某超限高層結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計及分析

杜曉東 （安徽省建筑設(shè)計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230601）

1 工程概況

本工程是集酒店、辦公樓、商業(yè)及住宅于一體的大型綜合項目。本工程包含T3塔樓、T4塔樓及C4商業(yè)，總建筑面積378602.36m2，其中T3塔樓地上建筑面積82604.49m（9層及以上不計避難區(qū)），T4塔樓地上建筑面積67589.59m（9層及以上不計避難區(qū)），C4商業(yè)地上建筑面積105723.22m，地下車庫總建筑面積108646m。T3塔樓52層，建筑總高240.2m（包括構(gòu)架）；T4塔樓49層，建筑總高226.4m；C4商業(yè)為7～8層商業(yè)裙樓，7層商業(yè)部分高38.4m，8層電影院部分高50.3m。T3塔樓、T4塔樓、C4商業(yè)三部分在地下由四層地下室連為一體，地上設(shè)變形縫斷開，T1塔樓為待建項目，如圖1所示。兩棟塔樓體型相近，結(jié)構(gòu)布置形式相似，T3塔樓層高較高，本文以T3塔樓為例進(jìn)行介紹分析。

圖1 項目概況圖

工程所在地區(qū)的抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計地震分組為第一組，基本地震加速度為0.10g。本工程設(shè)計年限為50年，抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類，結(jié)構(gòu)的安全等級為二級，建筑場地類別Ⅱ類，場地土特征周期Tg=0.35g，為一般抗震地段。依據(jù)荷載規(guī)范[1]相關(guān)規(guī)定，基本風(fēng)壓為0.35kN/m2，地面粗糙度類別為B類，體形系數(shù)考慮多棟樓的群體效應(yīng)取值1.5?；狙簽?.60kN/m2。

2 結(jié)構(gòu)布置

圖2 裙房層平面示意圖

圖3 標(biāo)準(zhǔn)層平面示意圖

本工程地上52層，室內(nèi)外高差0.1m，從室外地面起算至大屋面結(jié)構(gòu)高度為高度230.0m，屬于超B級高度建筑。塔樓部分采用中央核心筒和外圍框架組成的框架核心筒結(jié)構(gòu)體系，核心筒采用鋼筋混凝土，在底部加強(qiáng)區(qū)的外筒剪力墻暗柱內(nèi)設(shè)置型鋼，外框架在底部26層以下采用型鋼混凝土柱，上部采用混凝土柱。裙房樓層結(jié)構(gòu)布置圖和標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)布置圖分別如圖2和圖3所示。

3 結(jié)構(gòu)超限判定及增強(qiáng)措施

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[2]、《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[3]和《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點》[4]有關(guān)規(guī)定，本工程超限判定情況如下。

①7度區(qū)框架-核心筒結(jié)構(gòu)在B級高層建筑的最大適用高度為180m，本工程高度為230m，本樓高度超限，屬于超B級高度鋼筋混凝土框架-核心筒高層建筑。

②1a扭轉(zhuǎn)不規(guī)則：考慮偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比1.4，大于1.2；1b偏心布置：偏心率大于0.39，大于0.15。

③4塔樓偏置：單塔或多塔與大底盤的質(zhì)心偏心距為30%大于底盤相應(yīng)邊長20%。

本塔樓屬于超B級高度高層建筑，有2項一般不規(guī)則項（第2項的1a和1b算一項），1項特別不規(guī)則項。

針對本工程高度度超限和不規(guī)則項類型，提出以下增強(qiáng)措施：

①根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（下文簡稱《抗規(guī)》）第3.4節(jié)、3.10節(jié)以及《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（下文簡稱《高規(guī)》）第3.11節(jié)要求，對塔樓采用抗震性能化設(shè)計，以保證各水準(zhǔn)地震作用下結(jié)構(gòu)的安全性；

②針對塔樓兩向地震特性相差較大，增強(qiáng)塔樓Y向主框架梁，提高Y向結(jié)構(gòu)剛度；

③針對豎向體型收進(jìn)接近20%，按《高規(guī)》10.6中的相關(guān)要求設(shè)計。

4 結(jié)構(gòu)整體計算

4.1 多遇地震計算分析

小震彈性分析選用PKPM-SATWE軟件進(jìn)行計算，并用MIDAS Building軟件進(jìn)行復(fù)核，考慮偶然偏心地震作用，雙向地震作用，扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)以及施工模擬加載的影響。主要計算結(jié)果見表1。

由表1可知：采用SATWE和Midas Building兩種軟件分析，各項指標(biāo)基本一致，表明計算結(jié)果是可信的，并且滿足《高規(guī)》（JGJ3-2010）第 5.1.12條規(guī)定。從線彈性分析結(jié)果來看，結(jié)構(gòu)具有合適的剛度，滿足規(guī)范各種指標(biāo)的控制要求。

