建筑结构抗震超限设计研究

文／严锐 安徽省建筑工程质量监督检测站有限公司 安徽合肥 230088

引言：

随着社会经济的快速增长，城市化进程脚步逐渐加快，城市建筑工程项目日益增多，在此情况之下，高层建筑逐渐出现，实现了对于城市土地面积的有效利用，但随着建筑层高的不断增加，对于抗震设计方面的要求也在持续提升。作为影响建筑使用安全的重要因素，加强对于建筑结构抗震超限设计的研究和分析是十分有必要的。

1.建筑结构抗震超限设计概述

地震作为一种不可预测性的自然灾害，有着极强的破坏能力。在实际展开建筑结构设计的过程中，需要充分考虑建筑可能遭遇地震情况的影响，采用超越常规设计限值的方式，以此确保在地震作用下，建筑功能仍然能够得到有效发挥，建筑结构的稳定性以及可靠性，符合相关安全要求，最大程度上减少地震作用对于建筑以及人员生命安全的影响，降低地震的破坏程度，提升建筑抗灾能力[1]。

2.工程概况

案例项目为某城市配套建筑工程项目，主要包括高层住宅、小学以及幼儿园，总建筑面积为512149.2 m2。此次针对其中住宅部分进行分析和探讨。该项目主要包括H型和M 型两种住宅建筑，详细情况尺寸如表1 所示。根据前期勘探，案例项目所处地区属于丘陵地带，地形地势起伏较大，并且建筑范围内存在地形突变情况。根据相关资料显示，案例项目拟建场地以及附近无区域性断裂情况。拟建场地工程地质由人工堆积而成，表层土为素填土，其下为粉质粘性土，工程项目基础采用人工挖孔灌注桩。

表1 建筑规格

3.抗震超限设计要点

（1）场地选择。选择有利于抗震的场地，避免地震时可能出现的山体滑坡、地面塌陷等不良地质条件[2]。（2）结构体系选择。选择具有良好抗震性能的结构体系，如框架-核心筒体系、剪力墙体系等。同时要合理分配结构的刚度和承载力，提高结构的整体性能。（3）构件设计。对于关键部位和构件，如框架梁、柱、剪力墙等，应采取加强措施，提高其抗震能力。同时要避免出现短柱、短墙等薄弱环节。同时，应加强对于构件材料选择，以及截面尺寸的设计，以提高构件的抗弯、抗剪、抗压等能力，全面保障构件稳定性以及可靠性。（4）阻尼设计。采用适当的阻尼设计，以减小地震作用下的结构振动和能量传递。例如，添加阻尼器或采用减震材料等，提高结构的耗能能力。此外，还需要优化阻尼设计，实现结构在地震作用下的动态响应控制。（5）施工要求。在施工过程中，应采取有效的措施，保证结构的整体性和稳定性。例如，合理安排施工顺序、加强施工质量控制等[3]。

4.结构体系与布置

建筑结构设计对于建筑功能、使用安全等有着直接影响，科学展开结构设计，加强建筑受力特征分析，不仅能够保障建筑结构的稳定性，提升延性变形能力，而且还能够确保结构设计性能达到目标要求，延长建筑使用寿命。

案例工程项目采用的是剪力墙结构，楼盖体系选用的是现浇钢筋混凝土梁板结构，要求结构嵌固端所在楼层的结构板厚度在180mm 以上，其余各层楼板厚度在100～350mm 之间。

为保障结构体系设计的科学性以及合理性，需要结合建筑情况，合理选择嵌固层。结合案例项目实际情况，最终将室外地面以下一层作为嵌固层。在综合考虑建筑的位移、层高以及压轴比等相关指标后，确定了案例项目建筑指标数据。其中H 型住宅楼剪力墙厚度在200～400mm 之间，M 型住宅楼剪力墙厚度在200～300mm 之间，混凝土结构强度详细情况如表2所示。

