科技大厦超限结构设计分析

序言：作为思想的载体和知识的探索者，写作是一种独特的艺术，我们为您准备了不同风格的1篇科技大厦超限结构设计分析，期待它们能激发您的灵感。

摘要：深圳前海恒昌科技大厦为超高层办公楼，运用PKPM和MIDASBUILDING两种软件计算分析，结构吻合良好。通过MIDAS程序进行罕遇地震作用下的动力弹性整体分析，并对薄弱部位（穿层柱等）进行专项分析，探究结构的整体抗震受力性能。大震作用下的最大层间位移角小于1/120，各类构件均达到预设的性能目标，结构满足“大震不倒”的设计要求。

关键词：抗震性能目标;动力弹塑性;结构抗震措施;

当前国内土木工程事业飞速发展，越来越多大型公共建筑拔地而起，为了满足功能与外观需求，建筑师常常引入新元素、新技术、新工艺。在此背景下产生了较多的超限结构，此类新型建筑设计需要结构工程师突破原有规程，采用新的结构形式，并不断地完善设计理论、积累经验，为设计提供依据。吴国勤[1]针对多项不规则引起的超限问题进行研究指出，在抗震性能化设计时，根据JGJ3-2010标准，将结构的抗震性能目标分为四个等级，结构抗震性能分为五个水准，每个性能目标均与一组抗震性能水准相对应。谭伟[2]针对超长混凝土结构温度应力问题进行研究，主张创建有限元模型，合理计算温差，由此得到准确可靠的温度应力。本文通过对实际工程案例，分析了超限结构的各种规范要求，提出了超限工程通过结构动力弹塑性分析，证实结构体系抗震安全性的方法。

1工程概况

恒昌科技大厦位于广东省深圳市前海深港现代服务业合作区，包含东区和西栋140m的超高层，总建筑面积20万m2。东区主要使用功能为办公和酒店和商业，西区主要使用功能为办公。由于建筑高度超过了A级高度，根据相关文件需要进行超限分析。东区和西区的结构高度和平面布置均相近，本文以西区为例，介绍其结构超限设计。

西区超高层办公楼建筑平面为矩形，平面尺寸约为34m×55m，结构主屋面标高为141.0m，高宽比为4.08，长宽比为1.60；核心筒高宽比为12.70，长宽比为3.37。带八层裙房，裙房使用功能为办公，塔楼与裙房之间不设结构缝。首层层高6.0m,2～31层层高4.5m。标准层结构体系为框架-核心筒结构。

按《建筑抗震设防分类标准》（GB50223-2008），本项目抗震设防的级别为丙类，地面的粗糙程度为B类，工程抗震设防烈度为7度，并要保证基础的地震加速为0.10g，其设计分组为第一组，案例的施工场地为Ⅲ类，所具备的特征周期是0.45s。除此之外，基本的风压值是0.75，承载力计算时取基本风压的1.1倍。

2结构超限判别与应对措施

本工程的超限情况依照《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》和《广东省超限高层建筑工程抗震设防专项审查实施细则》进行判定，本项目建筑高度为141.0m，超A级高度不超过B级高度，属于高度超限；本工程还存在扭转不规则（考虑偶然偏心的扭转位移比大于1.26>1.2）、由于裙房与塔楼未分缝，收进部分大于25%，尺寸属于突变、局部不规则（底部大堂穿层柱、局部转换柱），结构存在3项体型不规则项，属于体型特别不规则结构，但不属于特殊类型高层建筑及超限大跨空间结构。

且针对上述超限项，结构采取加强措施，具体如下：

(1）结构布置期间，抗测力构件分布均匀，使结构刚心与质心尽可能相同，使结构整体刚度需求得到满足；

(2）加强穿层柱、转换柱根部的双向约束；

(3）对各层楼面按照弹性板进行细化的有限元分析，确保中震作用下楼板不出现贯通性裂缝；

(4）在体型收进的裙房层，对墙柱进行箍筋全高加密，楼板配筋加强的措施，保证水平力作用下的应力传递。

3抗震性能目标

根据本工程的超限情况、结构特点和经济性的要求，根据《高规》对抗震性能目标的划分，本工程建筑抗震性能目标定为C级，即小震满足性能水准1、中震满足性能水准3、大震满足性能水准4。

