某廣場-B座辦公樓超高層設(shè)計探討

王營濤 張小偉 周明

摘 要 結(jié)合一超限高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計分析過程中使用的分析方法，探討了針對于此類型超高層設(shè)計的分析思路，通過大量的軟件數(shù)據(jù)分析，針對性的采取了加強措施，確保建筑在地震作用下的抗震性能水平，為類似結(jié)構(gòu)設(shè)計提供一定的參考作用。

關(guān)鍵詞 超高層;性能設(shè)計;動力彈塑性時程分析

1工程概況

1.1 基本信息

該項目位于烏魯木齊市水磨溝區(qū)紅光山片區(qū)，會展大道東側(cè)，龍盛街以北，北鄰在建的‘紅星美凱龍家居世博廣場，南側(cè)為益民大廈，總建筑面積57819.34㎡。本項目地上共33層，由一棟塔樓組成。塔樓為33層辦公樓，主屋面高度為142.95米（地下一層臨空，計算高度已算至負(fù)二層頂板），屋面以上設(shè)備夾層、擦窗機軌道層及幕墻圍護，幕墻頂高度為147.45米。塔樓以4.05米層高辦公空間為主，避難層為3.9m層高，負(fù)一～三層為5.4米層高，四層為4.2米層高，其中負(fù)一層和一層局部為商業(yè)。本項目設(shè)四層地下室（結(jié)構(gòu)按地下三層計算，負(fù)一層地下室由于四面無土體約束按地上算并計入總高度），負(fù)二至負(fù)四層主要為汽車庫及設(shè)備用房。本項目為超限高層建筑工程，其超限情況簡要概述：結(jié)構(gòu)體系框架-核心筒結(jié)構(gòu)，建筑高度142.95，超B級高度（140m）限值。主要結(jié)構(gòu)分析軟件：①《YJK建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析和設(shè)計軟件》（V2020-2.0.3版）北京盈建科股份有限公司開發(fā)研制。②《PKPM-SAUSAGE 高性能彈塑性動力時程分析軟件》 中國建筑科學(xué)研究院廣州建研數(shù)力建筑科技有限公司開發(fā)研制[1]。

1.2 地震作用

根據(jù)國家規(guī)范有關(guān)規(guī)定，抗震設(shè)防的設(shè)計參數(shù)：①抗震設(shè)防基本標(biāo)準(zhǔn)抗震設(shè)防烈度：8度;設(shè)計基本地震加速度值：0.16g;②本工程考慮地震斷裂帶影響按0.16x1.1=0.176; ③建筑場地類別：Ⅱ類場地;④設(shè)計地震分組：第2組，Tg=0.40s;⑤水平地震影響系數(shù)最大值多遇地震：0.176，設(shè)防地震：0.495，罕遇地震：0.99;⑥振型分解反應(yīng)譜法按CQC法組合;⑦時程分析實際地震記錄（天然波）從天然波波庫選取，人工模擬加速度時程曲線從人工波波庫選取;⑧結(jié)構(gòu)阻尼比0.05;⑨地震波持續(xù)時間T>5T1且>15s;10.周期折減系數(shù)：0.80。

2結(jié)構(gòu)布局

2.1 概述

塔樓采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)，地上共33層，由一棟塔樓組成。塔樓為33層辦公樓，主屋面高度為142.95米，屋面以上設(shè)備夾層、擦窗機軌道層及幕墻圍護，幕墻頂高度為147.45米。塔樓以4.05米層高辦公空間為主，避難層為3.9m層高，負(fù)一～三層為5.4米層高，四層為4.2米層高，其中負(fù)一層和一層局部為商業(yè)。本項目設(shè)四層地下室（結(jié)構(gòu)按地下三層計算，負(fù)一層地下室由于四面無土體約束按地上算），樓蓋均采用現(xiàn)澆普通鋼筋混凝土梁板體系。

