華陽(yáng)國(guó)際設(shè)計(jì)集團(tuán)深圳公司 廣東深圳 518038

摘要：該項(xiàng)目結(jié)構(gòu)高度197.75m，屬典型的超限高層建筑。采用YJK和ETABS、SAUSAGE有限元分析程序，對(duì)該工程進(jìn)行了詳細(xì)的彈性及彈塑性的計(jì)算分析，根據(jù)分析結(jié)果，就工程中的各項(xiàng)超限指標(biāo)提出了相應(yīng)的概念設(shè)計(jì)原則及處理措施，分析結(jié)果可供類似結(jié)構(gòu)參考。

關(guān)鍵詞：超限高層建筑；抗震性能設(shè)計(jì)；彈性分析；彈塑性分析

1.工程概述

本項(xiàng)目建設(shè)地點(diǎn)位于深圳市羅湖區(qū)，總建筑面積約17.19萬(wàn)m2。本工程地下為4層，地上6層裙房，用于連接兩塔樓。塔樓分為南塔、北塔兩部分。南塔197.95m，用于辦公、酒店，北塔162.1m，用于商務(wù)公寓、辦公。本文著重分析南塔塔樓在多遇地震、設(shè)防烈度地震、罕遇地震作用下的抗震性能。

2.設(shè)計(jì)依據(jù)

場(chǎng)地基本風(fēng)壓0.75kN/㎡，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組。擬建地土類型為中軟場(chǎng)地土，綜合判定建筑場(chǎng)地類別為Ⅱ類，場(chǎng)地地震動(dòng)反應(yīng)特征周期為0.35s。根據(jù)鉆探揭示，場(chǎng)地內(nèi)地層自上而下依次為：（1）填土（石）層（Qml）、（2）第四系沖洪積層（Qal+pl）（3）第四系殘積層（Qal）；（4）下伏基巖石炭系千枚巖（C）。

3.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1結(jié)構(gòu)選型

南塔建筑高度為217.0m，主結(jié)構(gòu)高度為197.75m；為框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，鋼筋混凝土核心筒是塔樓的主要抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系。結(jié)構(gòu)豎向荷載是通過(guò)水平梁板傳遞到剪力墻墻體和框架柱上，再傳遞到基礎(chǔ)；水平荷載以剪力墻承擔(dān)大部分的水平剪力和抗傾覆彎矩，框架柱承擔(dān)少量的水平剪力及抗傾覆彎矩；剪力墻和框架柱通過(guò)樓板的面內(nèi)剛度互相協(xié)調(diào)。樓蓋采用普通現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板體系。

圖一 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置圖

3.2 地基基礎(chǔ)

根據(jù)勘察報(bào)告提供的場(chǎng)地情況，采用旋挖灌注樁基礎(chǔ)，以中、微風(fēng)化千枚巖為樁端持力層，基本保證一柱一樁，傳力直接，構(gòu)造簡(jiǎn)單。本工程地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)。樁基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)考慮恒荷載、活荷載、水浮力、風(fēng)荷載和地震作用的綜合作用下的影響，同時(shí)亦考慮了施工期間對(duì)場(chǎng)地周圍建（構(gòu)）筑物、道路、管線等的影響。

4.超限分析

4.1 結(jié)構(gòu)超限判別：

（1）高度超過(guò)B級(jí)高度；（2）考慮偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比大于1.2，小于1.4；（3）樓板局部不連續(xù)；（4）局部穿層柱；

4.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

分別采用YJK及ETABS兩種三維空間結(jié)構(gòu)分析程序進(jìn)行計(jì)算比較，按振型分解反譜法進(jìn)行抗震計(jì)算及彈性時(shí)程補(bǔ)充分析計(jì)算，模型計(jì)算主要輸入?yún)?shù)見(jiàn)下表：

結(jié)構(gòu)體系框架-核心筒地震力計(jì)算信息單向/雙向

/偶然偏心

結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.0地震力夾角

<風(fēng)荷載夾角>0°/90°

場(chǎng)地土類別II類振型組合數(shù)24

設(shè)防烈度7振型組合方法考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)

CQC

設(shè)計(jì)地震分組第一組結(jié)構(gòu)阻尼比0.05

（小震和中震）

設(shè)計(jì)地震加速度0.10g樓層水平地震

剪力調(diào)整考慮

αmax（Tg）0.08（0.35s）

規(guī)范取值基本風(fēng)壓（kN/㎡）0.75

嵌固端位置地下室頂板地面粗糙類別D

樓板假定剛性（僅位移指標(biāo)