4多遇地震结果分析

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》5.1.12条“体型复杂、结构布置复杂以及B级高度高层建筑结构，应采用至少两个不同力学模型的结构分析软件进行整体计算。”采用PKPM、MIDASBUILDING进行小震弹性对比计算。

两种软件的质量相近，表明结构导荷正常，模型计算正确。

两种软件的周期相近，且在合理范围，通过将第一平动自振周期与扭转自振周期的对比，最终发现结果不超过0.85，因此可以断定，该结构具备较好的扭转刚度性能。

两种软件的风荷载以及地震作用条件层间位移角几乎相等，并且能够满足相关抗震结构设计规范，表明模型中的结构刚度是一致的、准确的。

同时在风荷载以及地震的双重作用下，建筑结构基地的弯矩与剪力值极为接近，并且在规定的范围内，表明结构施加地震力与风荷载正确。

两种软件计算的刚度与刚度比相近，各层侧移刚度与上层比值均大于0.9，满足《高层建筑混凝土结构技术规程》3.5.2要求，表明本塔楼各层刚度均匀。

两种软件计算的抗剪承载力相近，各楼层X、Y向的楼层抗剪承载力之比均大于0.75，满足规范对楼层抗剪承载力要求，表明本塔楼不存在抗剪承载力突变。

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》第4.3.4条规定，本工程应采用弹性时程分析方法进行多遇地震下的补充计算。计算分析时选取五条天然波及两条人工模拟的加速度时程曲线，由于本工程不考虑竖向地震作用，所以采用主、次波的方式考虑双向水平地震作用。波时程曲线与反应谱对比如图1所示。

通过上述波时程曲线与反应谱对比能够得知，在各时程曲线之上所计算出的基底总剪力，要高于根据振型分解反应谱所计算出的基底总剪力值，且比率在65%。而由七条时程曲线所计算出的基底总剪力平均数值，也大于在振型分解反应谱基础上计算出的基底总剪力，且比率为80%，满足规范相关要求。

有少量楼层时程分析剪力小于反应谱法剪力，但其比值小于反应谱法剪重比调整系数，因此不需要对地震力进行放大。

综上分析，当在风载荷与多遇地震条件下：

(1）使用MIDAS与SATWE软件所计算出的建筑结构相关指标都具有较强的规律性，且能够保持一致，因此可以断定该计算模型准确。

(2）建筑结构所要控制的指标范围均在既定的规范要求之内，因此说明建筑结构具有合适的刚度和承载力。

弹性时程分析。该项目采用2条天然波和1条人工波开展弹性时程分析，在波形选择方面，与峰值、持续时长、频谱特点等方面需求相符合，还要满足底部剪力相关要求。根据计算可知，所选时程波与规范反应谱统计意义上相符，分析结果满足要求。

表示在风荷载以及多遇地震的条件下，建筑结构的各项控制指标能够满足性能水准1中的各项要求，并且可以达到抗震的效果。

5设防烈度下的地震作用分析

设防地震下结构需满足性能水准3的要求，本工程中建筑底部加强区域位置的剪力墙应达到受剪弹性与受弯不屈服的要求，而非底部加强区域的剪力墙应达到受弯不屈服，受剪不屈服；除穿层柱外普通的框架柱应达到受剪和受弯不屈服的目标，同时穿层柱也应达到受弯和受剪弹性的要求；连梁以及框架梁等耗能构件应多数满足受弯不屈服，仅少量构件在局部楼层可以受弯屈服，但受剪不应屈服。为此进行以下分析判别。

