高層鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)抗震性能化分析

范俊俊

（安徽熙初建筑設(shè)計(jì)有限公司，安徽 合肥 230001）

1 工程概況

某項(xiàng)目建筑總高度為147.20m，地上30 層，地下2層，設(shè)2 個(gè)避難層（10 層和20 層），各標(biāo)準(zhǔn)層層高5.0m，避難層層高為3.6m。結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土框架芯管結(jié)構(gòu)體系，基礎(chǔ)采用鉆孔樁基礎(chǔ)，工程設(shè)計(jì)參考年限50 年，設(shè)計(jì)壽命50 年，基本設(shè)計(jì)等級(jí)為A 級(jí)。中心管框架結(jié)構(gòu)是高層建筑中最重要的結(jié)構(gòu)形式。外框架和核心筒剪力墻形成的雙重抗側(cè)力體系具有良好的抗側(cè)剛度和抗傾覆能力[1]。

2 工程地質(zhì)與地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

場(chǎng)地位于抗震設(shè)防烈度Ⅶ度區(qū)，根據(jù)場(chǎng)區(qū)工程地質(zhì)條件分析，場(chǎng)地地層較簡(jiǎn)單，地貌類型較單一，其他不良地質(zhì)現(xiàn)象，為抗震一般地段。根據(jù)本次勘察，場(chǎng)地覆蓋層厚度19.0～25.8m，建筑場(chǎng)地類別為Ⅱ類，場(chǎng)地特征周期值為0.35s。場(chǎng)地地基土自上而下分別為：雜填土層、粉質(zhì)粘土層、中細(xì)砂層、圓礫。

采用樁基+承臺(tái)+防水板的基礎(chǔ)形式，采用鉆孔灌注樁，樁徑1200mm。選擇風(fēng)化粉砂巖層為樁端持力層，標(biāo)準(zhǔn)值可以達(dá)到7000kPa，長(zhǎng)度在22m 左右，樁端進(jìn)入持力層超過(guò)2m。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試樁，單樁豎向承載力特征值達(dá)12500kN。承臺(tái)的厚度主要有2800mm 和3000mm 兩種，防水板的厚度達(dá)到了500mm，混凝土等級(jí)為C40。

本工程屬于超限高層，布樁時(shí)特別注意減小樁中心與豎向荷載作用中心之間的偏差，同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)高寬比較大，確保大震作用下結(jié)構(gòu)整體不傾覆，平面周邊相應(yīng)樁基進(jìn)行加強(qiáng)處理。對(duì)周邊樁按抗拔樁設(shè)計(jì)，確保在大震作用下基礎(chǔ)安全。

由于本工程Y 向高寬比較大，為保證結(jié)構(gòu)大震不倒，需進(jìn)行整體抗傾覆驗(yàn)算，為安全起見(jiàn)，采取等效彈性方法計(jì)算大震傾覆力。本工程設(shè)有兩層地下室，抗傾覆驗(yàn)算僅考慮地下室外延一跨計(jì)算?？箖A覆計(jì)算結(jié)果如表1 所示。

表1 抗傾覆計(jì)算結(jié)果

3 上部結(jié)構(gòu)分析

本項(xiàng)目屬于超A 級(jí)高度不規(guī)則結(jié)構(gòu)。超限高層建筑工程的抗震設(shè)防應(yīng)采取有效的抗震措施，確保超限超限建筑工程達(dá)到規(guī)范規(guī)定的抗震設(shè)防目標(biāo)。根據(jù)本項(xiàng)目超支情況及與業(yè)主溝通的結(jié)果，本項(xiàng)目抗震性能指標(biāo)選定為《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3—2010）3.11.1 中的C 級(jí)。結(jié)構(gòu)抗震性能等級(jí)按《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3—2010）第3.11.2 條選擇：在頻繁地震下滿足性能1 級(jí)要求，關(guān)鍵構(gòu)件和豎向構(gòu)件一般滿足3 級(jí)性能要求在設(shè)防地震下；至少滿足罕見(jiàn)地震性能4 級(jí)要求下的性能3 級(jí)要求?；谛阅艿脑O(shè)計(jì)必須實(shí)現(xiàn)多級(jí)抗震設(shè)計(jì)，而我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)在普遍認(rèn)為是三個(gè)等級(jí)的設(shè)防：小震不破壞、中震可修復(fù)、大震不倒塌[2]。

