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摘要：地震是威脅建筑使用壽命和安全的重要因素，而高層建筑一旦在地震中發生結構性破壞將引發較大危機，所以高層建筑需要加強結構抗震超限設計?；诖?，文章對高層建筑結構抗震超限設計原則、要點、方法和內容展開了探討，并結合工程實例對結構抗震超限設計中的各項指標展開分析，根據分析結果提出結構的加強設計措施，以維持結構設計經濟性，保證結構安全。
關鍵詞：高層建筑；結構抗震；超限設計
隨著建筑行業的快速發展，高層建筑得到了廣泛建設?？紤]到建筑抗震性能要求，需要對建筑高度及相關結構指標進行限定，以免建筑因遭遇地震而發生嚴重損壞，給人們的生命、財產安全帶來較大威脅。因此，還應加強高層建筑結構抗震超限設計研究，確保人員采用科學方法完成建筑結構設計，繼而為建筑的建設和使用安全提供保障。
1高層建筑結構抗震超限設計原則及要點
1.1設計原則
（1）能量原則。在結構抗震設計方面，需要根據性能目標對結構在地震地面運動下的預期性能水準進行設定。按照《建筑地震破壞等級劃分標準》【（90）建抗字第377號】等相關規范，得到各地震水準下建筑結構預期性能目標，如表1所示。遵循能量原則，在抗震設計中需要加強結構安全性評價。在構件擁有較高承載力的情況下，可以降低延性要求，達到性能
1多處于彈性狀態，處于性能2水平可能發生屈服，性能進一步下降會發生塑性變形，在性能4狀態下遭遇罕見地震將接近嚴重破壞水平[1]。在超限設計中還要做到合理選用性能目標，對結構不規則等因素進行充分考量。（2）目標原則。在結構抗震超限設計中，還要滿足三水準目標原則，確保結構設計達到檢查標準。從總體上來看，需要達到3個層次的目標。首先，建筑遭遇小型地震后，應實現無需處理即可直接使用的目標。具體而言，在發生強度較小的地震后，建筑結構不會出現裂縫或損壞等問題，事后無需維修就能正常使用建筑各項功能。其次，需要達到中震可修的目標，即在建筑所在地區發生破壞性地震后，由于結構本身抗震等級與發生的地震能夠達到大致相當的水平，所以結構只會發生一定程度的破壞。針對這一問題，通過適當維修和處理能夠使建筑功能陸續恢復，繼而使建筑能夠得到正常使用。最后，應遵循大震不倒原則，即無論發生多強的地震，建筑物都不會出現倒塌問題。達到這一目的，盡管建筑難以通過維修恢復原本功能，但能避免因建筑物倒塌而帶來重大人員傷亡。（3）方法原則。在實踐設計活動中，要遵循一定的方法原則。隨著建筑業的發展，高層建筑功能、結構日漸復雜，結構抗震性能容易受到多方因素影響，在超限設計時還要對各建筑結構展開單獨分析，通過精確分析對設防標準進行細化和量化。遵循性能分辨原則做好性能指標選擇，能夠使結構可靠性得到保證。設計活動應當劃分為兩個階段，第一階段對小規模地震狀態下的建筑彈性展開計算，根據結果范圍施加地震效應與荷載力，加強結構承載力分析，然后根據抗震性能要求進行系數調整，實現截面合理設計，加強各彈性層位移角控制，能夠使建筑抗震性達到基本抗震性要求。將前一個階段的分析結果當成依據，合理進行材料選擇，并采用抗震措施強化對建筑彈性、變形等方面的控制，能夠使建筑滿足強地震狀態下抗變形要求。遵循強柱弱梁和強剪弱彎這兩個高層建筑結構設計基本原則，能夠通過增強結構剛度和強度促使超限設計朝著合理化的方向發展，繼而使建筑抗震性得到提升。
1.2設計要點
