第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 某B级高度混凝土超高层结构设计 周文源，邵强，单瑞增，位立强，李芊，陈肖达 （1、2.大连万达商业地产股份有限公司.
北京100263、4、5、6.北京市建筑设计研究院有限公司，北京100054) 提要：本文以某B级高度钢筋混凝土超限高层写字楼抗震设计为例，从弹性反应谱分析、弹性时程分析和弹塑性 分析几个方面，详细闸述了在进行类似超限工程的抗震设计时，必须满足的抗震设计指标和设计方法，并指出应 重点关注的抗震概念设计.
关键词：B级高度，超高层：超限：弹性时程：弹型性 1工程简介 本项目位于8度地区，I类场地土，总建筑面积16万㎡²，地上11.2万m²， 地下4.8万㎡².建筑设四层地下室，地上由A座塔楼、B座塔楼、裙房三部分 组成.
地下部分连成整体，地上各部分之间设防震缝分为独立的结构单元.
建筑效果图如图1所示.
地下4层到地下1层的层高分别为3.8m、3.8m、3.8m、6.0m.
主要建 筑功能为人防、停车库、厨房、机房等.
裙房为地上4层，结构高度22m， 首层层高6m、二层~四层层高均为5.4m，建筑功能为大堂、商业、餐厅、 会议和多功能厅等：A座塔楼地上29层（包括避难层），主体结构高度 137.4m，平面为39mX39m矩形，结构形式为钢骨混凝土柱钢梁钢筋砼 混凝土核心筒混合结构.
B座塔楼地上25层（包括避难层），主体结构高度 118.8m，平面为46.2mX37.2m矩形，结构形式为钢筋混凝土框架-核心筒结 构，为B级高度钢筋混凝土结构，局部4根框架柱为钢骨柱.
裙房以上塔 楼各层层高均为4.5m，避难层层高6.6m，建筑功能为办公.
本文主要介绍B座塔楼的结构设计工作.
图1建筑效果图 2结构体系 B座塔楼主体结构高度为118.8m，至出屋顶机房层高度为124.0m，根据“高层建筑混凝土结构技术 规程”（JGJ3-2010，以下简称“高规”）第3.3.1条规定，属于B级高度钢筋混凝土框架核心筒结构，属超 限高层建筑结构.
塔楼主体结构的高宽比3.19，核心筒的高宽比8.1. 综合本工程特点与建筑功能要求，采用钢筋混凝土框架-核心筒结构，由外框架和内核心筒体组成双 重抗侧力结构体系，以抵抗风和地震产生的剪力及倾覆弯矩等水平作用.
标准层局部有5m左右的外挑， 周文源（1978-男硕士高级工程师
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014年 采用密排钢悬挑梁方案，此处框架柱轴力较大，为减小柱截面和轴压比，柱中增设构造钢骨.
B座主塔楼 平面呈37.2mX46.2m长方形，核心筒平面为15.4mX23.9m，结构整体计算模型中，上部结构嵌固部位为 地下二层顶.
全楼采用钢筋混凝土梁板体系，局部区域为钢梁现浇钢筋混凝土楼板.
标准层楼板厚度110mm，部 分较大跨度楼板为130mm：避难层考虑部分为设备机房、楼板厚度取150mm：屋顶层楼板厚度取150mm.
(a)整体结构 (b)混凝土核心筒 (c)外框架 图2结构主体示意图 本工程地下室的结构长度190mx79m，超过规范限值，为解决温度、混凝土的收缩问题，主要采取以 下措施：①在适当的部位设置施工后浇带：②在基础底板、地下室各层顶板及外墙的混凝土中掺入聚丙烯纤 维：③适当提高地下室各层顶梁板和外墙水平筋的配筋率：④要求采用低热水泥，基础底板采用混凝土60 天龄期强度：5要求加强混凝土的养护等措施，以增强地下室的抗收缩应力能力.
3超限情况分析及结构措施 本工程为B级高度钢筋混凝土结构.
结构体型比较均匀对称，框架抗震等级取为一级，核心筒抗震等级取 为特一级.