3.1 小震及風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)分析

結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)采用2 個(gè)或2 個(gè)以上力學(xué)模型的空間計(jì)算分析軟件[3]，本工程采用SATWE 與YJK 軟件進(jìn)行對(duì)比分析，各項(xiàng)整體計(jì)算結(jié)果吻合良好，表明兩個(gè)軟件的計(jì)算分析結(jié)果可靠。結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期Tt 與平動(dòng)為主的第一自振周期T1 之比最大為0.51，表明結(jié)構(gòu)的抗扭剛度較強(qiáng)。在考慮偶然偏心的地震作用下，樓層豎向構(gòu)件的最大水平位移和層間位移與該樓層平均值的比值的最大值X 向?yàn)?.12，Y 向?yàn)?.12，小于1.2，滿足規(guī)范要求。在風(fēng)荷載及地震力作用下的最大層間位移角兩個(gè)程序計(jì)算大值分別為X 向1/1548和Y 向1/1033，滿足規(guī)范限值要求。彈性時(shí)程分析表明少數(shù)樓層（上部樓層）時(shí)程曲線的最大樓層剪力平均值大于CQC 法計(jì)算的樓層剪力，在施工圖設(shè)計(jì)時(shí)，取兩者包絡(luò)設(shè)計(jì)以確保結(jié)構(gòu)的抗震安全性。豎向不存在側(cè)向剛度不規(guī)則的情況，也不存在受剪承載力突變的情況。地震作用下，X、Y 向底部局部樓層地震剪力小于《高規(guī)》4.3.12 要求，程序計(jì)算時(shí)已按照規(guī)范要求放大地震剪力。該結(jié)構(gòu)剛重比EJd/GH**2 大于1.4，滿足高規(guī)的整體穩(wěn)定驗(yàn)算要求，但Y 向小于2.7，需要考慮重力二階效應(yīng)。本工程剪力墻最大軸壓小于0.5，滿足規(guī)范要求。經(jīng)計(jì)算結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)順風(fēng)向最大加速度amax=0.074m/s2，橫風(fēng)向最大加速度amax=0.097m/s2，風(fēng)振舒適度滿足規(guī)范要求。各構(gòu)件均能達(dá)到多遇地震下的抗震性能目標(biāo)。

3.2 中震作用下的結(jié)構(gòu)承載力復(fù)核

本工程在中震作用下的抗震性能目標(biāo)：關(guān)鍵構(gòu)件（底部加強(qiáng)部位）：受彎不屈服，受剪彈性；普通豎向構(gòu)件：受彎不屈服，受剪彈性；耗能構(gòu)件：受剪不屈服。

中震不屈服條件設(shè)定：調(diào)整地震影響系數(shù)最大值αmax=0.23 按中震取值（按規(guī)范取值）；取消組合內(nèi)力調(diào)整（強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)剪弱彎）；荷載作用分項(xiàng)系數(shù)取1.0（組合值系數(shù)不變）；材料強(qiáng)度取標(biāo)準(zhǔn)值；抗震承載力調(diào)整系數(shù)γrE 取1.0；連梁剛度折減0.5；結(jié)構(gòu)阻尼比取0.06；不考慮風(fēng)荷載參與組合；周期折減系數(shù)為1.0；中梁剛度增大系數(shù)：按規(guī)范計(jì)算取值。

中震彈性條件設(shè)定：調(diào)整地震影響系數(shù)最大值αmax=0.23 按中震取值（按規(guī)范取值）；取消組合內(nèi)力調(diào)整（強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)剪弱彎）；荷載分項(xiàng)系數(shù)按規(guī)范取值；材料強(qiáng)度取設(shè)計(jì)值；抗震承載力調(diào)整系數(shù)按規(guī)范取值；連梁剛度折減0.6；結(jié)構(gòu)阻尼比取0.05；不考慮風(fēng)荷載參與組合；周期折減系數(shù)為0.9；中梁剛度增大系數(shù)：按規(guī)范計(jì)算取值。本工程剪力墻中震均可滿足規(guī)范要求。在中震作用下，在核心筒中部分墻肢出現(xiàn)受拉，除個(gè)別小墻肢外，單肢墻拉應(yīng)力均小于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。但考慮組合墻作用后，所有墻肢均滿足拉應(yīng)力小于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。中震出現(xiàn)小偏拉的墻體設(shè)置型鋼。施工圖階段對(duì)于出現(xiàn)拉應(yīng)力的墻肢通過(guò)提高豎向縱筋配筋率以抵消受拉墻肢的拉力，同時(shí)受拉墻肢的抗震等級(jí)按特一級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)。綜上所述各構(gòu)件均能達(dá)到中震下抗彎不屈服、抗剪彈性驗(yàn)算的抗震性能目標(biāo)。

3.3 大震不屈服等效彈性法承載力復(fù)核

本工程在大震作用下的抗震性能目標(biāo)：關(guān)鍵構(gòu)件（底部加強(qiáng)部位）：受剪不屈服；普通豎向構(gòu)件：滿足受剪截面控制條件；耗能構(gòu)件：允許部分發(fā)生嚴(yán)重破壞。