（1）實施規則化設計。針對高層建筑實施結構抗震超限設計，還應通過規則化設計加強結構質量控制。在對結構性能展開綜合分析基礎上，應合理進行平面規劃，使結構功能布局保持合理。結合工程實際情況進行結構優化，還應保證結構扭轉剛度在可靠范圍內，避免因結構發生扭轉造成結構整體性被破壞。實施規則化設計，能夠使結構保持均勻、對稱，正確、合理地進行剪力墻分布。如果未能做到合理布置剪力墻結構，將造成薄弱位置在地震發生時出現變形、位移等問題，造成結構受到嚴重破壞。在建筑樓層較多的情況下，保證結構得到規則化設計能夠降低因外部應力突增而發生結構破壞的可能性，使建筑發生的破壞達到最低。（2）把握平、豎面規則。結合結構抗震超限設計要求，還要把握建筑平、豎面規則。在運用平面規則的結構設計環節，應采用彈性樓蓋模型，加強局部彈性和分塊剛性分析，確定結構發生的耦聯效應。在建筑樓板不連續或結構不規則的情況下，需要加強樓板平面剛度變化分析，確定應力集中或薄弱位置，采取增加配筋或增厚方式對結構進行加固，促使結構抗震性得到提高。針對樓板連接位置，還應完成變形縫的設置，完成多個子結構對稱的平面結構布置，使抗側力構件充分發揮扭轉效應，促使外圍豎向構件獲得更強抗側剛度。采用豎面規則進行結構超限設計，還應加強立面收進引發的問題研究。采用臺階形結構，對立面進行多次內收，能夠避免位移沿著豎直方向發生突變，達到有效控制結構扭轉效應的目的。強化豎向構件偏心控制，可以避免底部結構因上部扭轉產生過大作用力。在立面需要開大洞的情況下，還應加強洞口及周邊結構質量控制，從而通過強化結構達到結構抗震性要求。（3）加強關鍵要素控制。想要通過超限設計使建筑結構的抗震性能得到提高，還要加強層間位移等關鍵因素控制。從地震狀態下層間位移發生情況來看，其主要受到平面規劃的影響，因而采用的鋼筋混凝土結構應從施工材料選擇、工程高度、價格體系等角度考慮層間位移控制問題，做到平面規劃。在實踐設計工種中，還要加強結構層面優化設計，保證各結構單元擁有相同的單元和地基性質，保證結構形式一致。采用位移結構抗震法實施超限設計，能夠使結構變形達到設計要求。采取科學的減震措施，加強結構承力性驗證，同時加強結構剛度控制，能夠使結構抗震性得到增強。實際建筑結構剛度變化具有周期性，也將給結構位移帶來影響，從層間位移控制角度對截面尺寸、剪力墻結構位置等實施優化，能夠實現抗震性能設計目標。
2高層建筑結構抗震超限設計內容和方法
2.1設計內容
高層建筑作為10層以上的建筑，需要以抗震為性能基礎實現建筑結構設計，確保主體結構功能在地震荷載作用下能夠維持正常。按照《建筑抗震設計規范》（GB50011—2010）要求，采用混凝土框架搭建墻體結構的高層建筑工程不能超出規定高度范圍，確保結構能夠發揮抗震作用；采用筒體和鋼筋混凝土結構，抗震強度需要達到9級，高度能夠達到規定限高的最高值，如果抗震等級為8級，高度為規定的30%，抗震等級在6～7級只能達到規定高度的20%[2]。除了對建筑高度進行限定，還設置了寬高比、體積外形規則度等數據，因此需要加強建筑的超限設計。從內容上來看，需要完成結構分析與判別，應將結構類型、抗震標準、規則性、高度等當成依據，明確設計目標任務，然后對抗震性設計方法必要性進行驗證。確定性能目標后，需要對設防強度、施工成本、損壞修復等各項因素進行考量，完成選取目標的論證。在地震地面運動難以分析的情況下，還應實施非線性分析，結合經驗做好參數與模型的選擇。對高層建筑進行超限設計，需要考慮結構自振周期較長，同時可能受不規則結構影響，還要傾向于選擇偏保守的目標。在深入分析階段，應重點加強薄弱位置抗震性分析，并根據分析結果提出加強對策，通過驗證薄弱位置抗震性，能夠確認結構設計能否實現目標。在超限設計分析的過程中，還應對超過規范的適用范圍和結構不規則程度進行分析，確定場地、地震參數等條件；完成結構時程、彈塑性、靜力等各項指標計算后，能夠完成結構合理性分析，找到強地震作用下的結構關鍵和薄弱位置。如果建筑結構較為新穎，難以對抗震計算分析結果進行判斷，還應提出必要的驗證依據。從總體上來看，應確保結構抗震性達到三水準要求。
2.2設計方法
