键构件，对其进行结构抗震性能设计；（2）为保证各斜柱框架提供足够的抗侧刚度和延性，在南侧部分横向框架梁柱内增设型钢，同时将两榀斜柱框架抗震等级提高一级，至二级；（3）尽量保证斜柱刚度及稳定性，控制大斜率斜柱在小震下的轴压比不超过0.6；（4）对开洞区域楼板进行加强处理，周边区域增加楼板板厚，配筋双向双层。进行楼板应力分析，确保楼板在小震作用下处于弹性状态，在中震作用下楼板钢筋不屈服、不发生剪切破坏。
3 主要计算分析结果
3.1反应谱分析
本工程利用两种程序Satwe和Midas building按相同假定及计算参数采取振型分解反应谱法进行计算分析比较，两种软件计算的周期和振型结果基本一致，第一阶模态为X向平动，第二阶模态为Y向平动，第三阶模态为扭转振型，扭转/平动周期比<0.9，振型参与质量均大于总质量的90％，两个软件计算的层间位移角均不小于1/800，规定水平力作用下考虑偶然偏心的扭转位移比均不大于1.4，侧向刚度比及楼层受剪承载力比均满足规范要求。
3.2 弹性时程分析
本工程采用SATWE软件进行多遇地震下弹性时程分析计算，进行弹性时程分析时选取1条人工波（RH3TG040）和2条天然波（USER0647、USER0314）。峰值加速度取值为35cm/s2。分析得，在x和y方向上每条时程曲线产生的结构底部剪力均大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的结构底部剪力平均值大于振型分解反应谱法计算结果的80%，满足规范要求。
4.专项问题分析
4.1嵌固端分析
为考虑地下室顶板开洞的影响，从以下四个方面进行分析和说明。
4.1.1剪切刚度比初步判定嵌固端
结构计算建立包含地下室相关范围（塔楼外扩一跨）的结构分析模型。计算刚度比大于1.5，满足上海抗规要求。对于局部降板错层处，对应的框架柱抗震等级提高一级并作加腋处理。
4.1.2地下室顶板开洞对于嵌固端的影响
1）开洞位置及开洞面积。本工程首层楼板开洞三个较大的洞口中D1位于主楼平面范围内部；D2、D3位于南侧和东侧边界处，对嵌固有所不利，开洞面积约占地下室相关范围顶板面积的29%，小于上海市《抗规》6.1.17中要求的30%。
2）开洞的模型与取消开洞模型竖向构件在地下室顶板处的水平变形分析。使用PMSAP 结构空间分析程序，地下室回填土刚度值k采用公式：k=1000*m*H。对两个计算模型进行多遇地震下的弹性时程分析，比较两个模型的竖向构件在地下室顶板处的节点水平变形情况。通过计算比较洞口周边节点位移，两个模型位移相当接近，节点位移角均小于1/10000，上部结构的水平力能通过未开洞部分的地下室顶板有效地传递。
4.1.3总体指标的比较。两个模型的前3 阶自振周期及相关结构动力特性，非常接近，开洞影响极小。
4.1.4 顶板应力分析。对开洞模型顶板进行楼板应力分析，通过地下室顶板加厚，在小震作用下洞口周边的楼板应力均小于混凝土抗拉强度的标准值，楼板基本处于弹性状态，对局部应力较大的部位（主要集中在剪力墙边），楼板应力考虑完全由楼板内的钢筋承担，楼板内钢筋双层双向设置。
综上，在计算分析中把地下室顶板作为嵌固端考虑是可行的。
4.2 斜柱设计
由于建筑物东侧由北至南布置了两列斜率逐渐增大的斜柱，其倾斜角度从0~24度不等。较大的倾斜角度对主体结构带来不利的影响。
4.1.1斜柱框架的变形模式
由于斜柱的存在，导致结构在竖向荷载作用下即产生一定的水平位移。计算结果表明，在恒载工况下，结构变形模式呈现“弓形”分布，X向最大水平位移发生在8F约为20mm，X向地震工况下，结构变形模式为“倒三角形分布”，顶层的最大水平位移约为48mm，可见，恒载作用下结构将发生一定的水平位移，但不到小震下水平位移的50%。
4.1.2斜柱框架内力分析
由于斜柱的存在，结构在竖向荷载作用下结构的内力分布区别于一般普通结构。对一榀框架进行竖向荷载下的内力分析。斜柱在竖向荷载作用下，存在水平内力分量，底部存在与支撑框架反向变形的趋势，而上部存在与支撑框架同向变形的趋势，导致每榀框架底部两层的框架梁内产生较大的轴拉力使相应的框架梁成为拉弯构件；而其余上部的框架梁内基本为轴压力，使相应的框架梁成为压弯构件。因此在相应的框架柱及底部两层斜柱和受拉力的框架梁内设置型钢，同时增加框架柱的截面高度，形成阶梯状的型钢混凝土支撑框架和斜柱框架，以抵抗轴拉力的不利作用，增加普通支撑框架的侧向刚度和延性。
5 结语
本工程属于超限高层建筑，采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系，鉴于本工程的设防烈度、场地条件、房屋高度、不规则的部位和程度以及经济性等方面的综合考虑，本工程结构抗震设计设定了与建筑物本身相匹配的较为合理的性能目标。通过反应谱计算、弹性时程分析、大震静力推覆分析以及嵌固端分析及斜柱专项分析，结合结构超限情况采取相应的加强措施，使结构具有良好的抗震性能。
参考文献：
[1]某超限高层抗震设防专项审查报告[R]．上海：同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，2015．
[2]中华人民共和国建设部．JGJ3-2010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．
[3]黄志华，吕西林．上海市超限高层建筑工程的若干问题研究[J]．结构工程师，2007，23（5）：1-4．
论文作者:李冰
论文发表刊物:《基层建设》2019年第13期
论文发表时间:2019/7/23
标签：结构论文; 框架论文; 开洞论文; 楼板论文; 顶板论文; 位移论文; 地下室论文; 《基层建设》2019年第13期论文;