大震不屈服設(shè)計(jì)方法（等效彈性法）：調(diào)整地震影響系數(shù)最大值：αmax=0.5；取消組合內(nèi)力調(diào)整（強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)剪弱彎）；荷載作用分項(xiàng)系數(shù)：1.0（組合值系數(shù)不變）；材料強(qiáng)度取標(biāo)準(zhǔn)值；抗震承載力調(diào)整系數(shù)γre：1.0；連梁剛度折減：0.3；結(jié)構(gòu)阻尼比?。?.07；不考慮風(fēng)荷載參與組合。周期折減系數(shù)取：1.0。中梁剛度增大系數(shù)：1.0。

根據(jù)《高層建筑混凝土技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3—2010），按公式（3.11.3-4）（3.11.3-5）進(jìn)行大震作用下底部加強(qiáng)部位及沿豎向歷次變截面位置墻體的受剪截面驗(yàn)算。大震結(jié)果采用規(guī)范反應(yīng)譜進(jìn)行計(jì)算分析結(jié)果，提取典型墻體，分析樓層的剪壓比變化情況。計(jì)算結(jié)果表明，剪力墻能滿足大震下的最小受剪截面要求（剪壓比小于0.15）。

3.4 大震作用下結(jié)構(gòu)動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析

《高規(guī)》第5.1.13 條：“B 級(jí)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(dòng)力分析方法補(bǔ)充計(jì)算”。本工程采用YJK-EP 軟件進(jìn)行罕遇地震下的動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析，選用與規(guī)范反應(yīng)譜在統(tǒng)計(jì)意義上比較接近的三組地震波，采用兩組地面設(shè)計(jì)譜加速度時(shí)程記錄、一組地面設(shè)計(jì)譜人工波加速度時(shí)程記錄進(jìn)行雙向分析。梁柱采用纖維束單元、墻單元采用基于混凝土損傷本構(gòu)理論的平板殼單元。單軸應(yīng)力－應(yīng)變曲線取《混規(guī)》附錄C.2 條中提出的混凝土模型。鋼筋采用理想彈塑性材料本構(gòu)關(guān)系。地震波選取情況如表2 所示。

表2 地震波選取

分析表明，結(jié)構(gòu)各層間彈塑性位移角均小于規(guī)范的相關(guān)極限要求，結(jié)構(gòu)抗側(cè)向力主要構(gòu)件破壞不嚴(yán)重，局部構(gòu)件屈服但不引起局部變形。倒塌或危及結(jié)構(gòu)整體安全，且結(jié)構(gòu)整體性好，能滿足“大震不倒”的抗震性能目標(biāo)要求。

在罕見(jiàn)地震波輸入過(guò)程中，結(jié)構(gòu)的破壞模式可描述為以下3 種情況：①在罕見(jiàn)地震作用下，結(jié)構(gòu)連梁首先出現(xiàn)塑性鉸，一般先于框架梁進(jìn)入彎曲屈服狀態(tài)，但不會(huì)發(fā)生剪切屈服。具有良好的多線防御系統(tǒng)和能量消散。②大部分框架柱處于第一屈服工作狀態(tài)，沒(méi)有隨著時(shí)間的推移而發(fā)展，沒(méi)有一個(gè)具有剪切屈服?？蚣芰褐茡p不嚴(yán)重，梁破損大于柱破損，結(jié)構(gòu)具有良好的“強(qiáng)柱弱梁”體系，具有良好的第二道防線。③中心管剪力墻底部配筋區(qū)域處于受彎屈服狀態(tài)，表明結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)“梁鉸破壞”機(jī)制，滿足“強(qiáng)墻柱、弱耦合”的延性設(shè)計(jì)要求梁”。

結(jié)構(gòu)在三波作用下的最大層間彈塑性位移角為X方向1/244，Y 方向1/221，滿足規(guī)范限值1/110 的要求?？傮w上，結(jié)構(gòu)在罕見(jiàn)地震輸入下的彈塑性響應(yīng)和破壞機(jī)制滿足結(jié)構(gòu)地震工程的概念設(shè)計(jì)要求。

4 針對(duì)結(jié)構(gòu)超限的抗震加強(qiáng)措施

（1）使用不同力學(xué)模型的兩個(gè)空間分析程序SATWE和YJK 進(jìn)行計(jì)算，將兩個(gè)程序得出的不利結(jié)果用于施工方案設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)。在計(jì)算小地震時(shí)，考慮了扭轉(zhuǎn)耦合和偶發(fā)的5%偏心率和雙向地震的不利組合。

