廣州某超限高層結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計(jì)與分析

林 鵬，霍維剛，張如良

（廣州珠江外資建筑設(shè)計(jì)院有限公司 廣州510060）

1 工程概況

某項(xiàng)目位于廣州市海珠區(qū)，項(xiàng)目用地為三角形，場(chǎng)地周邊地勢(shì)平坦，項(xiàng)目總建筑面積29 735 m2，其中地上共25 層，建筑面積20 177 m2，建筑屋面高度為77.9 m；地下4 層總建筑面積9 558 m2，基礎(chǔ)底板面標(biāo)高為-11.2 m。結(jié)構(gòu)地上標(biāo)準(zhǔn)層層高為3.0 m，地下1層～地下4 層層高分別為5.5 m、3.5 m、3.5 m 和4.7 m［1］。建筑效果如圖1所示。

圖1 建筑效果Fig.1 Architectural Renderings

本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用50年設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期，安全等級(jí)為二級(jí)。結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)抗震設(shè)防，丙類建筑，本場(chǎng)類別為二類，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（2016年版）：GB 50011—2010》［2］劃分抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為100 gal。地面粗糙度類別為C 類，風(fēng)荷載體型系數(shù)取值為1.4，承載力設(shè)計(jì)采用50年一遇基本風(fēng)壓0.5 kN∕m2，并考慮1.1放大系數(shù)，舒適度驗(yàn)算采用10年一遇基本風(fēng)壓0.3 kN∕m2。

根據(jù)場(chǎng)地工程地質(zhì)狀況，結(jié)合主體結(jié)構(gòu)具體受力特點(diǎn)，塔樓采用天然基巖上的柱下獨(dú)立基礎(chǔ)，持力層為強(qiáng)（中）風(fēng)化巖，其承載力特征值大于550 kPa。

2 結(jié)構(gòu)體系特點(diǎn)

結(jié)合建筑平面功能、立面造型、抗震（風(fēng)）性能要求、施工周期以及造價(jià)合理等因素，本工程培訓(xùn)樓和體育樓均采用鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系。

培訓(xùn)樓結(jié)構(gòu)首層層高6.9 m，2 層為5.1 m，3～8 層為4.5 m，9～16 層為3.9 m，17 層層高8.1 m。鑒于建筑使用功能要求，結(jié)構(gòu)于7 層樓面位置起體型向內(nèi)收進(jìn)約24 m，豎向收進(jìn)尺寸占平面約42%，且收進(jìn)位置的部分豎向構(gòu)件在7層樓面位置進(jìn)行轉(zhuǎn)換。建筑使用功能要求，在結(jié)構(gòu)2層和11層樓面轉(zhuǎn)換2根結(jié)構(gòu)柱，結(jié)構(gòu)存在部分豎向構(gòu)件轉(zhuǎn)換狀況。

體育樓結(jié)構(gòu)首層層高6.9 m，2 層、10 層為5.4 m，3～8 層為4.5 m，9 層、11 層和12 層層高為11.1 m。因建筑使用要求，結(jié)構(gòu)于6 層樓面位置起體型向內(nèi)收進(jìn)約9.6 m，收進(jìn)尺寸占平面約20%。建筑3 層為電影廳，為滿足使用功能要求，在結(jié)構(gòu)4 層樓面設(shè)置開洞，開洞面積約為35%。樓蓋梁板均為鋼筋混凝土樓蓋體系，屋面為大跨度鋼結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)整體模型及主要抗側(cè)力豎向結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)體系Fig.2 Structural System

結(jié)構(gòu)主要尺寸，轉(zhuǎn)換框架梁為1 000 mm×3 000 mm，1 000 mm×1 300 mm，1 000 mm×1 500 mm，混凝土等級(jí)為C40；轉(zhuǎn)換框架柱為1 400 mm×1 800 mm，1 000 mm×1 000 mm，混凝土等級(jí)為C60；地上部分剪力墻截面厚度為450～250 mm，混凝土等級(jí)為C60～C30；地上部分主要框架柱尺寸為1 000 mm×800 mm，800 mm×800 mm，混凝土等級(jí)為C60～C30。

3 超限概況及性能目標(biāo)

3.1 超限概況

培訓(xùn)樓和體育樓結(jié)構(gòu)均采用雙核心筒非對(duì)稱布置，根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》［3］判定，培訓(xùn)樓結(jié)構(gòu)有扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、樓板不連續(xù)、尺寸突變和局部不規(guī)則4 項(xiàng)不規(guī)則情況；體育樓結(jié)構(gòu)有扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、樓板不連續(xù)和承載力突變3 項(xiàng)不規(guī)則情況，分別進(jìn)行超限高層建筑工程性能化設(shè)計(jì)。