设防烈度下的基底剪力、剪力墙与框架柱受弯验算、剪力墙与框架柱受剪验算、剪力墙受拉验算、框架梁与连梁受弯、受剪验算等均满足规范要求。

综上分析，在设防烈度地震作用下：

(1）中震与小震基底剪力之比约为2.8，表明地震作用数量级合理。

(2）底部加强区剪力墙均满足受弯不屈服，受剪弹性；非底部加强区剪力墙和非穿层框架柱满足受弯与受剪不屈服，穿层框架柱满足受弯与受剪弹性。仅底部和顶部少量墙肢出现拉应力，名义拉应力小于2ftk。

(3）连梁、框架梁少量出现受弯屈服，但受剪不屈服，满足预定性能目标。个别连梁通过采取加设交叉斜筋的加强措施满足规范剪压比限值要求。

表示结构抗震性能指标能够满足在中震条件之下，设计控制水准3中的相关性能要求。

6罕遇地震作用下的动力弹塑性时程分析

《高层建筑混凝土结构技术规程》第5.1.13条[3]规定“B级高度的高层建筑、混合结构和复杂高层建筑结构，宜采用弹塑性静力或弹塑性动力分析方法补充计算”。本文案例工程的结构，为超过“高规”表3.3.1-2之中的B级最大适用高度一般不规则形态，有必要了解结构在罕遇地震作用下的性态。

动力弹性时程分析是在建筑结构动力方程数值之上所开展的，其能够对建筑承载力设计起到关键性的作用。在计算时，其可以将建筑结构作为弹塑性震动体系，依照地震波数值，输入到地面加速运动的状态中，从而算出建筑结构在此状态之下，随时间变化的各质点位移、构件内力、速度、加速度情况。其主要是起到了以下几种作用：

(1）观测建筑结构当罕遇地震以后的弹塑性情况，并依照整体变形状态和主要构件塑性铰分布状况，来确定其是否能够达到“大震不倒”的建筑设防标准。

(2）分析塔楼结构的具体抗震性能，其中包括在罕遇地震状态下的最大基底剪力、层间位移、层间位移角数值。

(3）依照前期的分析结果，针对建筑结构之中抗震能力薄弱的部位与构件，制定科学的加强方案，并为后期的施工图纸设计，提供良好的参考依据。

6.1模型的建立与取值

本次所选择的工程建筑结构分析与设计的软件为，由北京迈达斯技术有限公司所研发的MIDASBUILDING(STRUCTUREMASTER2014），选择该软件的目的为，其能够精准评测罕遇地震状态下，建筑结构的动力弹塑性时程。在分析时，可以利用部分软件性能，先对小震以及风荷载作用之下的建筑结构配筋状况进行设计，然后再将各构件的配筋信息构成每一单元的本构模型，这样模型也就比较接近实际的工程单元结构。最后，在进行动力弹塑性分析时，可以通过求解器，利用前期所计算出的本构关系与滞回模型，生成多样化的处理方案。

其中建筑所使用的混凝土建材本构关系，采用了《混凝土结构设计规范》附录C中所提供的单轴受压应力模型，即应变本构模型。假设钢筋是最佳的弹塑性建材，其本构关系则使用简化后的二折线模型[4]。而墙单元部分的剪切特性材料本构关系，则使用剪力退化三折线模型。同时，在分析钢筋混凝土梁或者柱的回曲线时，则可以采用修正武田三折模型，其能够对刚度与强度精准分析。

本工程进行弹塑性时程分析时，从弹性时程分析的地震动波形中选用了地震动响应与本工程相接近的两条记录波DZ2、DZ3及人工模拟波RG1。地震波的加载采用双向加载方式。

6.2计算结果分析

大震作用下的基底剪力、层间位移角、结构损伤状态均满足规范要求，依照本文上述分析结果，在罕遇地震状态下结构具体表现为：

(1）抗侧力主要构件剪力墙混凝土纤维未出现拉压屈服，只有极少部分发生剪切屈服，比例为4.1%～6.9%。钢筋纤维部分受拉屈服，未现在剪切屈服。

(2）个别位于裙房顶层和塔楼顶层的框架柱出现了轻微弯曲屈服，均未发生剪切屈服。

(3）作为主要耗能构件的连梁，有一定比例的连梁的混凝土纤维发生剪切屈服状态。大部分梁端进入了弯曲屈服状态，一些顶部的楼层框架梁先进行了弯曲屈服，而后向底部以及中间楼层散开，而大部分的连梁都要比框架梁先进入屈服状态，并且框架梁的完成屈服时间要高于连梁，能够形成多道耗能系统。