表2 剪力墙厚度以及混凝土强度等级

5.结构超限判别

根据相关标准规定要求，对超限高层建筑工程抗震设防展开专项审查，案例项目为7 度抗震设防烈度。首先，需要根据建筑结构类型，审查相应结构的高度。其次，当建筑不规则程度超过下述规则其中三项，则不论高度是否超过限定要求，都需要将其视为超限情况。

（1）扭转不规则，在建筑物结构中，扭转不规则通常是指楼板的扭转程度超过了规定的限制。当偶然偏心扭转位移比超过1.2，则视为扭转不规则。通过对扭转不规则的判别，可以促使设计人员对楼板的设计进行优化，降低扭转程度，确保建筑物的稳定。

（2）凹凸不规则主要指建筑物的立面、平面或空间造型存在较大的凹凸变化，凹凸不规则的判别有助于发现潜在的结构问题，提醒设计人员在设计过程中注意合理分布荷载，保证结构的稳定性。

（3）组合平面，在判别组合平面时，需要关注楼层间刚度、强度和稳定性等方面的变化，以确保建筑物在复杂受力条件下的安全性。

（4）楼板不连续，楼板不连续是指建筑物中楼板在某个方向上的连接性不足，可能导致结构整体性减弱。楼板不连续的出现可能会导致局部应力集中，进而影响整个结构的安全。在判别楼板不连续时，需要关注楼板的连接方式、材料性能和施工质量等方面，以确保楼板的稳定性和整体性。

（5）刚度突变，刚度突变是指建筑物在某个部位的刚度突然发生变化，可能导致应力分布不均和结构变形。在判别刚度突变时，需要重点关注建筑物的刚度分布、材料性能和结构变形等方面，以确保建筑物的安全性。当相邻层刚度变化在70%以上，或者连续三层刚度变化在80%以上时，也可认定为刚度突变。

（6）尺寸突变，尺寸突变是指建筑物在某个部位的尺寸突然发生变化，可能导致结构受力状态的改变。尺寸突变可能出现在建筑物的平面、立面和空间等方面。在判别尺寸突变时，设计人员应充分考虑尺寸变化对结构受力、刚度和稳定性的影响，以确保建筑物的安全性和稳定性[4]。

结合上述分析，以及案例项目实际情况，对建筑结构超限情况进行判别。发现H 和M 型高层住宅建筑的超限情况如下：（1）H 型建筑，存在扭转不规则、楼板不连续、尺寸突变超限的情况；（2）M 型建筑，存在扭转不规则、凹凸不规则、组合平面、楼板不连续，以及尺寸突变超限情况。因此，需要针对案例项目中，H1～H4 以及M1～M6 住宅建筑工程，分别展开抗震设防专项审查。

6.建筑结构抗震超限设计与计算分析

6.1 抗震设防要求

根据案例工程项目实际情况，在实际展开抗震设防超限设计之前，需要明确抗震设防的基本要求以及相关性能目标。根据相关建筑设计规范和标准可知，在实际展开建筑设计的过程中，抗震设防需要满足“小震不坏、中震可修、大震不倒”的要求。在多遇地震的情况下，建筑即便不进行维修，也可保障使用安全；在设防地震的情况下，应确保部件出现细小裂缝或者轻微损坏时，在经过修整之后，仍可正常使用；在罕遇地震的情况下，建筑结构构件出现明显损坏，但建筑不会倒塌，即便出现人员受伤事故，但不致命。案例工程项目中，高层住宅抗震等级均为二级。

在充分考量案例项目实际情况，以及工程特点和结构要求等方面因素后，明确各个构件的抗震性能目标，具体要求如下：（1）剪力墙底部加强区，要求在多遇地震的情况下，完好无损，设防地震轻度损坏，罕遇地震中度损坏；（2）非加强区剪力墙，要求在多遇地震的情况下，完好无损，设防地震轻度损坏，罕遇地震中度损坏；（3）剪力墙连梁，要求在多遇地震的情况下，完好无损，设防地震中度损坏，罕遇地震损坏严重；（4）框架柱，要求在多遇地震的情况下，完好无损，设防地震轻度损坏，罕遇地震中度损坏；（5）框架梁，要求在多遇地震的情况下，完好无损，设防地震中度损坏，罕遇地震损坏较严重；（6）薄弱部位楼板，要求在多遇地震的情况下，完好无损，设防地震轻度损坏，罕遇地震中度损坏；（7）其余部位楼板，要求在多遇地震的情况下，无损坏情况，设防地震情况下，损坏程度适中，在面对罕见地震时，可出现较为严重的损坏。

