【摘 要】以某复杂高层办公楼的结构抗震设计为例，运用结构抗震的概念设计原理，分析了结构体型的不规则情况，从结构体系的确认到结构计算及内力分析，提出针对超限的一些措施，阐述了自己的见解。
【关键词】复杂高层建筑结构；抗震概念设计；体型不规则；转换层
1、引言
随着国内城市经济的迅猛发展，高层建筑已成为衡量城市现代化的一种标志。建筑师们在追求独特的外观造型、强烈的视觉效果和多变的内部使用空间的过程中，高层建筑渐渐向着体型复杂、功能多样的综合性发展，与此同时，此类结构上不规则（甚至是特别不规则）的建筑使结构设计面临不可避免的巨大挑战：受力及传力途径较复杂、较易形成刚度突变的薄弱层、抗震性能较差、结构分析和设计方法复杂化。
2、工程概况
笔者曾于2010年初完成某项复杂高层工程的设计工作，现已施工至尾声，反应良好，在此略谈感受。这是一座19层的框架-剪力墙结构，建筑高度69.90 m。该工程地下设置一层停车库，其中局部设置地下夹层作为非机动车库，地上有四层裙楼为框架结构，6～19层为主楼标准层，由6层处设置水平桁架转换连接两座刚度相差较大的建筑单元组成。本工程抗震设防类别为丙类，结构的安全等级为二级，地基基础设计等级为甲级，场地地震设防基本烈度为6度，设计地震分组为第一组；场地类别为Ⅲ类，特点周期为0.45s，多遇地震影响系数最大值为0.04。
3、超限情况的分析和结构的布置
如上左图示，为转换层下层的平面简图；如上右图示，为转换层平面简图。显然，由于存在转换层，可确定该工程为复杂高层建筑结构。对照《抗规》及《高规》，发现该工程满足其所述的多项不规则：1.考虑偶然偏心的扭转位移比大于1.2，扭转不规则；2.建筑平面形状复杂，L形尺寸较大，平面凹凸不规则；3.构件间断，竖向抗侧力构件不连续；楼层承载力突变，侧向刚度不规则。其中三项竖向结构不规则是由五层以下楼层使用功能不同，建筑立面的要求所造成的“先天不足”。 考虑通过以结构构件的承载力、刚度和延性为主导的抗震概念设计来进行总体结构布置，附加一系列的构造加强措施，我们是可以弥补如此的“先天不足”的。由此，首先确定本工程结构体系为-框架-剪力墙结构，上部局部连接部分结构采用了不利于抗震的框支+水平型钢混凝土桁架结构形式来转换。
4、结构分析信息
a.计算软件
本工程结构的整体计算采用《高层建筑结构空间有限元分析与设计软件SATWE》（2008版）和《特殊多、高层建筑结构分析与设计软件PMSAP》（2008版）。
b.结构计算主要结果
（1）计算得到的前6阶模态的振动周期结果列于下表。
5、计算结果分析
a.反应谱法计算结果分析
本工程采用振型分解反应谱法计算时，两种程序（SATWE、PMSAP）的计算结果基本上是一致的，没有出现原则性冲突的结果。两者计算的结构刚度略有差别。结构的层间位移角曲线在转换层处均有突变。
（1）结构X、Y两向的扭转位移比1.00<μ<1.40，结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比均小于0.85，X、Y两向最大层间位移角<1/800（框支层1/1000），满足《高规》第4.3.5和4.6.3条规定要求；
（2）采用satwe和pmsap两种软件进行整体内力位移计算，考虑平扭耦联计算结构的扭转效应，分析振型取用24个，振型参与质量大于总质量的90%，采用弹性时程分析法进行补充计算，满足《高规》第5.1.13条规定；
（3） 楼层抗剪承载力及与上层承载力比值，pmsap：最小值为x方向0.85，y方向0.85， satwe：最小值为x方向0.87，y方向0.86，满足《高规》第4.4.3条规定；
（4）转换层上、下等效侧向刚度比：本工程根据《高规》附录E.0.2条采用剪弯刚度算法计算楼层刚度比。Pmsap：X方向转换层下部（第7层）刚度=0.717E+08，X方向转换层上部（第8层）刚度=0.451E+08，X方向刚度比=0.63；Y方向转换层下部（第7层）刚度=0.948E+08，Y方向转换层上部（第8层）刚度=0.507E+08，Y方向刚度比=0.53。X向刚重比EJd/GH?=10.89，Y向刚重比EJd/GH?=10.83，该结构刚重比EJd/GH?大于1.4，能够通过高规（5.4.4）的整体稳定验算， 该结构刚重比EJd/GH?大于2.7，可以不考虑重力二阶效应。Satwe： 转换层下部结构起止层号为2～7层，转换层上部结构起止层号为8～13层，X方向转换层下部刚度=0.1507E+ 08，X方向转换层上部刚度=0.1009E+08，X方向刚度比=0.6259；Y方向转换层下部刚度=0.1626E+08，Y方向转换层上部刚度=0.1015E+08，Y方向刚度比=0.5834。X向刚重比EJd/GH?=6.20，Y向刚重比EJd/GH?= 5.86，该结构刚重比EJd/GH?大于1.4，能够通过高规（5.4.4）的整体稳定验算， 该结构刚重比EJd/GH?大于2.7，可以不考虑重力二阶效应。