2.2 結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件信息（表1）

2.3 結(jié)構(gòu)計算嵌固端

本工程地下室頂板滿足以下條件：

（1） 負(fù)二層頂板無大開洞存在;地上結(jié)構(gòu)頂板采用普通現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu);樓板厚度為180mm，混凝土強度等級為C30，采用雙層雙向配筋，且每層每個方向最小配筋率為0.25%;

（2） 按剪切剛度計算的結(jié)構(gòu)地上一層側(cè)向剛度小于相關(guān)范圍地下一層側(cè)向剛度的0.5倍;且地下室周邊有與頂板相連的抗震墻;

（3） 地下室頂板對應(yīng)于地上框架柱的梁柱節(jié)點按《抗規(guī)》6.1.14條有關(guān)構(gòu)造要求進行設(shè)計。

由此判定：負(fù)二層頂板可以作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端。

3抗震性能目標(biāo)

3.1 抗震設(shè)防性能目標(biāo)

本項目的抗震設(shè)計在滿足國家、地方規(guī)范的規(guī)定和要求外，將根據(jù)相關(guān)規(guī)范，采用結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計方法。建筑抗震性能設(shè)計可以立足于承載力和變形能力的綜合考慮，具有很強的針對性和靈活性。針對具體工程的需要和可能，可以對整個結(jié)構(gòu)或某些部位及關(guān)鍵構(gòu)件，靈活運用各種措施達到預(yù)期的性能目標(biāo)[2]。

根據(jù)《高規(guī)》3.11.1、3.11.2條規(guī)定，結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計的要求，抗震設(shè)防性能目標(biāo)分為A、B、C、D四個等級，抗震性能分為1、2、3、4、5五個水準(zhǔn)。對于本工程項目，綜合考慮抗震設(shè)防類別、設(shè)防烈度、場地條件、結(jié)構(gòu)的特殊性、建造費用、震后損失和修復(fù)難易程度等因素，結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)擬采用D級;相應(yīng)的性能水準(zhǔn)如下表2-1所示。塔樓的結(jié)構(gòu)抗震性能水準(zhǔn)按下表2-2進行判別：

3.2 地震作用下的結(jié)構(gòu)分析方法

4多遇地震分析結(jié)果

結(jié)算結(jié)果指標(biāo)：

（1）結(jié)構(gòu)自震周期：T1=2.9399S T2=2.6604S? ?T3=2.3991S。

（2）樓層最大層間彈性位移角：風(fēng)X=1/2078（20F）風(fēng)Y=1/3491（17F），地震X=1/812（28F） 地震Y=1/1046（25F）。

（3）最大位移與層平均位移比：X=1.23 （1F） Y=1.28 （1F）。

（4）最大層間位移與平均層間位移比：X=1.23 （1F）? Y=1.28 （14F）。

（5）最小剪重比：X=3.525%? Y=13.52%。

分析結(jié)果表明在地震作用下，框架部分所占剪力均勻合理;框架部分最大剪力滿足大于結(jié)構(gòu)底部地震剪力的10%，滿足《高規(guī)》9.1.11條;各樓層框架柱剪力經(jīng)分段調(diào)整后均需滿足《高規(guī)》8.1.4條（0.2V0調(diào)整）。剪力墻下部承受很大的剪力，向上逐漸減小，到頂部時剪力墻承受負(fù)剪力;框架與剪力墻部分在頂層剪力相反，框架部分和剪力墻部分在頂層有相互作用的集中力，表明結(jié)構(gòu)有良好的框剪共同作用的力學(xué)性能。計算結(jié)果表明，框架部分能夠形成有效的二道防線，結(jié)構(gòu)設(shè)計基本合理;同時，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，對框架作相應(yīng)的剪力調(diào)整，尤其是底層，擬參照框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系的要求對框架剪力作加強調(diào)整。

