合肥某超限高層建筑結(jié)構(gòu)抗震分析與設(shè)計

徐永波

(安徽省建筑設(shè)計研究總院股份有限公司，安徽合肥 230001)

1 工程概況

本項目位于安徽省合肥市包河區(qū)。本樓分A、B、C三段，其中A段為7層裙樓，B段和C段均為48層辦公樓。三段建筑由三層地下室連為一體，地上設(shè)變形縫完全斷開。B塔樓和C塔樓結(jié)構(gòu)高度均為198.4 m，平面尺寸均為45.7 m×45.7 m，均為框架-核心筒結(jié)構(gòu)，建筑使用功能及結(jié)構(gòu)布置基本一致。本文所述對象為B、C塔樓。項目整體效果詳見圖1。

圖1 項目整體效果

本樓6層以下為商業(yè)，層高為5.4～5.7 m；6層以上為辦公和避難層，層高分別為3.9 m和4.5 m，避難層分別設(shè)置于10F、23F、36F。平面詳見圖2。

圖2 B、C塔樓標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面

B、C塔樓6層以下抗震設(shè)防類別為重點設(shè)防類，7層及以上抗震設(shè)防類別為一般設(shè)防類，設(shè)防烈度為7度，建筑場地類別為Ⅱ類，地震分組為第一組。結(jié)構(gòu)安全等級為一級，設(shè)計使用年限為50 a。地面粗糙度類別為B 類，50 a重現(xiàn)期基本風(fēng)壓為0.35 kN/m2。

2 超限情況的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)體系

本工程采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，核心筒材料為鋼筋混凝土；外框架底部為型鋼混凝土柱，上部為混凝土柱。核心筒角部內(nèi)壁至洞邊的最小距離為1.3 m，加上筒外墻厚0.9 m可達(dá)到2.1 m，超過核心筒外墻厚度的2倍，筒體完整性較好。核心筒上的連梁對整體剛度影響較大，是塔樓優(yōu)化設(shè)計的重點內(nèi)容，本工程結(jié)合設(shè)備管線穿墻要求，把部分連梁設(shè)計成雙連梁，避免了剛度過大帶來的負(fù)面影響。

2.2 結(jié)構(gòu)超限類型

按GB50011-2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(簡稱《抗規(guī)》)、JGJ3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(簡稱《高規(guī)》)和建質(zhì)〔2015〕67號《超限高層建筑工程抗震設(shè)防審查技術(shù)要點》有關(guān)規(guī)定：7度B級鋼筋混凝土框筒結(jié)構(gòu)的最大適用高度為180 m，本樓高度為198.4 m，屬超B級高度的鋼筋混凝土框架-核心筒高層建筑。另外，本工程還有1項偏心布置不規(guī)則項，1～5層Y向偏心率為17.69 %～27.33 %(B塔樓為17.79 %～27.49 %)，大于0.15。

2.3 結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)

本工程的抗震根據(jù)性能化設(shè)計的概念和要求進(jìn)行。在滿足國家、地方規(guī)范基礎(chǔ)上，與專家、業(yè)主溝通認(rèn)為塔樓的結(jié)構(gòu)抗震性能總體目標(biāo)定位C級～D級之間，如表1所示。

表1 抗震性能目標(biāo)

根據(jù)各構(gòu)件失效可能引起結(jié)構(gòu)的連續(xù)破壞及危及生命安全的嚴(yán)重后果程度，本工程把1～4層底部加強區(qū)的核心筒墻和框架柱定為本樓的關(guān)鍵構(gòu)件，5層及層以上的核心筒墻和框架柱定為本樓的普通豎向構(gòu)件，全樓框架梁和剪力墻上的連梁定為本樓的耗能構(gòu)件。

本工程各類構(gòu)件要滿足性能目標(biāo)需達(dá)到的具體設(shè)計要求如表2所示。

表2 滿足抗震性能目標(biāo)具體設(shè)計要求

3 結(jié)構(gòu)抗震分析

3.1 小震分析

小震分析主要含彈性反應(yīng)譜分析兩個軟件對比和彈性時程分析。

3.1.1 彈性反應(yīng)譜分析

在小震作用下，結(jié)構(gòu)全部處于彈性狀態(tài)，構(gòu)件承載力和變形滿足規(guī)范要求。主計算程序為SATWE，用于結(jié)構(gòu)主要設(shè)計指標(biāo)的控制以及構(gòu)件配筋計算；補充計算程序MIDAS BUILDING,用于結(jié)構(gòu)主要設(shè)計指標(biāo)復(fù)核及重點部位構(gòu)件配筋包絡(luò)。

