高层住宅超限设计探讨

高层住宅超限设计探讨

贺波

贺波珠海华发建筑设计咨询有限公司广东珠海519030

[摘要]本文通过对某高层住宅超限设计的可行性进行理论分析，为类似的设计提供参考依据。

[关键词]高层；超限设计；

High-riseresidentialoverrundesignisdiscussed

HeBo

ZhuhaihuafaarchitecturaldesignconsultingCo.,LTD.Guangdongzhuhai519030

[abstract]thisarticlethroughtoahigh-riseresidentialoverrunthefeasibilityofthedesigntheoryanalysis,andtothesimilardesigntoprovidethereference.

[keywords]top;Overrundesign;

一、概述：

随着城市的迅猛发展和人口的集中，住宅的需求量扩大，城市中心地段土地越来越稀缺，高层住宅建筑通过“竖向型”增长，对有限土地高效集约的利用，被越来越多的人所推崇。因此，对高层建筑的理论研究、受力分析具有十分重要的意义。

本文通过对某高层住宅超限设计的可行性进行理论分析，为类似的设计提供参考依据。

二、工程实例

本工程北面为二类居住用地，西面为村镇住宅用地，东临前山河，南面临近昌盛大桥，交通便利，并且周边已建成成熟的小区。总建筑面积约20万㎡。塔楼34层，地下室1层。标准层平面图如下图所示

1结构布置和选型

根据本工程特点，采用剪力墙结构。塔楼住宅利用外墙、楼梯间和电梯间围护墙、部分不妨碍建筑使用功能的内隔墙，布置钢筋混凝土剪力墙，形成整体性能好、抗震能力强的剪力墙结构体系。这一结构体系既可满足上部住宅房间内的竖向构件不突出墙面的要求，同时亦可满足地下室车库在使用功能上需要大空间的要求。其标准层结构布置如上图所示：

2超限的类型和程度

本工程未能满足《建质[2010]109号》附录一表二中关于体型不规则的要求。体型不规则项目为：

（1）楼层平面凹凸不规则。

（2）平面扭转不规则。

（3）局部楼板存在局部不连续。

3超限分析主要的荷载作用

为使结构达到规范要求的“小震不坏、中震可修、大震不倒”的三水准建筑抗震设防目标。现将本工程超限分析主要考虑的地震作用情况阐述如下。

3.1本工程考虑地震作用的相关参数及各部位构件的抗震等级

根据《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB50068-2001）、《建筑抗震设防分类标准》（GB50223-2008）、《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002），本工程结构进行地震作用分析时，采用的相关参数及各部位构件的抗震等级详见表3-1。

表3-1结构的相关参数

建筑结构安全等级二级

结构重要性系数1.0

建筑结构抗震设防类别丙类

设计使用年限50年

建筑高度A级

地基基础设计等级甲级

抗震设防烈度7度

设计基本地震加速度0.1g

场地类别III类

小震阻尼比0.05

剪力墙抗震等级二级

3.2安评报告的地震反应谱曲线与抗震规范的相应比较

场地地面设计地震动参数与抗震规范的相应参数比较详见表3-2；相应的小震反应谱曲线对比详见图一。将按安评报告输入的地震反应谱曲线计算所得的地震作用基底剪力与按规范的地震反应谱曲线计算所得的数值列表比较见表3-2，结果表明，小震作用下，按规范反应谱计算的基底剪力均大于按安评报告的结果，因此小震作用按照规范的地震反应谱曲线进行计算。