3.2 性能目標(biāo)

在充分認(rèn)識(shí)結(jié)構(gòu)各分體系受力與變形特征的基礎(chǔ)上，根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：JGJ 3—2010》［4］第3.11.1 條和第3.11.2 條規(guī)定，本工程確定抗震性能目標(biāo)為C 級(jí)，對(duì)應(yīng)小、中、大震的抗震性能水準(zhǔn)為1、3、4?？拐鹦阅苣繕?biāo)如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)Tab.1 Structure Performance Target

4 性能化分析

4.1 小震彈性分析

分別采用YJK 和ETABS 兩個(gè)不同力學(xué)模型的空間分析程序進(jìn)行計(jì)算，結(jié)構(gòu)計(jì)算考慮偶然偏心地震作用、雙向地震作用、扭轉(zhuǎn)耦合及施工模擬。兩個(gè)軟件在小震工況下所得基本周期相差約1.9%，總質(zhì)量相差約1.07%，基底剪力相差約2.5%，滿足計(jì)算分析要求。

根據(jù)文獻(xiàn)［2］規(guī)定，采用彈性時(shí)程分析程序?qū)ㄖ镌诙嘤龅卣鹱饔眠M(jìn)行補(bǔ)充驗(yàn)算。選用2條天然時(shí)程，分別為TH088TG035 波和TH097TG035 波，人工合成1 條地震動(dòng)時(shí)程RH1TG035。時(shí)程分析結(jié)果與振型分解反應(yīng)譜結(jié)果差值在20%以內(nèi)，滿足文獻(xiàn)［2］要求。

4.2 中震等效彈性分析

中震工況下，結(jié)構(gòu)采用等效彈性分析方法，正截面計(jì)算采用材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，斜截面計(jì)算采用材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，分析過程中不考慮承載力和地震內(nèi)力調(diào)整，地震影響系數(shù)最大值為0.23，最后得出結(jié)構(gòu)整體力學(xué)性能，如表2所示，從表2中可得中震工況與小震工況對(duì)比分析結(jié)果，培訓(xùn)樓首層的基底剪力之比，X向?yàn)?.65，Y向?yàn)?.58；體育樓首層的基底剪力之比，X向?yàn)?.56，Y向?yàn)?.85。此結(jié)果與中震和小震的最大地震影響系數(shù)之比2.875 較為接近，可證明結(jié)構(gòu)整體處于彈性狀態(tài)。根據(jù)結(jié)構(gòu)各層性能計(jì)算結(jié)果分析，均可滿足關(guān)鍵構(gòu)件正截面不屈服，斜截面彈性的性能目標(biāo)，普通構(gòu)件也處于不屈服狀態(tài)。

表2 中震作用下結(jié)構(gòu)基本特性Tab.2 The Structure Characteristic with Design Seismic

由于結(jié)構(gòu)平面體系部分核心筒偏置，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯，所以中震作用下底部少量的墻肢端出現(xiàn)小偏心的拉應(yīng)力，但均不超過2ftk。為了滿足設(shè)計(jì)要求，對(duì)在中震時(shí)出現(xiàn)小偏心受拉的構(gòu)件，按照文獻(xiàn)［4］中特一級(jí)抗震措施構(gòu)造要求，且約束邊緣構(gòu)件縱向配筋率不小于1.4%，配箍特征值增大20%，墻身的水平筋和豎向筋的配筋率均不小于0.6%。

4.3 大震等效彈性分析

大震工況作用下，結(jié)構(gòu)計(jì)算采用等效彈性方法，材料強(qiáng)度取標(biāo)準(zhǔn)值，不考慮地震內(nèi)力和承載力調(diào)整，結(jié)構(gòu)阻尼比取值0.07，地震影響系數(shù)最大值為0.5，得出結(jié)構(gòu)整體力學(xué)性能，如表3所示。從表3中可知，培訓(xùn)樓上部結(jié)構(gòu)最大層間位移角X向?yàn)?∕197，Y向?yàn)?∕282，體育樓上部結(jié)構(gòu)最大層間位移角X向?yàn)?∕221，Y向?yàn)?∕374，均出現(xiàn)于結(jié)構(gòu)高度的中部位置。大震工況和小震工況下，培訓(xùn)樓首層的基底剪力之比X向?yàn)?.03，Y向?yàn)?.11，體育樓首層的基底剪力之比X向?yàn)?.83，Y向?yàn)?.15。根據(jù)各層的性能計(jì)算結(jié)果，部分樓層的豎向構(gòu)件正截面出現(xiàn)了屈服，可基本滿足預(yù)設(shè)性能目標(biāo)。