反應(yīng)譜分析時構(gòu)件抗震等級：對于剪力墻和連梁，地下二層、地下三層為一級，地下一層及地上八層為特一級，地上八層以上為一級；對于框架柱和梁，地下二層、地下三層為二級，地下一層及以上為一級。

兩種軟件分析的各項指標(biāo)基本一致，且滿足規(guī)范要求，表明計算分析軟件可行，模型計算結(jié)果可信。

3.1.2 彈性時程分析

依據(jù)《高規(guī)》5.1.2條規(guī)定，本樓采用彈性時程分析方法進(jìn)行多遇地震下的補充計算，以發(fā)現(xiàn)CQC法未發(fā)現(xiàn)的不足和薄弱之處。本文選取符合統(tǒng)計意義的5條天然波和2條人工波，取計算結(jié)果的平均值與反應(yīng)譜法計算結(jié)果的較大值。不同地震波與CQC法下結(jié)構(gòu)受力如圖3所示。

由圖3知，時程分析法顯示結(jié)構(gòu)的反應(yīng)特征、變化規(guī)律與反應(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；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，反映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)是非常明顯的。設(shè)計時，結(jié)構(gòu)地震作用取7條時程曲線計算結(jié)果平均值與振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的較大值。

3.2 中震分析

按前述抗震性能化設(shè)計的內(nèi)容要求，用SATWE軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)防地震作用下的分析計算，采用CQC法分別按中震彈性和中震不屈服兩種要求進(jìn)行分析計算。

從計算結(jié)果可知，各層核心筒剪力墻和框架柱按中震彈要求下的配筋計算值均小于核心筒剪力墻水平鋼筋配筋率限值和框架柱箍筋配筋率限值。通過對比可知，部分計算結(jié)果一般小于小震彈性計算加抗震等級調(diào)整后的墻柱配筋結(jié)果，可滿足底部加強部位外框柱與筒體抗剪中震彈性的性能目標(biāo)，以及上部非底部加強部位外框柱與筒體抗剪中震不屈服的性能目標(biāo)。底部加強區(qū)和非底部加強區(qū)各層核心筒剪力墻和框架柱按中震不屈服要求下的配筋計算值均小于筒體剪力墻約束邊緣構(gòu)件配筋率限值和框架柱縱筋配筋率限值。各層框架柱縱筋在中震不屈服作用下與小震彈性相同，均為構(gòu)造配筋，可滿足底部加強部位和非底部加強部位外框柱與筒體正截面中震不屈服的性能目標(biāo)?？蚣芰?、連梁在中震作用按不屈服要求下的抗剪箍筋計算結(jié)果值均小于框架梁、連梁的箍筋配筋率限值。計算結(jié)果一般略小于小震彈性計算加抗震等級調(diào)整后的梁箍筋配筋結(jié)果，可滿足抗剪中震不屈服的性能目標(biāo)。

(a)規(guī)范譜與地震波譜對比

(b)X向樓層剪力曲線

(c)X向樓層平均剪力與CQC對比

(d)Y向樓層剪力曲線

(e)Y向樓層平均剪力與CQC對比圖3 所選地震波與反應(yīng)譜法結(jié)果對比

根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點》，中震時出現(xiàn)小偏心受拉的混凝土構(gòu)件應(yīng)采用《高規(guī)》中規(guī)定的特一級構(gòu)造。中震時雙向水平地震作用下墻肢全截面由軸向力產(chǎn)生的平均名義拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值時宜設(shè)置型鋼承擔(dān)拉力，且平均名義拉應(yīng)力不宜超過兩倍混凝土抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值。一層、二層中少量墻肢在中震作用下處出現(xiàn)拉應(yīng)力，但都小于1Ftk。

3.3 大震分析

3.3.1 大震下等效彈性計算與分析

按設(shè)定的性能目標(biāo)，采用SATWE軟件中CQC法進(jìn)行等效彈性方法進(jìn)行大震下不屈服近似計算。根據(jù)所確定的抗震性能目標(biāo)要求，大震下各類構(gòu)件應(yīng)達(dá)到如下要求：關(guān)鍵構(gòu)件在大震下抗剪截面驗算須滿足要求，允許部分墻柱達(dá)到屈服；普通豎向構(gòu)件在大震下允許較多墻柱達(dá)到屈服，但應(yīng)滿足抗剪截面要求；各層耗能構(gòu)件在大震下大部分進(jìn)入屈服階段，即各層框架梁和連梁在大震下大部分進(jìn)入屈服階段。