6.2 小震弹性分析

根据相关标准要求可知，在多遇地震的情况下，需要采用弹性时程分析的方式，展开补充计算，为超限处理和优化设计提供参考。对此，在实际计算分析的过程中，需要着重加强对于双向地震、偶然偏心等情况的分析和模拟。基于此，在实际展开计算的过程中，采用SATWE和EYABS 软件，针对水平地震、风荷载以及横活荷载等展开计算分析。案例项目底面粗糙度类型为B，体型系数为1.4，建立强抗震等级为二级，考虑偶然偏心，经过计算分析可知，案例项目建筑体型系数为1.4，结构阻尼比为0.05，最大影响力0.08，除此之外，还包括梁端负弯矩调整系数、梁设计弯矩放大系数、连梁刚度这间洗漱、结构重要性系数、恒荷载分项系数等。

经过模拟计算分析，得到M1 栋高层建筑的相关结论如下：（1）M1 栋高层建筑具备良好的扭转刚度以及抗扭能力；（2）在风荷载以及地震的作用下，计算结果限制，M1 栋高层建筑的层间位移角情况符合要求；（3）经过对各层地震剪力的调整，建筑剪重比满足规范要求；（4）偶然偏心作用下，经过软件模拟计算分析可知，建筑结构最大扭转位移比分别为1.26 和1.319，虽然超过了1.2，仍然满足标准规范，在该楼层平均值的1.4 倍以内；（5）侧向刚度计算方面，计算得到比值在1.24～1.36 之间，满足规范要求的0.9；（6）在均匀性分析方面，经计算，楼层层间抗侧力结构的受剪承载力，是上层的80%，这表明M1 栋高层建筑整体结构无薄弱层，符合建筑均匀性要求；（7）压轴比方面，剪力墙最大压轴比在0.5 以下，符合规范限值要求。

案例项目建筑高度超过了100m，属于超高层建筑，根据相关规定要求，应展开弹性时程分析，作为补充计算。在此过程中，按照超越概率50年内63.2%，阻尼比为0.05取值进行分析。根据计算结果以及相关曲线图可知，案例项目建筑的时程分析结果符合规范要求。

6.3 中震弹性分析

结合案例特点，以及相关标准规范，对中震情况下的建筑结构中的主要抗侧力构件展开研究。此次计算的主要内容包括地震作用影响系数、特征周期等，详细参数如表3 所示。

表3 中震计算参数

中震作用下，按照0 度和90 度方向要求，分别展开构件承载力的验算分析，计算软件分别为PKPM 和ETABS。0 度情况下，中震作用最大层间位移分别为1/563（15 层）和1/491（15 层），地面以上基底剪力分别为14219.84 和12830kN，首层基底弯矩为768687.62 kN·m 和728500kN·m；90 度情况下，中震作用最大层间位移分别为1/539（21 层）和1/517（20 层），地面以上基底剪力分别为15405.47 和13230kN，首层基底弯矩为749590.50kN·m 和726400kN·m。

经过对M1 栋高层住宅楼内部受力情况的分析，最终确定楼板配筋率应控制为0.33%，才能够有效满足中震拉力要求，保障建筑抗剪承载力达标。为保障建筑结构的可靠性，案例项目中确定双向配筋率为0.5%，以此降低其他因素影响下，导致建筑结构不稳定情况发生的概率，进一步确保配筋合理，建筑抗震能力可靠、要求达标[5]。