主要采取以下结构措施：用两个不同力学模型的计算程序进行小震反应谱对比分析，验证分析 结果有效性：进行小震弹性时程分析，补充反应谱分析结果：D轴、E轴交16轴、21轴的四颗外框柱和 柱间框架梁，负担大跨悬挑梁，增设钢骨增加其承载能力和延性，抗震等级提高至特一级：验算小震时， 核心筒连梁取0.2折减系数后，框架柱的承载力，确保二道防线的作用：根据弹塑性分析结果，核心筒剪 力墙底部加强区墙体分布筋最小配筋率提高至0.45%，一般墙体竖向配筋率最小配筋率提高至0.40%，约 束边缘构件的设置高度提高3层，以减少大震时的破坏程度.
4弹性反应谱计算 4.1多软件对比计算 超限工程一般要求至少采用两款不同力学模型的分析软件进行对比计算，以确保计算分析的正确性.
本工程的整体结构弹性反应谱法计算，采用SATWE和MIDASBUILDING程序进行校核，提高整体结构的计 算结果的可靠性.
应用上述两种软件分别从结构总质量、基底剪力、各层地震剪力、基底减重比、基底总
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 倾覆弯矩、结构周期和振型、以及结构位移等多方面进行对比，主要结果见表2-表4.
表2（地震作用计算对比） 类别 SATWE MIDAS BUILDING B1层以上恒载产生的总质量（） 82318 83826 B1层以上活载产生的总质量（) 1165 6083 B1层以上结构的总质量（) 88230 89909 方向 X A A 地 基底剪力(kN) 26345 27416 26306 27517 震 基底剪重比 2.99% 3.11% 2.98% 3.12% 作 基底总顿覆弯矩（kNm) 用 (CQC) 2666997 2730655 2567485 2687191 表3（位移计算结果对比） SATWE MIDAS BUILDING 类别 地震作用 地震作用 X Y X 顶部最大位移mm 113 102 120 115 最大层间位移角 1/895 1/924 1/1002 1/965 所在楼层 15 15 15 15 最大层间位移比 1.34 1.30 1.36 1.29 所在楼层 1 1 1 1 表4（结构周期和振型计算结果对比） 报型 SATWE 结果 MIDAS BUILDING 结果 周期 平动系数 扭转系数 周期 X向平动因子 Y向平动因子 扭转因子 1 2.91 1.00(0.980.01) 0.00 2.80 92.63 2.99 0.28 2 2.73 0.98(0.010.97) 0.02 2.68 2.94 89.21 3.94 3 2.06 0.02(0.000.01) 0.98 2.18 0.28 2.50 86′96 4.2层侧移刚度比及抗剪承载力比 根据“高规”3.5.2条，对框架核心筒结构“楼层与相邻上层的侧向刚度比v不宜小于0.9，当本层层 高大于相邻上层层高的1.5倍时，该比值不宜小于1.1” 根据“高规"3.5.3条，“楼层抗侧力结构的层间受剪承载力不宜小于其相邻上一层受剪承载力的80%”， B级高度“不应小于其相邻上一层受剪承载力的75%” 图3为相邻层侧移刚度比曲线，可见B座塔楼各层与上一层侧移刚度90%、110%比值均大于1.0，无 侧向刚度不规则的楼层.
图4为相邻层抗剪承载力比曲线，可见B座塔楼各相邻层抗剪承载力比值均大于0.8，无抗剪承载力 突变的楼层.
4.3楼层剪重比和框架承担的地震剪力比 剪重比是反应结构刚度情况的重要指标，刚度相对较小的超高层建筑容易出现剪重比不满足的情况.
一般认为，剪重比差值比例和不满足层数均应控制在15%以内，否则说明结构刚度不足，应调整结构布置.
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 23 221 2 221 - oe -X向 18- 一X向 2 规在限值(60%) YA Y 18 尿 14.1 12 2 10 2 0.0 000502030405060708091013121314151417181920 相多层例移剧度比(SATWE) 相部层抗劳承载力比[8ATWE) 图3相邻层侧移刚度比图 图4相邻层抗剪承载力比 多遇地震作用下，SATWE算得的楼层剪重比、框架承担的地震剪力图5和图6所示.
由图5可见， 仅有结构底部两层剪重比不满足高规4.3.12条的3.2%限值，最小的为2.99%，与规范限值相差7%，其余 各层均满足.
结构设计中底部总剪力和各层剪力将按照抗规5.2.5条的相关要求进行调整.
2 2 22 20 YA 10% 2 8% 6 e 12 热限值.2%） 2 10 3 00102000000000000 模显病董L(SATWE) 新架柱承担地霜费力比 图5楼层剪重比 图6框架柱承担地震剪力比 “高规”对抗震设计的筒体结构中框架部分承担的地震剪力有明确的要求.