采用SATWE軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行大震不屈服豎向構(gòu)件抗剪截面驗算，各層剪力墻和框架柱的截面抗剪要求驗算均滿足最小截面要求。

3.3.2 大震動力彈塑性時程分析

本工程彈塑性分析采用的計算軟件為PKPM-SAUSAGE，分析方法為基于顯式積分的動力彈塑性分析方法。在本工程的非線性地震反應(yīng)分析模型中，所有對結(jié)構(gòu)剛度有貢獻(xiàn)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件均按實際情況模擬。本工程選取兩組天然波(T1、T2波)和一組人工波(R1波)進(jìn)行時程分析。

由彈塑性時程分析可知,不同地震波下結(jié)構(gòu)的層間位移角曲線如圖4所示。在3條不同地震波作用下，結(jié)構(gòu)大震彈塑性層間位移角分布基本一致，最大層間位移角均出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的中部區(qū)域，最大位移角位置與CQC法計算結(jié)果基本一致；結(jié)構(gòu)在3條不同地震波作用下的彈塑性層間位移角最大值均滿足規(guī)范的1/100的要求。

(a)T1波層間位移角曲線

(b)T2波層間位移角曲線

(c)R1波層間位移角曲線圖4 彈塑性時程分析層間位移角曲線

3.3.3 構(gòu)件損傷情況

底部加強區(qū)及以上各層剪力墻和框架柱破損程度均較小，大部分均屬于輕微到輕度損壞，只有第1層極少數(shù)墻的部分區(qū)域出現(xiàn)中度損壞，中度破壞區(qū)域面積占所在墻的整墻面積的比例很小；從破損及鋼筋應(yīng)力顯示來看，大震下的剪力墻端部縱筋和柱縱筋應(yīng)力均未達(dá)到屈服強度，即剪力墻和柱均未達(dá)到屈服狀態(tài)。從破損程度來看，未發(fā)現(xiàn)剪力墻剪切破壞，水平筋應(yīng)力未達(dá)到屈服狀態(tài)。故可判定剪力墻受剪未達(dá)到屈服狀態(tài)。核心筒剪力墻和框架柱抗震性能保持較好，具有足夠的抗震承載力，可滿足所設(shè)定的抗震性能目標(biāo)。

框架梁大部分為輕微到輕度損壞，極少的梁達(dá)到重度損壞，只有少部分的梁達(dá)到了屈服；框架梁和連梁吸收大部分地震能量，耗能比較充分，很好地保證了主要墻肢的抗震承載力，滿足所設(shè)定的抗震性能目標(biāo)。

4 結(jié)論

本工程在設(shè)計中采用概念設(shè)計方法，根據(jù)抗震原則及建筑特點，首先對整體結(jié)構(gòu)體系及剪力墻布置仔細(xì)考慮并作優(yōu)化，使之具有良好的結(jié)構(gòu)性能?？拐鹪O(shè)計時，除保證結(jié)構(gòu)在小震下完全處于彈性階段外，還補充了主要構(gòu)件在中震、大震下的抗震性能要求。采取多種計算程序進(jìn)行了計算，計算結(jié)果表明，多項指標(biāo)均表現(xiàn)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。本工程除滿足規(guī)范要求的各項抗震措施之外，另外采取的增強措施歸納總結(jié)如下：

(1)約束邊緣構(gòu)件按如下要求進(jìn)行設(shè)置：筒角部約束邊緣構(gòu)件全高設(shè)置；筒外墻除角部外約束邊緣構(gòu)件外延伸至軸壓比0.30 m處，即本樓40層處(標(biāo)高為165.200 m)；筒內(nèi)墻約束邊緣構(gòu)件延伸至底部加強區(qū)以上3層，即7層處(標(biāo)高為36.800 m)。

(2)小震設(shè)計時補充彈性時程分析，采用結(jié)構(gòu)地震作用取7條時程曲線計算結(jié)果平均值與振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的較大值進(jìn)行樓層剪力調(diào)整。

(3)配筋結(jié)果除滿足小震及抗震等級調(diào)整、風(fēng)荷載計算要求外，另與中震彈性和中震不屈服計算結(jié)果進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計。

本工程除能夠滿足豎向荷載和風(fēng)荷載作用下安全及正常使用要求，可滿足小震不壞；中震下主要構(gòu)件不屈服震后可以修復(fù)；大震下不倒塌的抗震設(shè)防目標(biāo)。本高層結(jié)構(gòu)工程在7度設(shè)防區(qū)進(jìn)行建設(shè)是可行的并且是安全的。