5設(shè)防烈度地震作用下分析

5.1 中震驗算的主要對象

結(jié)構(gòu)在設(shè)防地震下，整體剛度及組成結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件的承載力，包括關(guān)鍵構(gòu)件（如加強層伸臂、支撐伸臂作用的周邊環(huán)帶結(jié)構(gòu)及豎向支撐構(gòu)件、承托上部多個樓層框架柱的腰桁架，底部加強區(qū)重要的剪力墻），普通豎向構(gòu)件（一般剪力墻、柱），耗能構(gòu)件（連梁、框架梁）。本工程性能設(shè)防目標(biāo)為D級，根據(jù)《高規(guī)》3.11.1結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)為在多遇地震下應(yīng)滿足第1性能水準(zhǔn)的要求，在設(shè)防地震作用下應(yīng)滿足第4性能水準(zhǔn)的要求，在預(yù)估的罕遇地震作用下應(yīng)滿足第5性能水準(zhǔn)的要求[3]。

5.2 設(shè)防烈度（中震）構(gòu)件承載力驗算

根據(jù)性能目標(biāo)，針對第二水準(zhǔn)（中震可修）下的中震組合效應(yīng)進行構(gòu)件承載力驗算。

構(gòu)件承載力驗算時，目前較為常見的技術(shù)手段有兩種：

一是“中震彈性”，即結(jié)構(gòu)在中震作用下，結(jié)構(gòu)承載力滿足彈性設(shè)計要求，計算時不考慮地震內(nèi)力調(diào)整系數(shù)，其他基本同抗震設(shè)計的第一階段（小震彈性），采用與小震時相同的作用分項系數(shù)、材料分項系數(shù)和抗震承載力調(diào)整系數(shù)，材料強度取設(shè)計值，不考慮風(fēng)荷載參與組合。二是“中震不屈服”，即采用振型分解反應(yīng)譜法計算地震效應(yīng)，取消內(nèi)力調(diào)整，荷載和地震作用分項系數(shù)取1.0（組合值系數(shù)不變），截面驗算采用材料強度標(biāo)準(zhǔn)值，不考慮抗震承載力的調(diào)整，且不考慮風(fēng)荷載參與組合，考慮到中震不屈服驗算時有部分構(gòu)件出現(xiàn)抗彎屈服，參考抗震規(guī)范的相關(guān)建議，適當(dāng)調(diào)整結(jié)構(gòu)阻尼比為0.06。

5.3 各構(gòu)件在中震的作用下，其抗震性能如下所述：

（1）連梁在中震作用下，部分出現(xiàn)抗彎屈服，通過連梁剪壓比計算結(jié)果統(tǒng)計來看，連梁剪壓比在一定富裕，可以滿足預(yù)定抗震性能目標(biāo)。

（2）框架梁在中震作用下，少部分框梁出現(xiàn)輕微抗彎屈服，通過框架梁計算結(jié)果來看，框架梁抗剪承載力存在很大富裕，可以滿足預(yù)定抗震性能目標(biāo)。

（3）剪力墻在中震作用下，均能滿足中震抗彎抗剪不屈服的要求，其中抗剪承載力具有一定的富余。

（4）框架柱抗彎抗剪滿足中震不屈服，特別是抗剪承載力具有較大的富余。

（5）底部加強區(qū)的筒體邊部墻體在中震下存在偏心受拉，拉應(yīng)力已大于混凝土的抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值，故增設(shè)型鋼加強。

通過中震分析，結(jié)構(gòu)體系中豎向構(gòu)件在中震下基本保持著良好的工作性能，而水平構(gòu)件中——框架梁和作為結(jié)構(gòu)主要的耗能構(gòu)件的連梁在地震作用下出現(xiàn)部分受彎屈服，但不嚴(yán)重，抗剪存在一定富裕，均可滿足中震不屈服的要求。本結(jié)構(gòu)的設(shè)計上保證了中震彈性及不屈服概念的具體落實，也即實現(xiàn)了中震可修的性能水準(zhǔn)，同時，也體現(xiàn)了地震中各構(gòu)件的屈服順序基本上是首先耗能構(gòu)件的連梁和框架梁部分屈服，然后是剪力墻底部塑性鉸區(qū)的受彎接近屈服，框架柱則沒有出現(xiàn)屈服的情況，體現(xiàn)了框架作為二道防線的框剪結(jié)構(gòu)的特點。綜上所述，結(jié)構(gòu)可以滿足預(yù)定的中震性能目標(biāo)。