表3 罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)基本性能Tab.3 The Structure Characteristic with Rare Seismic

5 大震動(dòng)力彈塑性分析

5.1 材料本構(gòu)

混凝土材料模型采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（2015年版）：GB 50010—2010》指定的單軸本構(gòu)模型，能反應(yīng)混凝土滯回、剛度退化和強(qiáng)度退化等特性，其軸心抗壓和軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值按文獻(xiàn)［5］表4.1.3采用，應(yīng)力-應(yīng)變及損傷示意如圖3所示。

圖3 混凝土拉、壓剛度恢復(fù)示意圖Fig.3 The Stiffness of Concrete Tension and Compression

鋼材的動(dòng)力硬化模型如圖4 所示，鋼材的非線性材料模型采用雙線性隨動(dòng)硬化模型，在循環(huán)過程中，無剛度退化，并可考慮包辛格效應(yīng)。

圖4 鋼材的動(dòng)力硬化模型Fig.4 The Dynamic Hardening Model of Steel

5.2 模型基本特性及地震動(dòng)時(shí)程輸入

動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析采用SAUSAG 軟件，采用小彈性時(shí)程分析中的3條地震波，如圖5所示，分別按X向、Y向?yàn)橹鞣较颍ㄖ鞔畏较虻卣鸩ǚ逯当壤秊?∶0.85）進(jìn)行雙向彈塑性時(shí)程分析，共需分析6個(gè)彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析工況。為了方便統(tǒng)計(jì)，將3個(gè)時(shí)程工況TH088TG035、TH097TG035 和RH1TG035 分別命名為Case1、Case2和Case3。為了較為真實(shí)地考慮結(jié)構(gòu)鋼筋的影響，整個(gè)彈塑性分析模型采用YJK 軟件中的小震計(jì)算配筋輸入。

圖5 地震動(dòng)時(shí)程記錄Fig.5 Ground Motion Time History Record

經(jīng)分析結(jié)構(gòu)的彈性模型與彈塑性模型的基本特征參數(shù)如表4所示，結(jié)構(gòu)前6階周期比較接近，培訓(xùn)樓結(jié)構(gòu)彈性模型質(zhì)量為40 285.23 t，彈塑性模型質(zhì)量為43 001.37 t，兩者質(zhì)量相差6.7%；體育樓結(jié)構(gòu)彈性模型質(zhì)量為44 674.7 t，彈塑性模型質(zhì)量為46 549.3 t，兩者質(zhì)量相差4.2%，可滿足下一步計(jì)算分析要求。

表4 模型特征參數(shù)比較Tab.4 Compared of the Model Characteristic

5.3 動(dòng)力彈塑性時(shí)程響應(yīng)

大震彈塑性時(shí)程分析結(jié)果?；跇?gòu)件層面和整體宏觀層面進(jìn)行分析［6］，彈塑性模型基底剪力與小震作用下彈性模型基底剪力分析如表5 所示，從表5 可知，X向結(jié)構(gòu)彈塑性模型在3 條地震動(dòng)時(shí)程工況的基底剪力約為彈性模型小震工況基底剪力的4.47倍，Y向結(jié)構(gòu)彈塑性模型在3條地震動(dòng)時(shí)程工況的基底剪力約為彈性模型小震工況基底剪力的4.33 倍；根據(jù)圖6 和圖7的層間位移角分布來看，結(jié)構(gòu)位移角分布平滑，變化均勻，無明顯的承載力突變現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)最大層間位移角出現(xiàn)在上結(jié)構(gòu)中部位置，符合一般結(jié)構(gòu)受力規(guī)律特性。

表5 基底剪力分析比較Tab.5 Analysis and Comparison of Base Shear Force

圖6 體育樓層間位移角分布Fig.6 The Story Drift of the Sport Building

圖7 培訓(xùn)樓層間位移角分布Fig.7 The Story Drift of the Training Building

結(jié)構(gòu)在3條地震波時(shí)程分析下的塑性損傷分布情況基本類似，以小震工況下最不利工況的X向?yàn)槔?，選Case2 號(hào)地震時(shí)程工況，分析結(jié)構(gòu)在罕遇地震工況下彈塑性時(shí)程分析的性能水準(zhǔn)，其應(yīng)力分析結(jié)果如圖8所示。

