高地震烈度區(qū)超高層建筑結構設計

鄭建波

(濱州學院 建筑工程學院，山東 濱州 256600)

1 工程概況

項目位于海南省海口市，總建筑面積22.8萬m2，包括4層地下室、46層主樓、20層附屬樓和4層商業(yè)裙房，建筑效果圖如圖1所示。主樓高度186.6 m，其中第17層、第31層和屋面層為避難層，建筑抗震設防類別為乙類，高寬比大于5.0，抗震設防烈度8度(0.3g)，設計地震分組為第一組，場地類別II類，根據(jù)地震安全性評估報告，場地多遇地震影響系數(shù)為αmax= 0.27，特征周期Tg=0.36。

結構選用設置防屈曲支撐和加強層的鋼框架-鋼筋混凝土核心筒結構體系，外框架四個角部設置防屈曲支撐，第17層和第31層設置結構加強層，并采用基于抗震性能化設計方法進行抗震設計，結構計算分析模型見圖2。

圖1建筑效果圖圖圖2結構計算模型

2 項目超限情況

根據(jù)《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》(JGJ3-2010)(簡稱高規(guī))、《建筑抗震設計規(guī)范》(GB50011-2010)(簡稱抗規(guī))、《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》(建質[2015]67號)，本工程主樓高度超限24.4%，為了控制結構的層間位移角滿足規(guī)范要求，增設了兩層加強層，導致結構豎向剛度和承載力發(fā)生突變，綜合判定本工程屬于復雜高層結構。

針對超限[1～3]情況，采取以下結構措施：加強層設置伸臂桁架和腰桁架(見圖3)，考慮節(jié)點連接和受力性能進行優(yōu)化設計、防屈曲支撐兼顧建筑美觀要求及可更換性，節(jié)點采用銷軸連接[4]。

防屈曲支撐在小震作用下保持彈性，中震時達到屈服，發(fā)揮其耗能作用，提高結構的安全性；加強框架部分結構抗震措施，提高其作為二道防線的作用，底部框架占結構總剪力約為10%～20%，以加強層為分割點將結構沿高度分為3段，每段按0.25Q0進行調整[1,3]；核心筒剪力墻X向墻體設置結構洞，利用連梁耗能以減少X向墻體的損傷；剪力墻軸壓比大于0.25的樓層設置約束邊緣構件；核心筒底部配置型鋼以實現(xiàn)中震下受彎不屈服；優(yōu)化X、Y向結構剛度，使兩方向的結構剛度相近；在外框架四角設置防屈曲支撐，提高框架二道防線作用，同時增強結構在大中震下的耗能能力。

圖3 加強層示意圖

3 抗震性能目標

根據(jù)《建筑工程抗震性態(tài)設計通則》進行結構抗震性能概念設計和性能評估，主樓高度略超B級高度限值，結構體型較規(guī)則且剛度和承載力無明顯突變，整體性能目標定為C級，抗震性能設計目標如表1所示。

表1 主樓抗震性能設計目標

由于主樓抗震設防類別為乙類，地震作用按設防烈度8度(0.3g)，抗震措施提高一度按9度，主樓結構抗震等級見表2。

表2 結構抗震等級

4 結構計算與分析

4.1 結構彈性分析

小震下的結構分析采用SATWE和ETABS兩個不同力學模型的空間結構分析軟件進行計算，根據(jù)計算數(shù)據(jù)對比分析內力結果，并驗證計算模型的合理性[5]。地下室頂板厚度取180 mm，采用現(xiàn)澆梁板結構，無大洞口削弱，地下室結構等效剪切剛度大于相鄰上部樓層等效剪切剛度的2倍，滿足規(guī)范嵌固端的規(guī)定要求，計算過程考慮扭轉藕聯(lián)效應、偶然偏心及雙向地震效應。根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范要求，周期折減系數(shù)取0.85，連梁剛度折減系數(shù)取0.70，結構整體阻尼比取0.05，梁剛度方法系數(shù)按規(guī)范要求取值[1]，計算結果見表3。

