某超限高層結(jié)構(gòu)的抗震性能分析與設(shè)計

胡時猛，張興杰，尤軍

（機械工業(yè)第三設(shè)計研究院 重慶400039）

1 工程概況

重慶銀行大廈工程位于重慶江北城片區(qū)A04-1/03地塊，處在新興的江北城CBD門戶位置。工程場地大部分地段基巖出露，場地類別為I1，設(shè)計特征周期為0.25s，抗震設(shè)防烈度為6度，為建筑抗震有利地段。本工程地上33層，地下4層，房屋總高度147.4m，地下室深度19.4m，結(jié)構(gòu)形式為框架—核心筒結(jié)構(gòu)，其中基頂至21層塔樓范圍內(nèi)的框架柱采用型鋼混凝土柱，裙房部分、塔樓21層及以上采用普通混凝土柱。建筑平面以雙框筒相連形成矩形平面，標(biāo)準(zhǔn)層平面尺寸約為63.6m×37.3m，雙框筒間凈距為14.4m，中間采用普通梁板體系連接。下圖分別為重慶銀行大廈標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面圖（圖1）和建筑剖面圖（圖2）。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面圖

圖2 建筑剖面圖

由于建筑需要，中央大廳2~4層（圖3）局部開洞，樓板不連續(xù)，導(dǎo)致Y向樓板基本斷開，且開洞面積大于樓層面積的35%，均不滿足《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點》的相關(guān)規(guī)定，屬于平面不規(guī)則超限。

圖3 樓板局部開洞示意圖

對此不規(guī)則的超限高層，在滿足“小震不壞，中震可修，大震不倒”的總體目標(biāo)下，對薄弱部位采用性能化的設(shè)計方法，提出具體性能目標(biāo)，采用不同軟件進行計算分析，包括彈性時程分析和靜力彈塑性分析等，并且配以合理的抗震構(gòu)造措施，定量地視線罕遇地震下的設(shè)防要求，保證結(jié)構(gòu)安全性。

2 抗震性能目標(biāo)

本工程在滿足國家、地方規(guī)范的基礎(chǔ)上，關(guān)鍵部位采用性能化的設(shè)計方法[5]，抗震設(shè)計控制目標(biāo)如表1所示。

3 整體結(jié)構(gòu)計算模型和地震波輸入

本工程采用SATWE（2010.7）作為主要整體計算分析設(shè)計軟件，PMSAP（2010.7）、ETABS（中文版 V9.7.1）作為輔助軟件進行分析對比。為了真實反映樓板開洞的影響，SATWE、PM SAP模型中，均將首層~五層樓板設(shè)為彈性板，在ETABS模型中，將首層~五層樓板設(shè)為殼元，考慮樓板平面內(nèi)外剛度。結(jié)構(gòu)嵌固端取在±0.000層，計算模型包括地下4層和地上34層（包括機房層），共38層。圖4為結(jié)構(gòu)整體計算模型。

圖4 結(jié)構(gòu)整體計算模型

本工程采用振型分解反應(yīng)譜法和時程分析法兩種方法計算多遇地震下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，結(jié)構(gòu)阻尼比取0.05。模型中考慮填充墻的影響，周期折減系數(shù)取為0.8。同時考慮到結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性，充分體現(xiàn)高階陣型對結(jié)構(gòu)的影響，取前36階振型的效應(yīng)參與組合。

時程分析采用三條地震波，分別為人工波RH1TG001，1966年USA00106號波和1971年USA00466號波。參照該工程相鄰場地的地震安全性評估報告[3]，該場地多遇地震下地面加速度最大值為13.8cm/s2， 小于 《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[4](GB50011—2010)中多遇地震下地面加速度最大值18cm/s2。最終設(shè)計采用時程分析法主要計算結(jié)果包絡(luò)值和反應(yīng)譜計算結(jié)果之間的較大值。圖5為三條地震波的加速度時程曲線與加速度反應(yīng)譜曲線。

圖5 地震波加速度時程曲線與加速度反應(yīng)譜曲線

表1 抗震設(shè)計控制目標(biāo)

4 結(jié)構(gòu)整體分析計算結(jié)果

4.1 周期與振型

本工程取前36個振型進行地震計 算 分 析 ， 從 SATWE、PMSAP、ETABS三種結(jié)構(gòu)分析軟件的計算結(jié)果來看，第一、二周期均分別為X方向和Y方向的平動，第三周期均為繞Z軸的扭轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)的第一自振周期分別為4.120s，4.106 s和4.081 s。 PMSAP、ETABS與SATWE計算的第一周期的誤差分別為：-0.3%、-0.9%，計算結(jié)果基本一致。三種軟件計算的結(jié)構(gòu)質(zhì)量參與系數(shù)都大于90%，第一扭轉(zhuǎn)周期與第一平動周期比值均小于0.85，滿足規(guī)范要求。