6.4 大震静力弹塑性分析

为确保案例项目建筑结构，在大震作用下，不发生倒塌，在实际展开抗震超限设计的过程中，需要对大震精力弹塑性进行分析，采用软件程序，展开模拟。此次模拟计算的软件为pushover，该软件的主要运用优势在于，能够实现在多余地震下的弹性设计校核，同时也可模拟罕遇地震情况，帮助设计人员，明确建筑结构设计当中的薄弱环节，以此实现对于建筑结构设计的有效优化，和针对性加强，确保建筑功能、可靠性等达到规范要求和指定标准。

此次，模拟计算分析，需要分别进行非线性模拟和侧向力分布模拟，以此实现对于罕遇地震情况以及惯性力作用的有效模拟和分析。经过模拟分析，发现罕遇地震作用下，案例项目建筑无论是在X 轴方向还是在Y 轴方向上，其性能点处最大层间弹塑性位移角情况，均满足标准要求，能够有效保障建筑使用者的生命安全。此外，在模拟分析的过程中，地震作用加载初期，建筑当中的少量连梁会呈现出损坏情况，之后少数框架梁会体现出塑性铰，墙体出现小范围损伤情况，但并不会出现损伤持续扩大发展的问题，能够有效满足建筑性能要求，可达到建筑建设目标[6]。

6.5 超限处理措施

结合上述分析可知，在实际展开建筑结构抗震超限设计的过程中，为达到良好的抗震效果，以及抗震设防要求，需要结合模拟计算以及相关分析结果，针对建筑薄弱部位、重要部位进行合理优化和加强设计。具体抗震超限设计要点包括以下几个方面：

第一，根据计算分析结果，发现案例项目建筑结构剪力墙墙肢压轴比仍有一定优化空间，为进一步保障建筑抗震效果，需要将H1～H4 栋住宅建筑的压轴比孔子在0.5以内，M1～M6 的压轴比控制在0.6 以内。第二，加强对于剪力墙以及框架柱的设计，优化提升正截面承载能力，确保其能够满足中震弹性相关要求。第三，结合案例项目建筑结构特点，以及功能需求，要求加强对于墙身水平以及竖向钢筋分布情况，以及配筋率的设计，加强底部配筋，确保至少为0.4%。第四，合理提高薄弱部位的楼板厚度，采取双层双向配筋模式，确保单层配筋率至少为0.25%。第五，加强中震弹性设计优化，确保薄弱部位楼板的抗剪性能以及承载力等符合标准要求。第六，加强对于错层部位剪力墙厚度的优化设计，确保其至少为300mm，配筋率在0.4%以上。同时加强连梁箍筋配筋率控制，确保其在0.5%以上。

经过上述计算分析，以及建筑结构的优化调整，有效加强了建筑结构抗震超限设计，确保建筑结构在小震、中震情况下符合弹性要求，大震情况下也能够有效保障建筑内部使用人员的生命安全。根据验算分析结果可知，案例项目建筑结构满足规范要求，相关设计指标科学合理。在此基础上，针对薄弱部位，采取有效加强措施，能够进一步保障建筑结构设计质量效果，确保案例超限工程结构安全可靠。

结语：

综上所述，建筑结构抗震超限设计对于建筑工程建设质量，使用安全等有着直接的影响，是实际展开结构设计过程中的重要内容。在实际进行抗震超限设计的过程中，应加强对于工程项目实际情况的分析和了解，合理分析建筑结构体系与布置情况，确保墙体厚度以及材料选取科学合理，能够满足建筑项目建设目标和相关要求。此外，还需要对结构超限类型以及程度进行判别，并展开建筑结构抗震超限的设计与计算分析，明确抗震设防要求，依次进行小震弹性分析、中震弹性分析、大震静力弹塑性分析，最后还需要根据实际计算分析结果，合理进行结构设计的优化调整，采取有效超限处理措施。相信随着对建筑结构抗震超限设计的深入研究和实践探索，建筑结构设计水平和质量安全将会得到进一步保障。