（1）目標選定。實際在高層建筑結構抗震超限設計時，需要結合高度、設防烈度、超限高等進行性能目標選擇，綜合考慮結構建設成本、安全性等情況。結構延性變形受到超限程度影響，與結構承載力之間存在反比關系。在結構延性要求較低的情況下，結構設計需提出較高承載力要求，否則結構需要保持較高延性變形能力。針對建筑結構薄弱位置，應提高承載力和變形能力。按照《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ3—2010）規定，如果高度超出B級，關鍵和薄弱構件設計需要達到性能2的水平；如果存在多個不規則指標超限值，同時結構高超B級較多，重要部位需要達到大震不屈服水平[3]。超限值較小時關鍵構件可以達到性能3水平，高度超A級可以達到性能4水平，同時薄弱構件滿足彈塑性位移限值要求。（2）結構計算。在結構計算方面，需要實現構件性能水準要求量化，保證各指標達到要求。具體來講，就是要加強構件彈性承載力、屈服承載力的分析，在構件處于屈服狀態后應滿足受剪截面限制要求。（3）結構預期。完成結構抗震超限設計后，需要對結構抗震性能進行驗證，確定構件性能是否可以達到預先設定的性能水準要求。結構抗震性能包含4個性能水準，對應構件性能變化預期結果存在一定差異，如表2所示。運用結構計算方法加強結構承載力判別，完成不同水準下抗震性能的量化分析，能夠使構件達到理想狀態，繼而使結構超限設計達到抗震設防要求[6]。在整體結構抗震性達到要求后，需要采用超限處理措施對薄弱或關鍵部位進行適當加固處理。結合以往工程經驗可知，針對柱和剪力墻應保證正面承載力、抗剪承載力均能達到中震要求，使結構保持一定屈服性能和彈性模量。結構豎向和水平分布筋底部配筋率至少達到0.4%，邊緣構件約束筋至少達到1.2%，體積配筋率至少為1.8%[7]。在雙層樓板的雙向布置中，薄弱部位單層配筋率至少為0.25%，抗剪力和抗拉力達到中震要求。針對錯層連接位置，還應保證箍筋和腰筋的配筋率至少分別達到0.5%和0.4%。
3高層建筑結構抗震超限設計的實踐研究
3.1工程概況
某高層辦公樓建筑高150m，面積為4.6萬m2。地上部分共33層，2～20層和22～32層為辦公層，層高分別為3.8m和5.4m；首層和最頂層為商用層，層高5.4m；中間層為避難層和設備層，層高3.0m。建筑地下部分2層，層高4m，為地下室、設備間和停車庫。工程采用框架核心筒結構，同時承受風力、豎向力與地震作用帶來的水平剪切力。其中，核心筒是主要承力結構，承擔抗側力、基底剪力和傾覆彎矩帶來的作用力，框架為次要承力結構。在上部結構設計中，首先需要完成高度超限設計。由于建筑高超過了A級建筑最大高度限值的15%，未達到B級高度限值，因此為B級高層建筑，在結構抗震超限設計方面需達到相應的性能目標，如表3所示。實際在超限設計中，可以利用SATWE和MIDASGEN軟件完成多遇地震作用下的結構彈性分析，利用時程分析法完成補充計算，開展結構靜力彈塑性分析，完成結構抗震性驗證。針對建筑底部結構，還應加強剪力墻在地震作用下的抗剪力分析，確認能否滿足不屈服和截面剪應力要求。在建筑樓板位置，存在較大開洞，且局部位置不連續，容易導致部分遷躍層柱產生。針對薄弱位置進行抗震性分析，還應利用軟件程序將樓板假定為彈性板，然后確定柱剪力能否達到普通柱設計要求。
3.2結構設計