3.3基于性能设计的结构抗震性能目标

针对本工程的结构特点，设定本结构的抗震性能目标详表3-3。

表3-2安评报告与抗震规范地震动参数及相应的地震作用基底剪力比较

地震作用烈度小震大震

对应项抗震规范安评报告抗震规范安评报告

水平地震影响系数最大值αmax0.080.08020.500.4294

特征周期Tg0.450.400.450.65

衰减指数γ0.90.900.91.00

X向地震基底剪力

（kN）40573402

Y向地震基底剪力

（kN）39733274

表3-3结构抗震性能目标

地震作用烈度小震大震

结构性能水准处于弹性，结构完好、无损伤不倒塌，重要构件不发生严重损坏

层间位移角限值1/8001/120

构件性能剪力墙加强部位满足规范要求，处于弹性不发生剪切破坏，

连梁或框架梁满足规范要求，处于弹性允许屈服或破坏，但不率先出现剪切铰

一般楼板满足规范要求允许开裂，控制裂缝宽度和刚度退化

在考虑竖向荷载、风和小震的作用时，采用SATWE程序按规范方法进行计算和设计，则可基本保证结构构件处于弹性阶段。

对大震作用，则采用PKPM对结构进行静力弹塑性分析（Pushover）。按弹塑性程序计算所反映的塑性发展程度来对构件以至整个结构进行相应的性能评价。

4.结构分析和结果说明

本工程主要采用SATWE程序及空间结构分析程序ETABS进行整体计算分析，现对各项分析的具体计算结果说明如下：

4.1小震及风作用下的弹性分析主要计算结果汇总

4.1.1自振周期及第一扭转平动周期比

自振周期及周期比详表4-1，可见，以扭转为主的第一周期与以平动为主的第一周期的比值均≤0.9，满足《高层建筑混凝土结构设计技术规程》第4.3.5条的要求。

表4-1自振周期及周期比

计算软件振型号周期（S）平动系数扭转系数特性Tt/T1

XY

SATWE13.40520.050.930.02Y向平动0.773

23.17250.940.040.02X向平动

32.63260.010.020.97扭转

ETABS13.2041Y向平动0.871

23.0548X向平动

32.7905扭转

4.1.2重力、风及地震总作用力

各结构单元在水平地震作用下实际的基底剪重比详表4-2，位移及内力计算时基底剪重比大于0.016，满足《高层建筑混凝土结构设计技术规程》第3.3.13条的要求。

表4-2重力、风及地震总作用力

项目SATWEETABS

结构总恒载（kN）276419

结构总活载（kN）23956

总荷载恒+活（kN）300375

重力荷载代表值恒+0.5活（kN）288397278800

方向XYXY

水平地震作用基底总剪力（kN）4057397341923806

基底剪重比*1.50*1.47*1.50%*1.40%

规范限值1.60%1.60%1.60%1.60%

基底总倾覆弯矩264370239798233400205900

风荷载基底总剪力（kN）4250460530713639

基底总倾覆弯矩（kN）254576275376185139217539

*表示程序调整后满足1.60%。

4.1.3弹性层间位移角

弹性层间位移角即层间最大位移与层高的比值和最大层间位移角比详表4-3，层间位移角均满足《广东省实施<高层建筑混凝土结构技术规程>（JGJ3-2002）补充规定》小于等于1/800的要求，最大层间位移角比均满足小于1.0的要求。

表4-3风荷载及地震作用下的最大位移角括号内为相应层数

作用方向SATWEETABS

XYXY

最大层间位移角地震作用1/1080

(17F)1/987

(17F)1/977

(16F)1/805

(11F)

风荷载1/1424

(14F)1/983

(17F)1/1661

(12F)1/1128

(15F)

最大层间位移角比0.91

(29F)0.89(29F)

最大层间位移角楼层有害位移角占总位移角百分比

0.3%0.2%

注：层间位移角比为本层位移角与上层位移角的1.3倍及上三层平均位移角的1.2倍的比值的大者

4.1.4扭转位移比指标

用于判断结构扭转不规则性的楼层最大弹性水平位移（或层间位移）与该楼层两端弹性水平位移（或层间位移）平均值的比值详表4-4，扭转位移比值介于1.01和1.4之间，满足《广东省实施<高层建筑混凝土结构技术规程>（JGJ3-2002）补充规定》条的限值。

表4-4扭转不规则性指标最大值（考虑偶然偏心结果）

软件方向水平位移比层间位移比

层数Δmax/Δ平均

层间位移角层数Δmax/δ平均层间位移角

SATWEX331.241/1373331.221/1373

Y131.281/858331.281/858

ETABSX341.1701/1408

Y11.3961/4797

4.1.5刚重比及墙柱轴压比

刚重比EJd/（H2∑G）详表4-5，刚重比均大于2.7，满足《高层建筑混凝土结构设计技术规程》第5.4.4条及5.4.1条对结构稳定性的要求，且可以不考虑重力二阶效应的影响。墙、柱轴压比符合《建筑抗震设计规范》《高层建筑混凝土结构技术规程》的要求：剪力墙在重力荷载代表值作用下墙肢轴压比控制小于0.6。