由表3可知：SATWE和ETABS的計算分析結果相近，說明建立的計算模型準確，符合結構整體的工作狀況，計算分析結果合理、可靠。以扭轉為主的第1周期與以平動為主的第1周期的比值均小于0.85，滿足現(xiàn)行高規(guī)的相關要求。樓層的最大彈性水平位移與該樓層兩端彈性水平位移平均值的比值的最大值為1.31，大于1.2，結構屬于扭轉不規(guī)則，應考慮偶然偏心的影響。

表3 結構彈性計算結果

根據(jù)高規(guī)第3.7.3條規(guī)定，按線性插值求得該項目樓層最大層間位移角不宜大于1/730。計算結果表明，主塔樓在風荷載和地震荷載作用下的層間位移角均滿足規(guī)范要求，風荷載效應遠低于多遇地震效應，多遇地震下的層間位移角亦有一定的富余量。底部框架承擔的地震剪力占樓層總剪力的10%～20%，按抗規(guī)8.2.3條要求，綜合分析結果，按0.25V0調整樓層剪力，加強層不做剪力調整。

4.2 中震大震彈性計算

為了確定中震作用下結構可能出現(xiàn)“可修”的損傷位置及大震作用下結構可能“倒塌”的破壞部位，同時為了明確結構可能的塑性發(fā)展水平，采用符合規(guī)范要求的中震反應譜和大震反應譜進行彈性反應譜分析[6]。

對于加強層伸臂桁架和腰桁架，考慮中震作用下加強層上下層樓板破壞嚴重退出工作的可能，在計算分析模型中僅考慮該兩層樓板10%的面內剛度，計算應力比見表4。

表4 伸臂桁架計算應力比

利用大型有限元軟件ABAQUS對伸臂桁架進行中震下的有限元分析：應力最大的區(qū)域出現(xiàn)在桁架的斜桿交匯處以及斜桿與柱交匯處，局部達到屈服應力370 MPa；斜桿應力分布均勻，應力水平在200 MPa，表明其受到的彎矩作用較小；上下鋼梁有較明顯的彎曲變形，最大應力出現(xiàn)在梁的根部，為315 MPa；最大應變的位置與應力云圖中最大應力位置是對應的，最大應變?yōu)?.001 3。在中震作用下，伸臂桁架基本處于彈性狀態(tài)。

整體計算結果表明：中震情況下，結構框架柱能夠滿足中震彈性的要求，達到了預先設定的性能目標；在核心筒底部剪力墻增設型鋼暗柱，以實現(xiàn)核心筒墻體中震不屈服的性能目標；在大震情況下，核心筒剪力墻有相當一部分已經(jīng)產(chǎn)生屈服；框架柱的抗剪未出現(xiàn)屈服，局部樓層框架柱抗彎出現(xiàn)了屈服；部分框架梁梁端發(fā)生屈服。根據(jù)大震不屈服驗算，可初步判斷本結構可實現(xiàn)“大震不倒”的設防目標。

彈性計算大震X向層間最大位移角為1/104，Y向層間最大位移角為1/111，基本滿足規(guī)范[1]要求。

4.3 罕遇地震動力時程分析

根據(jù)抗規(guī)對設計地震動的要求，選取三組地震波(兩組與該項目場地特性相近的天然波和一組人工波)，選取的地震波符合頻譜特性、有效峰值、持續(xù)時間等方面的要求，滿足底部剪力及高階振型的要求[2]。采用ABAQUS有限元分析軟件進行罕遇地震作用下的彈塑性時程分析[7]。結構豎向陣型出現(xiàn)比較晚，綜合考慮對結構施加X-Y雙向地震作用，主次方向最大加速度比值取1 ∶0.85，主方向地震加速度時程最大值為310 cm/s2。

表5給出了罕遇各地震下結構動力彈塑性時程分析結果。

表5 罕遇地震結構動力彈塑性分析結果

由表5可知，結構最大頂點位移1.29 m，為結構總高度的1/145；結構X向地震作用下的最大層間位移角出現(xiàn)在11層(1/101)，結構Y向地震作用下的最大層間位移角出現(xiàn)在28層(1/127)，均滿足規(guī)范規(guī)定的彈塑性層間位移角限值1/100的要求[1]?；准袅r程曲線見圖4，大震彈塑性與大震彈性的基底剪力比值范圍在0.4～0.63，說明罕遇地震作用下結構構件進入彈塑性狀態(tài)，結構整體耗能能力比較明顯。