超高层建筑由于核心筒刚 度相对较强，容易出现框架部分承担地震剪力不满足最低10%的要求.
这里需要注意的是，各层中地震剪 力最大的一层满足10%要求即可，但是如果有加强层的话，不应将加强层和上下层计入.
由图6可知，结构各层两个方向框架部分承担的地震剪力基本在10%~16%之间.
设计中将根据“高 规”第9.1.11条规定分别对各层框架柱承担的地震剪力标准值进行调整，相应框架柱端弯矩及与之相连框 架梁端弯矩、剪力进行相应调整.
第15层框架柱承担剪力比例有较大下降是因为本层是避难层，层高6.6m.
其上下标准层层高为4.5m，但由7.6节可知，本层的刚度比和层抗剪承载力比均满足规范要求.
4.4核心筒连梁刚度折减系数取0.2时框架柱承受剪力复核 为了确保框架部分作为“二道防线”的有效性，在核心筒连梁开裂较多后能够承担转移到框架部分上 的地震剪力，验算了连梁刚度折减系数为0.2时，框架柱所承担的地震剪力，结果见图7.
从图中可知， 核心筒连梁刚度折减系数取为0.2时，两个方向的框架柱所承担的地震剪力有不同程度的提高，大部分楼 层的框架剪力比例达到了12%~18%，此时框架部分仍然处于弹性阶段，设计中框架柱按两种连梁刚度模 型取不利配筋.
4.5框架与核心筒承担的倾覆弯矩比较 按照“高规”第8.1.4-2条要求，基底框架部分承担的地震倾覆弯矩与总倾覆弯矩，其比值一般应控制 在10%~50%之间.
图8为X、Y方向各层框架承担的倾覆弯矩比.
由图可见，满足规范要求.
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 2 -XA 2 24 YA 10% 22 -X 2 8% 20 10% HA 18] 1 50% 12 14- 12 10- - 4 2 2 0- 0.04 0.00 0.12 9.200.24 0.1 0.2 0.5 060.7 规定水平力作用下架柱承担始厦力矩比 00 板架柱承担地震剪力比 图7框架柱承担地震剪力比（连梁折减系数0.2） 图8框架部分承担的地震倾覆力矩比 5弹性时程计算 根据“高规”4.3.4条规定，本工程实例属于8度1I类场地上，高度大于100m的丙类高层建筑结构， 需采用弹性时程分析法进行多遇地震下的补充计算.
根据“建筑抗震设计规范”（GB50011-2010，以下简称“抗规”）的相关要求，所选地震波持续时间应 大于5倍结构基本自振周期，同时满足规范对时程曲线的频谱特性、有效峰值的要求，且与抗震设计反应 谱“在统计意义上相符”.
所谓“在统计意义上相符”指得是各地震波加速度谱的平均值与规范反应谱对 比，在结构主要周期点上相差不超过20%.
同时要求单条地震波算得结构底部剪力与反应谱法结果比值应 在65%~135%范围内，各条地震波平均值与反应谱法计算结果应在80%~120%范围内.
另外需要注意，所选天然波应该是经过零线修正的数据.
另外，对于高度较高，周期较大的超高层， 选取地震波时应注意最大可用周期（最小可用频率）问题.
图9为本工程采用的7条地震波加速度谱与规范反应谱的对比.
可见前3周期与规范反应谱相比最大 差值为18%.
0.3 机在语 均 2.909222001 1.18 NGA_SS.PES 19 -12 -01% NGA_299NCHIGHI0LGIF116_PS1_ -37% 35 0.1N 12 0. LIGNPNLIOLSI -91 -12 -15 12.19.1L人工海LTg(0.3 12512 10E 0.13 0.8 0. 7 L 1.50 00 图9各地震波加速度谱与规范反应谱对比 关于地震波的数量，“抗规”规定至少应选取3条波，其中2条天然波和1条人工波，计算结果采用 包络值.
如采用7条及以上的地震波，满足三分之二天然波、三分之一人工波，计算结果可采用多波计算 结果平均值.
本工程采用7条波，其中5条天然波，2条人工波.
时程分析的各层地震剪力包络值（平均值）应与反应谱分析法结果进行对比.
对于大于反应谱分析结果 的楼层，应按照比例放大其地震剪力.
一般情况下，由于时程分析更能体现高振型的影响，结构顶部楼层