圖8 罕遇地震工況結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)Fig.8 Structural Performance Level under Rare Earthquake

分析剪力墻構(gòu)件損傷情況，由彈塑性分析結(jié)果可知：在大震作用下，A 筒底部加強(qiáng)區(qū)域豎向構(gòu)件基本完好，B筒底部加強(qiáng)區(qū)豎向構(gòu)件出現(xiàn)輕微損傷，非加強(qiáng)區(qū)域豎向構(gòu)件局部出現(xiàn)輕微、輕度損傷；此時(shí)上部墻體連梁已有部分達(dá)到中度損傷，部分甚至出現(xiàn)重度損傷。此結(jié)果表明，在大震作用下，連梁破壞程度遠(yuǎn)大于豎向構(gòu)件，保證結(jié)構(gòu)不先于耗能構(gòu)件破壞。

核心筒內(nèi)邊位置樓板出現(xiàn)輕度損傷，豎向構(gòu)件轉(zhuǎn)換部位樓板、與剪力墻相交部位樓板出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，施工圖設(shè)計(jì)階段對(duì)該區(qū)域配筋適當(dāng)提高，滿足配筋率不小于0.3%；大部分框架梁出現(xiàn)輕微損傷耗散掉地震動(dòng)的能量，可滿足預(yù)設(shè)的性能目標(biāo)。

6 加強(qiáng)措施

根據(jù)類似項(xiàng)目案例［7］，將底部加強(qiáng)部位核心筒、穿層柱、大跨度梁及相連接柱、轉(zhuǎn)換梁及相連接框架柱定位為關(guān)鍵構(gòu)件，根據(jù)設(shè)定的性能目標(biāo)進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。

6.1 針對(duì)豎向構(gòu)件

底部加強(qiáng)部位水平和豎向分布鋼筋配筋率分別取0.65%和0.70%，結(jié)構(gòu)平面收進(jìn)樓層及上、下層核心筒剪力墻水平和豎向分布鋼筋配筋率分別取0.65%和0.40%，其余層取0.30%；針對(duì)受剪承載力突變樓層，剪力墻水平配筋率提高至0.70%，框架柱箍筋全高加密；約束邊緣構(gòu)件范圍除滿足文獻(xiàn)［4］要求外，按如下原則設(shè)置：核心筒底部加強(qiáng)區(qū)及上延一層；核心筒角部全樓高度；約束邊緣構(gòu)件縱筋最小配筋率1.2%，核心筒轉(zhuǎn)角位置為1.4%，配箍特征值提高10%，構(gòu)造邊緣構(gòu)件縱筋最小配筋率1.0%（角部1.2%）。

6.2 針對(duì)穿層柱

對(duì)穿層柱進(jìn)行屈曲分析，并加強(qiáng)穿層柱縱筋和箍筋的配置，同時(shí)加強(qiáng)與穿層柱相連的框架梁截面及配筋，增加其對(duì)穿層柱的約束作用。

6.3 轉(zhuǎn)換梁

提高轉(zhuǎn)換梁抗震等級(jí)，并保證其在中震作用下保持彈性狀態(tài)，在大震作用下不屈服狀態(tài)。

6.4 針對(duì)樓板

平面收進(jìn)樓層樓板、屋面層樓板和大開洞周邊樓板加厚至150 mm，雙層雙向設(shè)置，配筋率不小于0.25%，并根據(jù)性能計(jì)算結(jié)果及構(gòu)造要求進(jìn)行包絡(luò)配筋。

7 結(jié)論

本項(xiàng)目屬于高層抗震超限建筑，結(jié)構(gòu)采用框架核心筒體系，設(shè)計(jì)過程中充分利用了概念設(shè)計(jì)，且構(gòu)件設(shè)計(jì)融合了性能化設(shè)計(jì)思想。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用不同軟件進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)構(gòu)基本特性保持一致，其結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)文獻(xiàn)［4］要求。分析結(jié)果表明，體育樓和培訓(xùn)樓在中、大震作用下可滿足預(yù)設(shè)的性能目標(biāo)。根據(jù)大震彈塑性分析結(jié)果找出結(jié)構(gòu)薄弱部位，加強(qiáng)構(gòu)造措施，保證了薄弱部位的承載力和延性性能。最后得出，分析結(jié)果可靠、合理，可為施工圖設(shè)計(jì)提供有效指導(dǎo)。