4.4 結構構件損傷情況

4.4.1 剪力墻受損情況

圖5所示為核心筒主要墻體受壓損傷情況。X向主要墻體W1、W3受壓損傷主要集中于連梁附近墻體，大部分墻體受壓損傷因子在0～0.6。X向主要墻體W5～W7受壓損傷相對較大，其余墻體受壓損傷輕微。墻體受拉損傷范圍較廣，但墻體縱筋除在底部、加強層以上有局部小范圍的塑性應變外，大部分縱筋未進入屈服，且底部縱筋塑性應變以受壓為主。墻內型鋼除在底部、上下加強層附近及頂部有局部塑性應變外，其余均未進入屈服，且底部型鋼塑性應變以受壓為主。墻體水平筋有局部塑性應變，主要分布于暗柱附近，底部加強區(qū)基本無塑性應變。

圖4 基底剪力時程曲線圖

圖5 核心筒剪力墻受壓損傷情況

4.4.2 樓板受損情況

圖6為結構樓板受壓損傷情況。由圖6可見，結構各層樓板受壓損傷主要集中在加強層及其相鄰的上下兩層樓板范圍內，即15～18、29～32層樓板受壓損傷較嚴重；其余樓層樓板的受壓損傷比較輕微，受壓損傷多集中于核心筒范圍內。

圖6結構樓板損傷分布圖圖7加強層樓板損傷情況

加強層樓板受壓損傷分布情況見圖7，加強層上下樓板除沿伸臂桁架方向有局部較大受壓損傷外，其余位置受壓損傷因子在0～0.6，不影響結構剪力傳遞。

限于篇幅，結構樓板受拉損傷未列出，分析結果顯示，結構樓板受拉損傷程度比較嚴重，多數(shù)樓層樓板混凝土均出現(xiàn)不同程度的受拉損傷，但樓板鋼筋僅核心筒內局部樓板鋼筋出現(xiàn)塑性應變外，絕大多數(shù)樓板鋼筋均未達到屈服，處于彈性或彈塑性狀態(tài)。

5 結論

基于抗震性能設計方法，對高烈度地區(qū)超高層建筑進行結構設計和分析。通過多遇地震下的彈性分析以及罕遇地震下的彈塑性動力時程分析，結構各項指標符合現(xiàn)行規(guī)范的要求，中震作用下能夠滿足主要受力構件處于彈性或不屈服的抗震性能目標，罕遇地震作用下能滿足結構不倒塌的設防要求。

通過設置伸臂桁架加強層、防屈曲支撐，適當提高加強層相鄰上下樓層的抗震措施，保證了結構具有較好的抗震性能和延性，能夠達到既定的抗震性能設計目標，結構整體滿足三水準的抗震設防要求。

[1] 高層建筑混凝土結構技術規(guī)程: JGJ 3-2010[S]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社, 2011.

[2]建筑抗震設計規(guī)范(GB 50011-2010)[S]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社, 2010.

[3]超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點：建質[2015]67號[S]. 北京: 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部, 2015.

[4]咸慶軍, 賈承輝. 某超限復雜高層結構抗震性能分析與設計[J]. 建筑結構, 2016, 46(18): 62-65.

[5]梁中, 錢德玲. 超高層鋼筋混凝土框架-核心筒結構的抗震特性分析[J]. 工業(yè)建筑, 2014, 44(1): 462-466.

[6]熊輝霞, 張世海, 陳敬申. 罕遇地震作用下復雜高層建筑結構彈塑性分析[J]. 土木工程學報, 2012, 45(2): 125-128.

[7]章征濤, 裘趙云, 夏長春，等.某超高層框架-核心筒結構彈塑性時程分析[J]. 建筑結構, 2016, 46(2): 204-209.