某擬建超限超高層國際廣場結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析＊

劉 洪，黃首赟，馬克儉，馮獻(xiàn)慧，才 琪

(貴州大學(xué) 空間結(jié)構(gòu)研究中心，貴州 貴陽 550003)

本工程為B 級高度建筑，地面以上45 層，主要用于辦公，結(jié)構(gòu)高度為200.2 m;地面以下3 層，主要為停車庫及設(shè)備用房。在11，21，29 和37 設(shè)置了避難層和設(shè)備層。

圖1 建筑效果圖

圖2 建筑剖面圖

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限50 年，結(jié)構(gòu)安全等級為二級，抗震設(shè)防烈度為6 度，基本地震加速度為0.05 g，建筑抗震設(shè)防類別丙類，結(jié)構(gòu)高度為B 類;地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類，特征周期0.35;

1 結(jié)構(gòu)體系

根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的總高度、抗震設(shè)防烈度、建筑的功能等情況，本工程采用鋼筋混凝土框架－核心筒結(jié)構(gòu)形式。為提高結(jié)構(gòu)抵抗側(cè)向位移的性能，在電梯間核心筒及樓梯間位置設(shè)置了抗震墻，。由于考慮到本工程的總高度較高，為了提高豎向抗側(cè)力構(gòu)件的側(cè)向剛度，核心筒重要部分墻厚為850～450 mm，并在框架柱內(nèi)設(shè)置芯柱，以提高框架柱的延性。嵌固層確定為地下室頂板，該層樓板厚度為200 mm，采用雙層雙向配筋，配筋率為0.25%。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置圖

2 結(jié)構(gòu)超限類型和程度

本結(jié)構(gòu)高度200.200 m，鋼筋混凝土框架－核心筒結(jié)構(gòu)形式在6 度B 級高度時(shí)，規(guī)范規(guī)定適用的最大高度為210 m，本工程屬B 級高度建筑。31 層剛度小于上相鄰三層剛度平均值的80%，31 層剛度薄弱，結(jié)構(gòu)是豎向不規(guī)則的［1］［2］。

圖4 計(jì)算模型(PKPM 模型)

3 抗震性能設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)方案和結(jié)構(gòu)使用者要求選取，并采取措施以達(dá)到抗震性能目標(biāo)的要求;結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)如下表1:

表1 結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)

結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力設(shè)計(jì)要求見表2

表2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)要求

針對本工程結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和超限情況，本工程總體按性能目標(biāo)C 的要求設(shè)計(jì)，計(jì)算方法依據(jù)高規(guī)3.11 條所列各水準(zhǔn)的驗(yàn)算公式計(jì)算。結(jié)構(gòu)抗震性能水準(zhǔn)要求:在多遇地震時(shí)要求滿足第1 抗震性能水準(zhǔn)，在偶遇地震時(shí)要求滿足第3 抗震性能水準(zhǔn)，在罕遇地震時(shí)要求滿足第4 抗震性能水準(zhǔn);

4 靜力彈塑性分析

4.1 大震推覆介紹

推覆分析的目的是確認(rèn)結(jié)構(gòu)大震不倒的抗震設(shè)防目標(biāo)并找出結(jié)構(gòu)薄弱部位，并采取相應(yīng)措施加強(qiáng)薄弱部位。因此，結(jié)構(gòu)推覆前，先按小震計(jì)算配筋進(jìn)行推覆，確認(rèn)結(jié)構(gòu)體系是否合理;結(jié)構(gòu)推覆后，確定大震不倒目標(biāo)是否能實(shí)現(xiàn)，以及找出結(jié)構(gòu)薄弱部位并加強(qiáng)薄弱部位。按規(guī)范“大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)的要求，罕遇地震作用下采用EPDA＆PUSH 程序?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行PUSH-OVER 分析。

4.2 大震推覆結(jié)果

本工程即按照該分析流程，整體參數(shù)顯示，結(jié)構(gòu)體系能夠保證大震不倒的性能目標(biāo)，以下圖表為結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析結(jié)果。

表3 罕遇地震靜力推覆結(jié)果

4.3 大震推覆結(jié)果分析

1)罕遇地震作用下，在性能點(diǎn)處，0 度方向最大層間彈塑性位移角為1/345，90 度方向最大層間彈塑性位移角為1/271，均小于鋼筋混凝土框架－核心筒結(jié)構(gòu)層間彈塑性位移角限值1/100;符合《高層建筑混凝土技術(shù)規(guī)程》第3.7.5 條的規(guī)定，建筑物可實(shí)現(xiàn)既定的C 性能目標(biāo)。

2)結(jié)構(gòu)在加載開始時(shí)，少數(shù)連梁出現(xiàn)屈服，之后有極少數(shù)框架梁出現(xiàn)塑性鉸，在性能點(diǎn)處時(shí)墻體出現(xiàn)拉彎狀態(tài)。經(jīng)驗(yàn)算，墻體混凝土未出現(xiàn)屈服，處于彈性狀態(tài)。

3)各個(gè)方向推覆下，底部剪力墻出現(xiàn)拉彎狀態(tài)，但混凝土抗拉不屈服，且不存在受剪破壞。

圖5 0 度方向罕遇地震分析的PUSH-OVER 性能曲線

圖6 主方向罕遇地震塑性鉸圖

4)根據(jù)之前制定的性能目標(biāo)，大震保證加強(qiáng)部位不屈服，為保證墻體拉剪狀態(tài)的性能，在施工圖階段提高墻體分布筋配筋率，將底部加強(qiáng)部位的墻體分布筋配筋率提高至0.5%，確保加強(qiáng)部位大震安全。