由于各地震反应分布规律相似，选取基底剪力最大的RG1(100%X+85%Y）工况为代表，列举各构件的大震激励反应。

6.3分析结论

根据前期所分析的建筑结构在罕遇地震状态下的弹塑性动力时程，综合建筑结构的整体反应指标与构件性能，可以获得以下几点结论：

(1）结构层间的弹塑性位移角不超过规定限值范围，建筑结构之中的主要抗侧力构件未出现严重损坏情况，且建筑局部构件能够屈服，但不至于引发建筑局部倒塌以及危及整体结构安全的问题。因此，可以断定该种设计方案具有较强的整体性，并能满足“大震不倒”的抗震性能要求。

(2）钢筋拉压与剪力墙混凝土都在既定弹性应力状态下，没有出现弯曲与抗压屈服问题。个别墙肢受剪屈服在局部体现，但比例较小，受剪截面经复核计算后，能满足性能目标要求，不会出现整片墙肢的剪切屈服和破坏。

(3）大部分的框架柱都在既定弹性状态下，只有少数的裙房顶层框架柱顶端发生了轻微弯曲屈服，但没有出现剪切屈服的状况。因此，可以断定结构具有“强柱弱梁”的特点。

(4）多数的楼层框架梁梁端都能达到弯曲屈服的状态，且框架梁没有出现剪切屈服，少数的连梁出现了剪切屈服，并且大部分的连梁要比框架梁先出现屈服状态，由此可以断定结构具有较好的耗能体系与多道防线特点。

综上所述，在罕遇地震状态下，建筑各项控制指标能够达到设计性能水准4中的抗震要求。

7结构抗震措施

在设计时，需要从建筑结构体系的总体布置、设计计算、结构抗震、构造加强等几部分进行分析，并要提高构造加固方案的精准性，以此保证工程的质量。

(1）在剪力墙底部加强部位及其上一层，设置约束边缘构件，加大该部位的配箍率。

(2）设置约束边缘构件上两层为过渡层，适当加强该处配筋。裙楼屋面上下层墙柱配筋适当加强。

(3）设计时针对剪力墙个别剪切屈服应变等级超过5级的，其边缘构件的纵筋配筋率，约束边缘构件时不小于1.4%，构造边缘构件时改为约束边缘构件，提高其延性能力[5]。

(4）建筑结构底部有16.20m的高穿层柱体，在计算时利用了屈曲分析法，以保证其承载力可以达到既定要求。

(5）为能够提高连梁的抗剪承载力，同时保障建筑结构能够满足强剪弱弯的设计要求，则提升了部分剪力值偏大的连梁配箍率。

(6）针对底部大堂及裙房楼板开洞楼层进行了各工况下的应力分析，对应力较大区域采取局部构造加强。采用双层双向配筋，提高与核心筒连接角部配筋率[6]。

8结论

(1）经过小震、中震及大震下的分别计算分析，查找结构薄弱部位并予以加强，达到了预期的抗震性能目标要求。并补充穿层柱的屈曲模态分析和楼板应力等专项分析，确保结构整体的安全性。

(2）合理选择结构类型和结构体系是高层建筑结构设计的重要任务，它关系到结构的经济指标、结构的抗震抗风性能以及施工效率，本文对超高层办公楼的结构选型提供参考。

(3）本文为超A级高度和贴临车辆段的高层住宅建筑工程提供了常用的超限分析计算思路和分析方法，对其它类似的超限高层结构设计具有一定的参考意义。

作者：姚一帆 单位：广东海外建筑设计院有限公司