6罕遇地震作用下動力彈塑性時程分析

6.1 分析目的

《高規(guī)》第5.1.13條規(guī)定“B級高度的高層建筑、混合結(jié)構(gòu)和復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)，宜采用彈塑性靜力或彈塑性動力分析方法補充計算”。本工程屬于超過《高規(guī)》3.3.1-2中B級最大適用高度的一般不規(guī)則結(jié)構(gòu)，有必要了解結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的性態(tài)。

動力彈塑性時程分析方法可以考慮包括幾何、材料、邊界條件等各種復(fù)雜的非線性因素;還可以反映地面運動的方向、特性、持續(xù)時間的影響及地基和結(jié)構(gòu)相互作用以及分塊阻尼等問題。

作為傳統(tǒng)承載力設(shè)計方法的必要補充，動力彈塑性時程分析方法是一種直接基于結(jié)構(gòu)動力方程的數(shù)值分析方法，是將結(jié)構(gòu)作為彈塑性振動體系直接按照地震波數(shù)據(jù)輸入地面運動時的加速度，然后得到結(jié)構(gòu)在地面加速度隨時間變化期間內(nèi)的各個質(zhì)點位移、速度、加速度和構(gòu)件的內(nèi)力，通過給出結(jié)構(gòu)開裂和屈服的順序來發(fā)現(xiàn)應(yīng)力和變形的集中部位，來判別結(jié)構(gòu)的屈服機制、薄弱環(huán)節(jié)及可能破壞類型，通過設(shè)計加強措施來保證結(jié)構(gòu)具有較好的承載能力和延性，滿足罕遇地震性能目標(biāo)的抗震設(shè)防要求。

6.2 構(gòu)件性能目標(biāo)

《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）新增加了第3.11節(jié)——結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計，將結(jié)構(gòu)的抗震性能分為五個水準(zhǔn)，對應(yīng)的構(gòu)件損壞程度則分為“無損壞、輕微損壞、輕度損壞、中度損壞、比較嚴(yán)重?fù)p壞”五個級別。

鋼筋混凝土構(gòu)件除了考察鋼筋塑性應(yīng)變，還要考察混凝土材料的受壓損傷情況，其程度以損傷因子表示。剪力墻構(gòu)件由“多個細(xì)分混凝土殼元+分層分布鋼筋+兩端約束邊緣構(gòu)件桿元”共同構(gòu)成，但對整個剪力墻構(gòu)件而言，如下圖所示，由于墻肢面內(nèi)一般不滿足平截面假定，在邊緣混凝土單元出現(xiàn)受壓損傷后，構(gòu)件承載力不會立即下降，其損壞判斷標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)有所放寬?？紤]到剪力墻的初始軸壓比通常為0.5～0.6，當(dāng)50%的橫截面受壓損傷達到0.5時，構(gòu)件整體抗壓和抗剪承載力剩余約75%，仍可承擔(dān)重力荷載，因此以剪力墻受壓損傷橫截面面積作為其嚴(yán)重?fù)p壞的主要判斷標(biāo)準(zhǔn)。連梁和樓板的損壞程度判別標(biāo)準(zhǔn)與剪力墻類似，樓板以承擔(dān)豎向荷載為主，且具有雙向傳力性質(zhì)，小于半跨寬度范圍內(nèi)的樓板受壓損傷達到0.5時，尚不至于出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p壞而導(dǎo)致垮塌[4]。

6.3 罕遇地震作用下分析結(jié)論

為了更好地了解本項目在大震（50年超越概率為2%，2500年回歸期）作用下的結(jié)構(gòu)性能，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010）和《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3-2010）的要求，使用SAUSAGE軟件建立了非線性模型對結(jié)構(gòu)進行非線性時程分析。模型包括了所有的主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件，包括剪力墻、連梁、框架柱和框架梁。模型考慮了幾乎所有主要構(gòu)件的非線性。

