李武林（廣東呈斯意特建筑設(shè)計(jì)有限公司，廣東 惠州 516000）

隨著時(shí)代的發(fā)展，人們對建筑物的需求日益多樣化，建筑結(jié)構(gòu)體系也愈趨復(fù)雜，由此產(chǎn)生了超限高層建筑——超出國家現(xiàn)行規(guī)范、規(guī)程中規(guī)定的適用類型的高層建筑，主要包括高度超限、規(guī)則性超限、結(jié)構(gòu)類型超限、超限大跨空間結(jié)構(gòu)4種情況[1]。超限高層建筑受力情況復(fù)雜，不僅要考慮結(jié)構(gòu)受力一般情況，還要關(guān)注水平荷載比重增加、風(fēng)荷載和地震作用影響、舒適度驗(yàn)算、溫度作用和風(fēng)荷載下的內(nèi)力與結(jié)構(gòu)抗傾覆能力等因素，而要實(shí)現(xiàn)超限高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性、安全性和經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)要求，關(guān)鍵在于結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析[2]。因此，本文對超限高層結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討。

1 超限高層結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法

1.1 超限高層結(jié)構(gòu)的判別

高層建筑結(jié)構(gòu)超限的判別主要依據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）(2016年版)、《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）等相關(guān)規(guī)范的規(guī)定。高度超限是指建筑物的高度超過了規(guī)范規(guī)定的最大適用高度，例如，某33層塔樓建筑[3]高149.7m，采用鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，丙類標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防，地震設(shè)防烈度為7度。按照J(rèn)GJ3-2010第3.3.1條的限高規(guī)定，該建筑高度未超過B級框筒高度的180m，但超過了A級框筒高度的130m，屬于高度超限建筑。規(guī)則性超限是指建筑結(jié)構(gòu)屬于相關(guān)規(guī)范、文件規(guī)定的特別不規(guī)則建筑，不論建筑高度是否超限，均可判定為規(guī)則性超限，例如，某高層建筑項(xiàng)目[4]由兩棟塔樓組成，采用剪力墻結(jié)構(gòu)體系，除了高度超B級高度以外，還有塔樓扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、凹凸不規(guī)則、剛度突變、抗剪承載力突變、大底盤裙房樓板超長等不規(guī)則性，屬于高度超限兼規(guī)則性超限的建筑。結(jié)構(gòu)類型超限為相關(guān)規(guī)范、規(guī)程中尚未列入的結(jié)構(gòu)形式或特殊結(jié)構(gòu)，例如，上部鋼結(jié)構(gòu)而下部為混凝土結(jié)構(gòu)組合的高層結(jié)構(gòu)、沒有外框柱的筒體結(jié)構(gòu)、沒有內(nèi)部核心筒的框筒結(jié)構(gòu)、巨型框架結(jié)構(gòu)等。超限大跨空間結(jié)構(gòu)是指高度超過24m，屋蓋跨度＞120m，或懸挑長度＞40m，或單向長度＞300m，或屋蓋結(jié)構(gòu)形式超出《空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ7-2010）規(guī)定的常用空間結(jié)構(gòu)形式。