（2）本項(xiàng)目采用彈性時(shí)程分析法進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，除部分樓層外，所選地震波的平均值和現(xiàn)場(chǎng)波計(jì)算結(jié)果均小于采用標(biāo)準(zhǔn)方法分解現(xiàn)場(chǎng)振型響應(yīng)譜得到的結(jié)果，表明項(xiàng)目使用安全可行。然而，根據(jù)SATWE 程序的模態(tài)形狀分解反應(yīng)譜方法，需要根據(jù)結(jié)構(gòu)某些樓層反應(yīng)譜結(jié)果的時(shí)程分析結(jié)果對(duì)地震力進(jìn)行放大和調(diào)整。調(diào)整后的地震力滿足規(guī)范的剪重比要求。

（3）將剪力墻底部加筋部分在中等地震應(yīng)力下的抗震等級(jí)提高到特殊等級(jí)，將剪力墻底部未加筋部分提高到一級(jí)。設(shè)計(jì)中，下部配筋區(qū)墻體橫向和縱向分布配筋的最小配筋率提高到0.35%，其他部位剪力墻的最小配筋率提高到0.3%。

（4）對(duì)于結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)件，如下剪力墻，根據(jù)規(guī)定的抗震性能目標(biāo)，采用小地震和中地震計(jì)算結(jié)果中的最大值進(jìn)行構(gòu)件設(shè)計(jì)。例如，在下筋區(qū)發(fā)生大地震時(shí)，不滿足剪壓比要求的墻柱采用鋼截面放置，地震中偏心應(yīng)力較小的墻體為放置與鋼部分。

（5）在約束邊緣構(gòu)件層與上部構(gòu)造邊緣構(gòu)件層之間設(shè)置1 層過(guò)渡層。

（6）對(duì)于少數(shù)剪力過(guò)大的連梁，應(yīng)適當(dāng)增加連梁的周向比和腰部配筋，并按《高規(guī)》9.3.8 的要求，內(nèi)管連梁應(yīng)設(shè)置斜筋對(duì)角線?？绺弑刃∮?，高比小于1 的連梁采用交叉支撐，滿足強(qiáng)剪弱彎抗震概念設(shè)計(jì)要求。

（7）對(duì)于薄弱部位和重要構(gòu)件，采用比規(guī)范更嚴(yán)格的加固結(jié)構(gòu)，提高結(jié)構(gòu)在罕見(jiàn)地震作用下的抗震能力，嚴(yán)格控制豎向構(gòu)件的軸壓比，提高結(jié)構(gòu)的最小抗壓比.剪力墻約束鋼筋邊緣構(gòu)件，最小體積環(huán)比。

（8）中心管外跨度走廊樓板應(yīng)采取加固措施：樓板厚度不小于130mm，雙層雙向加固，各方向配筋率不小于0.25%，在局部應(yīng)力較大的地方應(yīng)根據(jù)計(jì)算結(jié)果增加配筋。并控制鋼筋的拉力，確保地震時(shí)樓板剪力得到有效傳遞，提高結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。

（9）對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性動(dòng)力分析，得到的最大層間位移角滿足規(guī)范限值要求，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)體系相對(duì)薄弱的部位。在施工圖階段，對(duì)局部破壞整體剛度的墻體單元，加強(qiáng)約束邊緣單元的加固和墻體單元的豎向和水平分布。

5 結(jié)語(yǔ)

總而言之，受到地震作用與風(fēng)荷載的影響，采用軟件分析方式，使各式指標(biāo)保持一致，框架—核心筒結(jié)構(gòu)構(gòu)建保持在彈性階段，其承載能力和變形能力可以滿足建筑規(guī)范的要求。在頻繁地震和風(fēng)荷載作用下，PKPM 和YJK 兩款軟件分析的指標(biāo)基本一致；結(jié)構(gòu)構(gòu)件處于彈性階段，承載能力和變形能力滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。在設(shè)防烈度地震作用下，下部配筋部位的剪力墻和柱處于不撓曲狀態(tài)，可以滿足“中震可修”的抗震性能指標(biāo)。在罕見(jiàn)地震作用下，結(jié)構(gòu)層間彈塑性位移和位移角滿足規(guī)范限值要求，結(jié)構(gòu)主要抗側(cè)力構(gòu)件未受到嚴(yán)重破壞；能達(dá)到“不遭受大地震”的抗震性能指標(biāo)?？梢?jiàn)，該結(jié)構(gòu)在抗震性能指標(biāo)設(shè)定的規(guī)定地震動(dòng)下，滿足各等級(jí)抗震性能的要求，安全、可靠、合理，符合規(guī)范要求。