盡管非線性時程分析耗時很長，而且還存在一些不足之處，但總體上來說，分析結(jié)果對于評價結(jié)構(gòu)在大震作用下的受力和變形是有指導(dǎo)意義的。分析的主要結(jié)果如下：

（1）結(jié)構(gòu)層間彈塑性層間位移角均小于規(guī)范限值要求（1/100），結(jié)構(gòu)主要抗側(cè)力構(gòu)件沒有發(fā)生嚴(yán)重破壞，局部構(gòu)件屈服但不會引起局部倒塌或危及結(jié)構(gòu)的整體安全，結(jié)構(gòu)具有良好的整體性，可滿足“大震不倒”的抗震性能目標(biāo)要求。

（2）部分剪力墻發(fā)生抗彎曲屈服，部分墻肢受剪屈服，但比例較小，不會出現(xiàn)整片墻肢的剪切屈服和破壞。

（3）框架柱未屈服。結(jié)構(gòu)具有較好的“強柱弱梁”體系。

（4）作為主要耗能構(gòu)件的連梁、框架梁，大部分樓層連梁及框架梁梁端進入彎曲屈服狀態(tài)，但均未發(fā)生剪切屈服，頂部一些樓層連梁、框架梁端率先彎曲屈服，再向底部、中間樓層發(fā)展;連梁普遍先于框架梁進入屈服狀態(tài)，且完成屈服時間也短于框架梁，結(jié)構(gòu)具有良好的多道防線和耗能體系。施工圖設(shè)計時將對核心筒連梁采取增加交叉斜筋、適當(dāng)提高連梁的配箍率及腰筋的抗震構(gòu)造措施改善抗剪延性。

結(jié)論：罕遇地震作用下各項設(shè)計控制指標(biāo)均滿足性能水準(zhǔn)5的抗震性能目標(biāo)[5]。

7抗震加強措施

（1）提高底部加強部位受彎和受剪承載力;在剪力墻底部加強部位及其上一層，設(shè)置約束邊緣構(gòu)件，加大該部位的配箍率。底部加強部位之上設(shè)置兩層過渡層，其配筋較非加強區(qū)適當(dāng)提高。

（2）底部加強區(qū)剪力墻分布筋配筋率按不小于0.5%控制，且同時滿足中震不屈服的抗剪承載力要求。

（3）對少量剪力過大的連梁，適當(dāng)提高連梁的配箍率及腰筋，以滿足強剪弱彎的抗震概念設(shè)計要求。施工圖設(shè)計時將對核心筒連梁采取增加交叉斜筋、適當(dāng)提高連梁的配箍率及腰筋的抗震構(gòu)造措施改善抗剪延性。

（4）在底部加強區(qū)（1～3層）混凝土主要受拉墻肢中按計算設(shè)置型鋼，以滿足墻肢抗拉、抗剪截面的要求，并進一步提高墻肢延性級抗震性能。

（5）設(shè)計時對豎向構(gòu)件按小震彈性和中震不屈服分析結(jié)果包絡(luò)設(shè)計。

（6）對躍層柱采用設(shè)置芯柱及提高抗震等級（特一級）的構(gòu)造方式提高其承載力和延性，對中庭樓板開洞處，采用加大板厚（150mm）并雙層雙向配筋，控制最小配筋率不小于0.3%。

（7）結(jié)論：通過以上計算分析和結(jié)構(gòu)措施，本項目可以滿足建筑功能和使用要求，抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)合理，滿足高規(guī)性能目標(biāo)的要求，具有良好的抗震性能。

參考文獻

[1] 陳昌和.高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計存在的問題及其對策[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計，2020（11）：878.

[2] 向發(fā)海.高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計存在的問題及其對策[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計，2020（10）：670.

[3] 曹永剛.高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計分析[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計，2020（8）：986.

[4] 凌致遠(yuǎn).高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計存在的問題及其對策[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計，2020（5）：686.

[5] 楊繼建，任紅偉.高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計存在的問題及其對策[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計，2020（3）：875.