1.2 建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)分析方法

建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)最早采用“靜力法”，按建筑物質(zhì)量的0.1倍估計(jì)地震水平力。這種抗震設(shè)計(jì)方法極為粗糙，誤差較大。隨后提出了反應(yīng)譜理論，利用反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性，在很長時(shí)間里用于結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，然而這種方法仍有不足，因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)時(shí)將結(jié)構(gòu)假定為線彈性體，將慣性力等視為靜力進(jìn)行計(jì)算，不能有效展示地震作用的時(shí)間效應(yīng)、構(gòu)件變形狀態(tài)和損傷進(jìn)展，結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性狀態(tài)計(jì)算誤差較大。針對反應(yīng)譜法的不足，近來提出了基于性能的抗震設(shè)計(jì)，即在預(yù)定設(shè)計(jì)年限內(nèi)，針對不同強(qiáng)度的地震作用，提出不同的預(yù)期性能目標(biāo)，其與常規(guī)抗震設(shè)計(jì)在設(shè)防目標(biāo)、實(shí)施方法和工程應(yīng)用等多方面均有差別。常規(guī)抗震設(shè)防目標(biāo)可概括為“小震不壞，中震可修，大震不倒”（三水準(zhǔn)設(shè)防目標(biāo)），但該目標(biāo)仍然較為籠統(tǒng)，難以準(zhǔn)確評估不同地震水準(zhǔn)下的結(jié)構(gòu)性能，而基于性能的抗震設(shè)計(jì)可以由業(yè)主對具體工程按使用類別及地震產(chǎn)生的影響程度，提出多個(gè)具體性能指標(biāo)。常規(guī)抗震設(shè)計(jì)按照相關(guān)規(guī)范、指令的規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)施，通過彈性設(shè)計(jì)、內(nèi)力調(diào)整、變形驗(yàn)算等步驟達(dá)到預(yù)期設(shè)防目標(biāo)，一般通過兩階段實(shí)現(xiàn)，第一階段針對多遇地震采用彈性結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行設(shè)計(jì)；第二階段針對罕遇地震采用彈塑性結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，而基于性能的抗震設(shè)計(jì)還需要通過預(yù)期的性能論證、必要的試驗(yàn)及專門的評估才能確認(rèn)實(shí)施。在工程應(yīng)用階段，常規(guī)抗震設(shè)計(jì)執(zhí)行相關(guān)規(guī)范、規(guī)程、文件的限制性規(guī)定，不利于新材料、新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展應(yīng)用，而基于性能的抗震設(shè)計(jì)有利于超限結(jié)構(gòu)、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。

1.3 基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法

基于性能的抗震設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)是根據(jù)建筑用途和重要性程度確定預(yù)期性能目標(biāo)，再由不同性能目標(biāo)制定相應(yīng)的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，可針對不同風(fēng)險(xiǎn)水平的地震作用達(dá)到各種性能目標(biāo)要求，一般通過以下三個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)：一是根據(jù)建筑的用途、功能和業(yè)主的使用要求，通過投資與效益的分析，確定建筑結(jié)構(gòu)的性能目標(biāo)，GB50011-2010(2016年版)附錄M給出了實(shí)現(xiàn)抗震性能目標(biāo)的參考方法；二是根據(jù)確定的性能目標(biāo)，選擇適用的結(jié)構(gòu)體系、材料和設(shè)計(jì)方法（不限于規(guī)范、規(guī)程規(guī)定的結(jié)構(gòu)體系、材料和設(shè)計(jì)方法）進(jìn)行設(shè)計(jì)；三是對所設(shè)計(jì)的建筑結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行評估，達(dá)到性能目標(biāo)要求即通知業(yè)主，達(dá)不到性能目標(biāo)則需調(diào)整性能目標(biāo)（返回第一步）或重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（返回第二步）。

目前，基于性能的抗震設(shè)計(jì)已形成基于承載力、能量、損傷、位移等多種設(shè)計(jì)方法。基于承載力的設(shè)計(jì)方法在目前應(yīng)用最廣泛，該方法也是現(xiàn)行規(guī)范采用的方法，多遇地震采用彈性計(jì)算法，超限結(jié)構(gòu)和罕遇地震作用下需補(bǔ)充彈塑性分析方法。這種方法概念清晰，計(jì)算簡便，分析一般構(gòu)件比較準(zhǔn)確，但因其非彈性計(jì)算采用簡化處理方式，結(jié)果不夠精確?；谀芰康脑O(shè)計(jì)方法將地震輸入結(jié)構(gòu)能量分為結(jié)構(gòu)振動(dòng)消耗、結(jié)構(gòu)構(gòu)件變形消耗和結(jié)構(gòu)構(gòu)件開裂消耗三部分，如果結(jié)構(gòu)耗散全部地震能量后沒有倒塌，則設(shè)計(jì)滿足要求，否則就要重新設(shè)計(jì)了。能量法設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)果比較準(zhǔn)確，但建模比較困難?；趽p傷的設(shè)計(jì)方法通過損傷指數(shù)量化損傷性能目標(biāo)，并根據(jù)結(jié)構(gòu)非彈性變形引起結(jié)構(gòu)損傷的觀點(diǎn)，如果結(jié)構(gòu)塑性耗能與阻尼耗能之和不足以抵消地震輸入結(jié)構(gòu)的能量，則結(jié)構(gòu)就會(huì)遭到損傷破壞乃至倒塌，反之結(jié)構(gòu)安全?；谖灰圃O(shè)計(jì)方法把位移控制作為結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)，通過控制層間位移進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。根據(jù)位移利用的方式，位移法分為直接位移設(shè)計(jì)法、按延性系數(shù)的設(shè)計(jì)方法、能力譜法。直接位移設(shè)計(jì)法直接將位移目標(biāo)和破損程度作為設(shè)計(jì)目標(biāo)。按延性系數(shù)的設(shè)計(jì)方法將延性系數(shù)作為抗震設(shè)計(jì)控制指標(biāo)。能力譜法以能力譜曲線與需求譜曲線的交點(diǎn)作為最大反應(yīng)點(diǎn)，能力譜曲線與等價(jià)線彈性體力-位移曲線的交點(diǎn)作為設(shè)計(jì)性能點(diǎn)，如果設(shè)計(jì)性能點(diǎn)位移譜值大于最大反應(yīng)點(diǎn)，那么結(jié)構(gòu)性能滿足抗震要求，否則結(jié)構(gòu)不安全。