4.2 位移和扭轉(zhuǎn)位移比

采 用 SATWE、PMSAP、ETABS三種結(jié)構(gòu)分析軟件，分別計算了結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載、規(guī)范反應(yīng)譜工況下結(jié)構(gòu)最大層間位移角和結(jié)構(gòu)最大層間位移比。在風(fēng)荷載作用工況下，三種軟件計算的x向最大層間位移角分別為1/2378（層19）、1/2581（層19）和1/2398（層19），y向最大層間位移角分別1/2423（層 15）、1/2435 （層 15）和1/2212（層15）；在規(guī)范反應(yīng)譜工況下，三種軟件計算的x向的最大層間位移角分別為1/2578（層19）、1/3021（層19）和1/3051（層19），y向的最大層間位移角分別1/1524（層15）、1/1560（層15）和1/1698（層15）；最大層間位移角均小于 《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中框架核心筒結(jié)構(gòu)彈性層間位移角1/800的限值。三種軟件計算的結(jié)構(gòu)最大層間位移比均不大于1.2，滿足規(guī)范小于1.4的要求。根據(jù)唯一計算結(jié)果，本結(jié)構(gòu)剛度較大，能很好的滿足抗側(cè)力要求。

4.3 剛度比分析

4.3.1 樓層剛度比

采用SATWE整體建模分析，不考慮土體約束，選用地震剪力與層間位移比算法，其首層樓層側(cè)向剛度與二層樓層側(cè)向剛度比：X向3.45>2，Y向2.14>2，滿足規(guī)范對嵌固條件的剛度比要求，故選取首層樓板作為整個結(jié)構(gòu)的嵌固層是合理的。同時SATWE、PMSAP及ETABS三種軟件整體計算的X、Y方向樓層側(cè)移剛度與上一層相應(yīng)側(cè)移剛度70%的比值或上三層平均側(cè)移剛度80%的比值均大于1，滿足規(guī)范要求。

4.3.2 薄弱層等效剛度比

由于結(jié)構(gòu)2~4層中央大廳上空，樓板不連續(xù)，2~4層樓板已不符平面內(nèi)無限剛的假定，樓層剛度已無實際意義。為計算薄弱層上下剛度比，近似采用《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[5]附錄E.0.3的方法，取薄弱層上下等效側(cè)向剛度比ye2。為準(zhǔn)確反映中央大廳開洞的影響，模型中僅保留塔樓范圍的構(gòu)件，采用MIDAS對裙房屋面層上下分別建立兩個模型，模型A（圖6）和模型B（圖7）。

表2 時程分析與反應(yīng)譜分析結(jié)果比較

圖6 模型A

圖7 模型B

模型A為1~5層，高度19.2m；模型B為5~9層，高度18m，滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》附錄E.0.3中要求上下兩個模型高度應(yīng)接近但比值不大于1的要求。模型中不考慮風(fēng)荷載、地震作用及附加恒、活載，樓板設(shè)置為彈性樓板。在模型A、B的頂部施加相同的水平力，計算得出X、Y向等效側(cè)向剛度比分別為0.88和0.91，均大于《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[5]限值0.8。由此可見，中央大廳開洞對剛度造成的削弱較小，樓層上下剛度變化基本平緩、均勻。

4.4 彈性時程分析

本工程采用ETABS軟件進行彈性動力時程分析，表2列出了時程分析與規(guī)范反應(yīng)譜分析結(jié)果的比較，同時圖8繪制出了時程分析法與反應(yīng)譜法計算的樓層層間位移角的對比。

圖8 時程分析法與反應(yīng)譜法計算的樓層層間位移角的對比

由彈性時程分析結(jié)果可知，每條時程曲線計算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力均大于振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的65%，三條時程曲線計算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力平均值大于振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的80%，因此，選用的地震波滿足規(guī)范相關(guān)要求。時程分析法與振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果顯示，二者計算的結(jié)構(gòu)反應(yīng)特征、變化規(guī)律基本一致，結(jié)果合理可信?；诹W(xué)概念和工程經(jīng)驗判斷，結(jié)構(gòu)整體性能合理。