從地質勘察結果來看，其地質條件良好。土層分布依次為黏土、強風化泥巖和中風化泥巖，厚度分別為5.9～11.1m、3.1～5.8m、≥5m，承載力分別能夠達到280kPa、380kPa、800kPa，抗浮水位在地下1m以下位置。在基礎設計方面設置人工挖孔嵌巖樁，將中風化泥巖當成是持力層，樁端進入深度至少為樁徑的0.4倍。在單樁布置過程中，需要完成承載力試驗?？蚣苤捎靡恢粯恫贾梅绞?，柱底最大軸力為27000～36000kN。核心筒豎向荷載為建筑重力的50%，基礎底部軸力達435000kN。布置16根樁，單樁承載力達到27500kN。主體結構底板厚為2.1m，其余位置為0.6m，采用C35混凝土，樁與筏板間基礎梁為0.6m×1.2m，保證結構整體性。在上部結構設計中，首先需要完成高度超限設計。由于建筑高超過了A級建筑最大高度限值的15%，未達到B級高度限值，因此為B級高層建筑，在結構抗震超限設計方面需達到相應的性能目標，如表3所示。實際在超限設計中，可以利用SATWE和MIDASGEN軟件完成多遇地震作用下的結構彈性分析，利用時程分析法完成補充計算，開展結構靜力彈塑性分析，完成結構抗震性驗證。針對建筑底部結構，還應加強剪力墻在地震作用下的抗剪力分析，確認能否滿足不屈服和截面剪應力要求。在建筑樓板位置，存在較大開洞，且局部位置不連續，容易導致部分遷躍層柱產生。針對薄弱位置進行抗震性分析，還應利用軟件程序將樓板假定為彈性板，然后確定柱剪力能否達到普通柱設計要求。
3.3性能分析
對超限設計得到的結構進行抗震性分析，需要從軟件中調取不同力學模型分別計算。采用不同模型分析得到的結果大致相同，如表4所示。在建筑底部位置，出現了最大位移比達1.23的情況，而規范限值為1.2。出現這種情況，主要是由于底部發生的位移較小，造成了扭轉規則結構的產生。由此可見，建筑底部剪重比無法達到性能要求，還應按最小值對層剪力進行調整。結合建筑場地特性完成2條地震波的選擇，通過時程分析可以發現，基底剪力超出反應譜的65%，選擇3條則將超過80%。通過振型分解可以發現，頂部樓層剪力出現超限情況。在中震作用下展開分析，能夠得到最大的地震影響系數為0.23，X向最大層間位移角在25F，數值為1/292，Y向也在25F，為1/300。從頂點最大位移值來看，X向和Y向分別為383.4mm、400.5mm，底部各關鍵和薄弱部位能夠達到抗震性要求。在大震作用下展開分析，需要利用SATWE完成靜力彈塑性分析，加強結構塑性鉸形成規律把握，繼而使豎向構件抗震性得到較好反映。遭遇罕遇地震結構墻肢剪力與抗剪承載力的比值均比1大，因此能夠滿足結構抗震性能要求。在地震作用加載過程中，初期連梁最早發生塑性鉸，剪力墻并未發生損傷。持續進行罕遇地震作用，局部剪力墻發生塑性損傷，主體墻肢并未損傷。樓層混凝土柱也未出現塑性狀態，能夠保持彈性，剛度無明顯變化。因此從總體上來看，除了建筑底部和樓板的局部位置，工程其他結構均能滿足抗震性要求。
3.4超限加強
在超限設計中，還要在保證結構安全的基礎上實現各指標量化，保證結構設計的經濟性與安全性。結合結構性能分析結果，針對底板和樓板局部發生的超限問題，還要采取相應超限加強措施，以免結構的安全性受到影響。針對樓板局部不連續的位置，還應將厚度增加至150mm，使配筋率至少達到0.25%。針對躍層柱位置，需要加強中震彈性設計優化。針對建筑底板結構，還應采用增設型鋼方法提高加強區混凝土柱結構穩固性。將該措施延伸至基礎頂，能夠使加強區豎向抗側力得到提高。針對核心筒底部加強區位置，還應實施高度延伸，達到0.25軸壓比的位置。結合不同抗震目標對不同位置采取超限措施，通過抗震性計算可以發現，最終結構能夠獲得良好抗震性能。
4結論
在高層建筑結構抗震超限設計中，考慮到結構抗震性能狀態復雜，為保證建筑結構可靠性，要對容易產生較大內力和變形的薄弱部位進行超限分析。針對不同部位的結構，還要做到合理選定性能目標，然后采取相應的抗震加固措施，促使結構整體擁有較好抗震性能。從工程設計實踐來看，加強各項性能指標的精確分析，能夠實現合理超限設計，最終使結構的經濟性和安全性同時得到保證。
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作者:何雄彬 單位:中交廣州水運工程設計研究院有限公司