2 超限高層結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計(jì)應(yīng)用

2.1 案例背景

高層住宅樓總建筑面積約25600m2，±0.000以上33層，±0.000以下3層，±0.000以上高度99.5m，室外地面以上高度104.3m。建筑高寬比為4.29，長寬比為1.37，體型系數(shù)為1.4。標(biāo)準(zhǔn)層面積809.2m2，層高3.0m～3.5m。設(shè)計(jì)使用年限為50年，Ⅱ類場地，抗震設(shè)防烈度為7度，基本地震加速度為0.10g，地震分組為第一組，特征周期取0.35s。風(fēng)荷載取0.50kN/m2，地面粗糙度為B類?；A(chǔ)采用鉆孔灌注樁，樁長5m～12m。結(jié)構(gòu)體系采用全落地剪力墻結(jié)構(gòu)，樓蓋采用現(xiàn)澆鋼混梁板體系，結(jié)構(gòu)嵌固端為室外地面以下一層。剪力墻厚度200 mm～300mm，混凝土強(qiáng)度等級為C30～C45，梁板混凝土強(qiáng)度等級為C25～C35，鋼筋采用HRB400和CRB550。剪力墻、框架柱、框架梁的抗震等級為二級。設(shè)計(jì)軟件采用PKPM系列的SATWE和EPDA以及CSI公司的ETABS。

2.2 超限的判別

根據(jù)《高層建筑混凝土技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）第3.3.1條，建筑高度未超過A級高度的120m，高度未超限，但存在Ⅰ類扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、凹凸不規(guī)則、組合平面、樓板不連續(xù)、尺寸突變等多項(xiàng)規(guī)則性超限，故判別該建筑屬于超限高層結(jié)構(gòu)。

2.3 抗震性能設(shè)防目標(biāo)

根據(jù)工程特點(diǎn)、超限情況以及業(yè)主對結(jié)構(gòu)的要求，確定重要構(gòu)件抗震性能設(shè)防目標(biāo)見表1。

表1 重要構(gòu)件抗震性能目標(biāo)