主要計算結(jié)果 表1

4.2 多遇地震下彈性時程分析

本工程采用SATWE軟件程序?qū)Ρ竟こ踢M(jìn)行了多遇地震作用下的彈性時程分析。按照地震波選取的3要素（頻譜特性、有效峰值和持續(xù)時間），選取了Ⅱ類場地上的5組實際地震記錄，以及2組人工模擬的場地波進(jìn)行彈性時程分析，每組地震記錄分為主方向和次方向兩種不同記錄；加速度峰值按規(guī)范取值，時程分析中，主方向峰值為35gal，主方向與次方向的峰值加速度比值按1（水平1）:0.85（水平 2）:0.00（豎向）進(jìn)行調(diào)整。地震波信息見表2，計算結(jié)果見表3。

通過表2、表3可知：①選用的地震波時程曲線計算結(jié)果均滿足平均底部剪力不小于振型分解反應(yīng)譜法結(jié)果的80%，每條地震波底部剪力不小于反應(yīng)譜法結(jié)果的65%的條件；根據(jù)規(guī)范要求，當(dāng)取7組時程曲線進(jìn)行計算時，結(jié)構(gòu)地震效應(yīng)可取時程法計算結(jié)果的平均值與振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的較大值。②時程分析法顯示結(jié)構(gòu)的反應(yīng)特征、變化規(guī)律與前述振型分解反應(yīng)譜法分析基本一致，基底剪力和層間位移角等指標(biāo)最大值與CQC結(jié)果接近。③從上述計算結(jié)果可知，多條地震波樓層剪力的平均值在結(jié)構(gòu)頂部大于反應(yīng)譜的計算結(jié)果，反應(yīng)出自振周期較長的結(jié)構(gòu)，其高振型對于高柔結(jié)構(gòu)頂部的鞭梢效應(yīng)是比較明顯的。

4.3 罕遇地震下動力彈塑性時程分析

本工程的彈塑性分析采用PKPM-SAUSAGE，X方向的最大彈塑性層間位移角為1/160，Y向的最大彈塑性層間位移角為1/121，均滿足1/100的規(guī)范限制要求。且在SAUSAGE中構(gòu)件的損壞主要以混凝土的受壓損傷因子及鋼材（鋼筋）的塑性應(yīng)變程度作為評定標(biāo)準(zhǔn)，其與《高規(guī)》中構(gòu)件的損壞程度對應(yīng)關(guān)系見表4。

由表4可知：①鋼材在屈服后其強(qiáng)度并不會下降，衡量其損壞程度的主要指標(biāo)是塑性應(yīng)變值；②混凝土在達(dá)到極限強(qiáng)度后會出現(xiàn)剛度退化和承載力下降；③對采用梁單元模擬的梁、柱、斜撐等構(gòu)件，鋼材（鋼筋）的塑性應(yīng)變會造成構(gòu)件剛度退化，也不會出現(xiàn)承載力下降，因此可視鋼材塑性應(yīng)變程度區(qū)分為輕微損壞～比較嚴(yán)重?fù)p壞，而構(gòu)件中的混凝土一旦出現(xiàn)受壓損傷，則肯定會造成構(gòu)件承載力下降，屬于中度損壞～比較嚴(yán)重?fù)p壞；④對整個剪力墻構(gòu)件而言，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)件承載力不會立刻下降，其損壞判斷標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)有所放寬，考慮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(dá)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)；⑤樓板以承擔(dān)豎向荷載為主，小于半跨寬度范圍內(nèi)的樓板受壓損傷達(dá)到0.5時，尚不至于出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p壞而導(dǎo)致垮塌。

地震波信息 表2

時程分析與反應(yīng)譜分析底部剪力對比 表3

損壞程度對應(yīng)關(guān)系 表4

5 結(jié)語

本工程計算結(jié)果表明，多項指標(biāo)均表現(xiàn)得較為良好，基本滿足規(guī)范的有關(guān)要求，使不規(guī)則程度得到基本有效控制。本文計算分析表明：

①采用SATWE和Midas Building兩種軟件分析，各項指標(biāo)基本一致，從線彈性分析結(jié)果來看，結(jié)構(gòu)具有合適的剛度，滿足規(guī)范各種指標(biāo)的控制要求；

②時程分析法顯示結(jié)構(gòu)的反應(yīng)特征、變化規(guī)律與前述振型分解反應(yīng)譜法分析基本一致，基底剪力和層間位移角等指標(biāo)最大值與CQC結(jié)果接近；

③多條地震波樓層剪力的平均值在結(jié)構(gòu)頂部大于反應(yīng)譜的計算結(jié)果，反應(yīng)出自振周期較長的結(jié)構(gòu)，其高振型對于高柔結(jié)構(gòu)頂部的鞭梢效應(yīng)是比較明顯的；

④結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下塔樓的各構(gòu)件損壞程度均可控制在性能目標(biāo)要求范圍內(nèi)，且最大彈塑性層間位移角均滿足1/100的規(guī)范限制要求，可滿足“大震不倒”的抗震設(shè)防要求。