b.时程分析法计算结果分析
（1）单条时程曲线计算所得结构底部剪力与振型分解组合反应谱法（CQC）计算结果的比值，均大于0.65；三条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值与振型分解组合反应谱法（CQC）计算结果的比值均大于0.80，满足《高规》第3.3.5条规定要求。
（2）上部部分楼层时程分析法计算所得的楼层剪力曲线（平均值）大于CQC法的计算值。
SATWE计算结果 X向 Y向
地震作用下楼层层间位移角与相邻上一层层间位移角的1.3倍或上三层平均层间位移角的1.2倍较小值的比值（最大值）及楼层 0.87 （31层） 0.86
（37层）
楼层侧移刚度与相邻上一层侧移刚度70%或上三层平均侧移刚度80%的较小值的比值（最小值）及楼层 0.9591
（5层） 1.0070
（5层）
楼层与相邻上一层抗剪承载力的比值（最小值）及楼层 0.84
（1层） 0.86
（1层）
（3）时程分析计算所得的基底剪力平均值比考虑扭转耦联的振型分解反应谱求得的大。
（4）时程分析计算所得的位移、基底弯矩平均值均比考虑扭转耦联的振型分解反应谱求得的小。
6、针对超限情况采取的加强结构整体抗震性能主要措施
（1）比较时程分析与CQC（考虑扭转耦联振型影响的振型分解组合反应谱法）计算地震效应结果看：“上部部分楼层CQC计算结果偏小”。根据两者的差异情况，反过来通过调整“地震力放大系数”这个参数用CQC再次计算，保证结构计算的客观准确性。施工图设计时取两个程序计算得到的不利结果进行结构构件的设计。
（2）该工程的第六层为转换层，属于高位转换，层高3.6m，采用水平型钢混凝土桁架转换层，转换梁为普通钢筋混凝土，跨度13.8米，截面：上弦（七层楼面梁）为700mmx 1000mm， 下弦（六层楼面梁）为700mmx12 00mm，斜撑腹杆为型钢混凝土，截面700mmx700mm。首先考虑由于转换连接体为单跨，在转换梁间垂直方向均设拉结梁增强刚度，利于稳定。其次，通过将转换层以下剪力墙加厚或加长、框支柱截面加大的措施调整转换层上、下结构刚度比，使结构整体并不因为转换层的存在而产生较大的刚度突变。其三，根据《抗规》及《高规》确定各部位各构件的抗震设防等级， 框架、剪力墙抗震等级均为三级，托柱桁架、框支柱及与其相连的框架柱、框架梁和剪力墙抗震等级提高一级，转换层及其上下各一层框架和剪力墙抗震等级提高一级，均为二级，并适当提高配筋率。其四，按规范控制竖向受力构件（框架柱、框支柱及剪力墙）的轴压比限值，墙柱的混凝土强度等级沿楼高每隔5层由C45～C30呈阶梯变化；在施工图设计时梁柱节点和核心区必须密箍，使墙柱截面达到较好的延性和耗能能力，框支柱箍筋直径不小于12，全高加密。其五，总体计算时，采用分块刚度板假设，将两单元楼板连接薄弱部位楼板指定为弹性膜，并将该部位楼板加厚至150mm，真实计算其楼板刚度，板面板底钢筋双层双向全面贯通配置，提高配筋率。
7、结语
综上，尽管本工程存在平面不规则、扭转不规则及竖向抗侧力构件不连续的情形，但通过结构抗震的概念设计和一系列的计算调整和构造加强措施，可满足设计要求。（1）采用两个不同力学模型的空间分析程序即SATWE和PMSAP，主要控制计算参数结果均能满足规范的要求。施工图设计时取两个程序计算得到的不利结果进行结构构件的设计。
（2）根据工程场地地震安全性评价报告提供的场地地面加速度反应谱及常遇地震下的场地最大地震影响系数 与建筑场地的特征周期 ，对结构进行考虑扭转耦联的振型分解反应谱法分析。
（3）根据工程场地地震安全性评价报告提供的建筑场地的特征周期 和地面加速度峰值，选取二组实际地震记录（TH1TG045及TH3TG045）和一组人工模拟（RH1TG045）的加速度时程曲线，对结构进行弹性动力时程分析。
（4）结构的抗震措施严格按照规范、规程的要求，综合考虑对结构构件抗震等级、内力调整、剪压比、轴压比、结构材料等方面的加强措施，保证结构的安全性。
参考文献：
[1]JGJ 3-2002《高层建筑混凝土结构技木规程》（简称《高规》）
[2]GB 50011-2001《建筑抗震设计规范》 （简称《抗规》）
[3]《超限高层建筑工程抗震设防管理规定》 （建设部令第 111号）
[4]《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》 （建质 [2006] 220号）