5)根據(jù)X、Y 向推覆結(jié)果發(fā)現(xiàn):第二避難層附近混凝土裂縫有所增加;由于存在鞭梢效應(yīng)，塔樓頂部裂縫有所增加。在后期施工圖中，第二避難層及上下2 層以及塔樓頂部墻體提高水平和豎向分布筋最小配筋率至0.40%。

5 動力彈塑性分析

5.1 動力彈塑性分析介紹

結(jié)構(gòu)在大震作用下出現(xiàn)較大的塑性變形是允許的，但應(yīng)將變形位移限定在規(guī)范規(guī)定范圍內(nèi)，以防結(jié)構(gòu)傾覆倒塌。根據(jù)抵抗地震設(shè)防目標(biāo)，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性動力分析，主要了解塔樓結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的彈塑性性能，包括基本參數(shù)和破壞過程。

5.2 地震波的選取和計(jì)算結(jié)果

根據(jù)地震波的選取原則，通過試算選取三條地震波對結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力時(shí)程計(jì)算分析。分析中采用雙向地震輸入，主次方向地震波峰值比例為1 ∶0.85。按照規(guī)范要求，主方向地震波最大值調(diào)整為125 cm/s2。

5.3 塑性鉸的分布情況

考慮到Y(jié) 方向剛度相比于X 方向較弱，故選主方向?yàn)閅 向的情況加以說明。通過樓層鉸分布圖可以看出:框架柱未出現(xiàn)塑性鉸;大部分框架梁出現(xiàn)塑性鉸，尚有小部分梁端未出現(xiàn)塑性鉸;底部加強(qiáng)部位的框架柱未出現(xiàn)塑性鉸。

表4 結(jié)構(gòu)整體計(jì)算結(jié)果匯總

5.4 彈塑性動力分析結(jié)論

罕遇地震作用下，彈塑性時(shí)程分析過程收斂，結(jié)構(gòu)最大層間位移角1/245，小于抗震性能目標(biāo)限值:1/200 鋼筋混凝土(框架－核心筒結(jié)構(gòu));滿足“罕遇地震不倒”的基本要求。［3］

構(gòu)件性能評估

圖7 主方向最大層間位移角曲線

圖8 標(biāo)準(zhǔn)層鉸分布(USER3)

圖9 CD軸立面剪力墻裂縫和梁、柱塑性鉸分布圖

核心筒位置的連梁上是塑性鉸主要分布的地方，結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下，剪力墻加強(qiáng)區(qū)域及框架柱未產(chǎn)生塑性鉸。承載力滿足要求，并在彈性工作狀態(tài)，結(jié)構(gòu)滿足“強(qiáng)墻肢弱連梁”。

結(jié)構(gòu)在罕遇地震時(shí)無明顯的薄弱層，也沒有明顯薄弱部位。頂部位置由于鞭梢效應(yīng)，位移角有變化。整個(gè)結(jié)構(gòu)變形值滿足規(guī)范限值，保證結(jié)構(gòu)具有足夠的延性。抵御傾覆能力達(dá)到要求，滿足“大震不倒”的設(shè)計(jì)目的。

需要注意的是結(jié)構(gòu)在大震作用下，核心筒底部出現(xiàn)拉彎狀態(tài)，為保證核心簡的抗震性能目標(biāo):大震不屈服，底部加強(qiáng)部位核心筒墻體分布筋配筋率提高為0.5%。延伸至嵌固端下一層，確保加強(qiáng)部位大震安全。

通過推覆和動力彈塑性分析，可以看到第二避難層附近由于層高變化，上下墻體不連續(xù)等因素造成高斯點(diǎn)和裂縫增多，是需要特別加強(qiáng)的部位。

6 超限處理主要措施

針對性技術(shù)措施:

1)適當(dāng)提高豎向構(gòu)件的抗震安全儲備，框架柱承載力按偶遇地震彈性設(shè)計(jì)控制，剪力墻承載力按罕遇地震不屈服控制。

2)底部加強(qiáng)部位框架柱設(shè)置芯柱，以增加結(jié)構(gòu)剛度和提高框架柱延性，柱箍筋全高加密。

3)框架柱縱筋配筋率提高到1.2%以上，在底部加強(qiáng)區(qū)域，底部墻的垂直和水平分布筋不少于0.50%的最小配筋率。

4)核心筒外筒剪力墻墻肢設(shè)置約束邊緣構(gòu)件。

5)剛度薄弱的12 層、31 層及相鄰兩層按中震彈性和小震放大1.25 倍地震力的包絡(luò)設(shè)計(jì)配筋，同時(shí)保證豎向構(gòu)件大震不屈服。

6)加強(qiáng)地下室頂樓板傳遞剪力的能力，板厚加厚至200 mm，配筋率0.25%。［4］

7 結(jié)論

總結(jié)全文可知，在抗震設(shè)計(jì)中，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了彈性、彈塑性計(jì)算分析，除保證結(jié)構(gòu)在多遇地震下完全處于彈性階段外，還補(bǔ)充了關(guān)鍵構(gòu)件在偶遇地震和罕遇地震下的驗(yàn)算。計(jì)算結(jié)果表明，多項(xiàng)力學(xué)性能均表現(xiàn)良好，基本滿足規(guī)范的規(guī)定。

［1］住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)［R］.(建質(zhì)［2010］109號).

［2］JGJ 3－2010.高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社.

［3］JGB50011－2010.建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社.

［4］Jonathan Kerry.麥慧琳，蘇國柱，等.北京國銳金嵿A，B 座塔樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2014，44(24)54－58.