4.5 靜力彈塑性時程分析

運用ETABS軟件對結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的彈塑性層間位移角比值進行簡化計算，形成能力譜曲線，通過性能點結(jié)構(gòu)頂點位移推算層間位移角，得到X、Y方向的彈塑性層間位移角分別為1/410和1/395，滿足規(guī)范小于1/100的要求。在罕遇地震作用下，筒體剪力墻連梁雖普遍出現(xiàn)裂縫，但絕對數(shù)量并不多，且開裂墻體在單層墻體數(shù)量看來所占比例不大，框架柱基本上沒有出鉸。因此，本工程主要抗側(cè)力構(gòu)件具有有限的塑性發(fā)育，但沒有屈服，滿足大震不屈服的要求。結(jié)構(gòu)具有足夠塑性變形能力和內(nèi)力重分布能力而不至于被破壞到臨界倒塌極限狀態(tài)。這些塑性發(fā)育較充分的開裂墻體應(yīng)當(dāng)采取增加配筋率等有效措施來適當(dāng)加強，盡可能地減少大震下的裂縫，確保主要抗側(cè)力構(gòu)件的后續(xù)耗能能力。

5 薄弱層樓板應(yīng)力分析

由于結(jié)構(gòu)2~4層有平面開大洞的情況，為準(zhǔn)確反映樓板應(yīng)力分布，采用殼單元模擬連接樓板，不考慮樓板的剛度折減，進行設(shè)防地震下的連接樓板平面內(nèi)拉力 （應(yīng)力沿板厚方向積分）分析。

圖9 2層樓板X方向分布力圖（kN/m）

圖10 4層樓板X方向分布力圖（kN/m）

圖11 4層樓板X方向分布力圖（kN/m）

圖12 5層樓板X方向分布力圖（kN/m）

圖9~圖12分別為2~5層樓板，設(shè)防地震下沿X方向的內(nèi)力分布圖。其中2~4層樓板厚度120mm，混凝土等級為C40，配筋為雙層雙向8@150，抗拉承載力為446kN/m。五層樓板厚度150mm，混凝土等級為C40，配筋為雙層雙向10@150，抗拉承載力為632kN/m。由下面應(yīng)力分布圖可見，各層開大洞附近樓板拉力均小于樓板抗拉承載力，說明樓板仍可保持彈性。

6 抗震設(shè)計措施

（1）2~5層薄弱部位框架梁按照中震 不屈服進行構(gòu)件設(shè)計，框架柱和剪力墻按照中震彈性進行構(gòu)件設(shè)計。

（2）通過合理的布置剪力墻，使結(jié)構(gòu)剛度中心與樓層質(zhì)量中心盡量接近，結(jié)構(gòu)的位移比、周期比均滿足規(guī)范的要求，側(cè)向剛度均勻變化，并在塔樓周圈設(shè)置加強環(huán)梁，增強結(jié)構(gòu)的抗扭轉(zhuǎn)性能。

（3）提高結(jié)構(gòu)延性，增加結(jié)構(gòu)在地震下耗能性能，滿足抗震設(shè)計要求，其一限制剪力墻、框架柱軸壓比，小于規(guī)范限值；其二提高筒體四角墻體暗柱配筋率及墻體分布筋配筋率等構(gòu)造措施；其三加強連梁等耗能構(gòu)件的上、下縱筋配筋率及箍筋配筋率設(shè)計。

（4）裙房屋面（五層樓板）處因剛度突變，為加強樓板剛度，取板厚不小于150mm，樓板配筋率不小于0.3%，雙層雙向配筋。中央大廳兩側(cè)及上方裙房屋面框梁加高加強，以提高裙房高度范圍結(jié)構(gòu)剛度和承載能力。

（5）首層至裙房屋面（五層樓板）存在大開洞情況，首層至五層樓板范圍內(nèi)的柱子箍筋采用全高加密措施，且箍筋間距≤100mm，同時提高墻體配筋率，該范圍內(nèi)筒外壁墻體分布筋配筋率達到0.7%，以提高墻柱抗剪承載力與延性。

7 結(jié)論

本工程為鋼筋混凝土高層建筑，裙房樓板存在局部大開洞情況，屬于超限高層，對此采取了相應(yīng)的概念設(shè)計，進行針對性的結(jié)構(gòu)計算分析，并結(jié)合有效的構(gòu)造措施，可以滿足結(jié)構(gòu)安全性要求，本結(jié)構(gòu)設(shè)計方案合理可行。

[1]徐培福,傅學(xué)怡,王翠坤等.復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005.

[2]徐建.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計常見及疑難問題解析[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2007.

[3]重慶市地震研究所.重慶江北嘴金融城2號工程建設(shè)場地地震安全性評估報告[Z].2010.6.

[4]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).建筑抗震設(shè)計規(guī)范GB50011—2010[S].

[5]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程JGJ 3—2010[S].