2.4 小震作用的計(jì)算

采用彈性法計(jì)算，考慮偶然偏心，扭轉(zhuǎn)偶聯(lián)，計(jì)算振型數(shù)取30，荷載折減系數(shù)取0.5，周期折減系數(shù)取0.9，結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)取0.05等。SATWE計(jì)算前10振型自振頻率為f1=0.3311s-1，f2=0.3477s-1，f3=0.4149s-1，f4=1.1329s-1，f5=1.2780s-1，f6=1.4249s-1，f7=2.1848s-1，f8=2.6795s-1，f9=2.8417s-1，f10=3.3167s-1。ETABS計(jì)算前10振型自振頻率為f1=0.3258s-1，f2=0.3467s-1，f3=0.4041s-1，f4=1.1140s-1，f5=1.3203s-1，f6=1.4166s-1，f7=2.1601s-1，f8=2.7674s-1，f9=2.9154s-1，f10=3.3024s-1?？梢姡瑑蓚€(gè)軟件前10振型自振頻率還是比較接近的。SATWE和ETABS計(jì)算第一扭轉(zhuǎn)周期Tt與第一平動(dòng)周期T1的比值分別為0.7980、0.8060。根據(jù)JGJ3-2010第3.4.5條，A級高層建筑Tt/T1不應(yīng)大于0.9，因此結(jié)構(gòu)抗扭能力滿足規(guī)范要求。SATWE計(jì)算的X向與Y向有效質(zhì)量系數(shù)分別為99.50%和99.58%，ETABS計(jì)算的相應(yīng)數(shù)值均為94%，兩種軟件計(jì)算的有效質(zhì)量系數(shù)均大于90%，可見所取振型數(shù)足夠。SATWE計(jì)算的X向（11層）與Y向（17層）基本風(fēng)壓下最大層間位移角分別為1/1709和1/1294，ETABS計(jì)算的相應(yīng)數(shù)值分別為1/1805和1/1377；SATWE計(jì)算的X向（14層）與Y向（20層）安評反應(yīng)譜地震荷載下最大層間位移角分別為1/1493和1/1550，ETABS計(jì)算的相應(yīng)數(shù)值分別為1/1411和1/1486，滿足JGJ3-2010第3.7.3條風(fēng)荷載和地震作用下層間位移角不大于1/1000的要求。SATWE計(jì)算的X向與Y向剪重比分別為1.48%和1.60%，ETABS計(jì)算的相應(yīng)數(shù)值均為1.41%，滿足GB50011-2010(2016年版)第5.2.5條0.016的要求。SATWE計(jì)算的X向（地下1層）與Y向（首層）偶然偏心地震作用下最大扭轉(zhuǎn)位移比分別為1.26和1.19，ETABS計(jì)算的相應(yīng)數(shù)值分別為1.319和1.203，雖然大于JGJ3-2010第3.4.5條規(guī)定的1.2倍，但未超過1.5倍。其他參數(shù)，如側(cè)向剛度比值、抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的受剪承載、結(jié)構(gòu)剛重比、剪力墻最大軸壓比等均滿足相關(guān)規(guī)范要求，彈性時(shí)程分析結(jié)果也滿足相關(guān)規(guī)范要求。

2.5 中震作用的驗(yàn)算

采用彈性法驗(yàn)算，取地震作用影響系數(shù)0.23，梁端負(fù)彎矩調(diào)整系數(shù)0.7，連梁剛度折減系數(shù)0.5。PKPM計(jì)算的0度（15層）和90度（21層）方向最大層間位移分別為1/563和1/539；ETABS計(jì)算的0度（15層）和90度（20層）方向最大層間位移分別為1/491和1/517。PKPM計(jì)算的0度和90度方向剪重比分別為4.25%和4.60%，ETABS計(jì)算的相應(yīng)數(shù)值分別為3.90%和4.00%。樓板內(nèi)力分析結(jié)果顯示，在雙向地震作用下板配筋率0.33%可滿足中震作用下的拉力要求。

2.6 大震作用的分析

大震作用采用彈塑性法進(jìn)行分析，判斷罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)是否倒塌，通過對建筑進(jìn)行Pushover分析，校核小震下的彈性設(shè)計(jì)結(jié)果，確定大震作用下的破壞機(jī)制，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)。加載時(shí)，先施加重力荷載，再逐步施加水平荷載。根據(jù)分析結(jié)果，在X、Y兩個(gè)方向性能點(diǎn)處的最大層間彈塑性位移角滿足JGJ3-2010第3.7.5條剪力墻結(jié)構(gòu)層間彈塑性位移角限值1/120的要求。

2.7 超限的處理

根據(jù)性能化抗震設(shè)計(jì)分析結(jié)果，為滿足超限結(jié)構(gòu)的抗震性能要求，應(yīng)采取以下措施：控制剪力墻墻肢軸壓比不大于0.6；剪力墻墻身水平和豎向分布筋加強(qiáng)部位配筋率不小于0.4%，構(gòu)件邊緣約束部位豎筋配筋率不小于1.2%；薄弱部位樓板應(yīng)適當(dāng)加厚，并采取雙層雙向配筋措施，最小單層配筋率應(yīng)達(dá)到0.25%；錯(cuò)層處剪力墻分布筋最小配筋率應(yīng)達(dá)到0.4%，連梁箍筋最小配筋率應(yīng)達(dá)到0.5%，腰筋最小配筋率應(yīng)達(dá)到0.4%。

3 結(jié)語

超限高層建筑為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了多樣化選擇，但也因?yàn)槌鲆?guī)范要求，超限結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)充滿了挑戰(zhàn)，要做出科學(xué)合理的設(shè)計(jì)，就應(yīng)掌握超限結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，尤其是對基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法熟稔于心，這樣才有利于充分貫徹“小震不壞，中震可修，大震不倒”的設(shè)防目標(biāo)要求。