表4-5刚重比

方向SATWEETABS

X2.962.969

Y2.752.889

4.1.6层侧向刚度比

（1）楼层侧向刚度与相邻上层侧向刚度的70%或其上相邻三层侧向刚度平均值80%的比值详表4-6，最小比值大于1，满足《高层建筑混凝土结构设计技术规程》第4.4.2条的要求。

表4-6层侧向刚度比

结构单元方向各层比值的最小值

所在层次比值

SATWEX341.25

Y341.25

（2）层间位移角比值算法

按照《广东省实施<高层建筑混凝土结构设计技术规程>（JGJ3-2002）补充规定》表3.3.1-1第4条，通过上下层间位移角的比值来判断侧向刚度的规则性，如表4-7。

由表可见，最大转角与相邻上层1.3倍或与其上相邻三层平均值1.2倍比值的最大值之比小于1，满足《广东省实施<高层建筑混凝土结构设计技术规程>（JGJ3-2002）补充规定》表3.3.1-1第4条关于侧向刚度规则性的要求。

表4-7层间位移角比值

软件方向各层比值的最大值

所在

层次与相邻上层1.3倍或与其上相邻三层平均值1.2倍比值的最大值

SATWEX290.91

Y290.89

4.1.7抗剪承载力验算及弹性楼板应力分析

受剪承载力比值详表4-8，结果均大于80%，满足《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）第4.4.3条A级高度高层建筑的楼层抗侧力结构受剪承载力不应小于其上一层受剪承载力的65%。PMSAP分析结果表明，在常遇水平地震作用下，剔除应力集中因素，楼板薄弱部位（标准层核心筒周边板块）拉应力未超过砼楼板的抗拉强度标准值，剪力未超过砼楼板的抗拉强度标准值，即能满足楼板的抗剪承载力要求

表4-8楼层抗剪承载力比值最小值

多塔计算方向所在层比值

SATWEX10.92

Y20.91

4.1.8时程分析

时程分析时分别采用由SATWE所提供的一条多遇地震人工波以及由PKPM提供的适用于III类场地的2条实际地震波（TH1TG045、TH4TG045），并对分析结果进行放大调整，以确保平均底部剪力不小于振型分解反应谱法结果的80%，每条地震波底的剪力不小于反应谱法结果的65%，基底剪力比值详表4-9，分析结果表明，多遇地震作下时，时程分析的顶点位移、楼层剪力、层间位移角计算结果均小于CQC法。

表4-9基底剪力比

地震波RH1TG045TH1TG045TH4TG045平均值

X向基底剪力3987271527963266

Y向基底剪力3845298824383094

与CQC比值（X）0.990.680.700.81

与CQC比值（Y）1.050.820.670.85

4.2罕遇地震作用下静力弹塑性（Pushover）分析及结构抗震性能评价分析结果

表4-10性能控制点处的相关指标

方向X向Y向

顶点位移（m）0.5250.130

顶点相对位移角1/2701/270

最大层间位移角1/1471/183

所在楼层1314

基底剪力（KN）1491020063

与SATWE小震基底剪力之比3.75.05

由Pushover分析结果，当推覆力达到目标值时，剪力墙均未出现剪切特征的损伤，即剪力墙抗剪能力足够，不会发生剪切破坏，经过对Pushover分析结果的观察，发现在大震作用下剪力墙仅在底部加强部位出现轻微的损伤，由此推断，在中震作用下，剪力墙基本处于弹性状态，预期可以达到“中震可修”的设防水准。

三、结论

本文工程实例分析结果表明：在多遇地震作用下结构的第一扭转与平动周期比、侧向刚度、竖向规则性、扭转位移比等指标均符合现行规范的相关要求；罕遇地震作用下能满足不倒塌，重要构件不发生严重损坏的设防要求，因此可以期望本工程的结构体系在遭遇地震作用时，能达到“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防目标，同时亦能最大限度地满足建筑功能的要求。

通过对本工程超限设计的可行性进行理论分析，为类似的设计提供参考数据。

参考文献:

[1]中华人民共和国国家标准．混凝士结构设计规范(GB50010—2002)．北京：中国建筑工业出版社，2002．

[2]《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB50068-2001）、《建筑抗震设防分类标准》（GB50223-2008）、《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）

[3]《广东省实施高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2002）补充规定》