計(jì)算）風(fēng)荷載體型系數(shù)1.4

模型總層數(shù)42周期折減系數(shù)0.85

豎向荷載計(jì)算信息模擬施工加載3

荷載與剛度分層

形成連梁剛度折減0.7

重力二階效應(yīng)

（P-△）考慮中梁剛度放大

系數(shù)由程序自動(dòng)計(jì)算

4.3 抗震性能目標(biāo)

綜合考慮抗震設(shè)防類別、設(shè)防烈度、場(chǎng)地條件、結(jié)構(gòu)本身特點(diǎn)、建造費(fèi)用和修復(fù)難易程度等因素，根據(jù)廣東省《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，進(jìn)行抗震性能評(píng)估時(shí)，南、北塔樓抗震性能目標(biāo)可定為性能 C。

性能目標(biāo)C是指小震下滿足結(jié)構(gòu)抗震性能水準(zhǔn)1的要求，中震下滿足性能水準(zhǔn)3的要求，大震下滿足性能水準(zhǔn)4的要求。

針對(duì)不同的抗震性能水準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震性能目標(biāo)，設(shè)計(jì)時(shí)具體控制指標(biāo)如下表：

結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震性能目標(biāo)

地震烈度多遇地震設(shè)防地震罕遇地震多遇地震結(jié)構(gòu)構(gòu)件

抗震等級(jí)

性能水準(zhǔn)性能水準(zhǔn)1性能水準(zhǔn)3性能水準(zhǔn)4

宏觀損壞程度完好，無(wú)損壞輕度損壞中度損壞

層間位移角限值1/570---1/100

關(guān)鍵構(gòu)件底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻彈性受彎不屈服，受剪彈性受彎不屈服，抗剪不屈服特一級(jí)

框架柱彈性彈性受彎不屈服，抗剪不屈服一級(jí)

普通豎向構(gòu)件其他部位剪力墻彈性受彎不屈服，受剪彈性部分受彎屈服，但滿足受剪截面要求一級(jí)

框架柱彈性受彎不屈服，受剪彈性部分受彎屈服，但滿足受剪截面要求一級(jí)

耗能構(gòu)件連梁彈性部分受彎屈服，受剪不屈服大部分進(jìn)入屈服階段一級(jí)

框架梁彈性部分受彎屈服受剪不屈服大部分進(jìn)入屈服階段一級(jí)

其他弱連接樓板彈性受彎受剪不屈服受剪截面滿足要求并控制鋼筋應(yīng)力/

4.4 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析方法及計(jì)算分析軟件

項(xiàng)次是否考慮風(fēng)荷載計(jì)算分類計(jì)算分析方法計(jì)算分析

軟件

多遇地震（小震）作用是位移指標(biāo)計(jì)算考慮偶然偏心地震作用、剛性樓板、風(fēng)荷載取50年重現(xiàn)期基本風(fēng)壓YJK/Etabs

承載力計(jì)算扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)、彈性樓板、雙向地震作用、風(fēng)荷載取50年重現(xiàn)期基本風(fēng)壓的1.1倍YJK/ Etabs

彈性時(shí)程分析YJK

樓板應(yīng)力分析Etabs

設(shè)防地震（中震）作用否性能目標(biāo)

計(jì)算分析扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)、彈性樓板、雙向地震作用Etabs

樓板應(yīng)力分析Etabs

罕遇地震（大震）作用否性能目標(biāo)

計(jì)算分析彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析SAUSAGE

樓板應(yīng)力分析Sausage/Etabs

多遇地震及風(fēng)荷載作用下的彈性分析

計(jì)算反應(yīng)譜的選擇

基于《安評(píng)報(bào)告》提供的安評(píng)反應(yīng)譜數(shù)據(jù)與規(guī)范反應(yīng)譜相應(yīng)參數(shù)存在差別，在多遇地震作用下的計(jì)算分析中，分別按照規(guī)范反應(yīng)譜和安評(píng)反應(yīng)譜的地震動(dòng)參數(shù)計(jì)算，根據(jù)結(jié)果可以看出，南、北塔按照規(guī)范反應(yīng)譜計(jì)算所得到X向和Y向的結(jié)構(gòu)底部剪力均比安評(píng)反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果要大。因此，在多遇地震作用下的計(jì)算分析中選擇規(guī)范反應(yīng)譜為計(jì)算反應(yīng)譜。

彈性時(shí)程分析

根據(jù)《抗規(guī)》第5.1.2條，該塔樓應(yīng)采用彈性時(shí)程分析方法進(jìn)行多遇地震下的補(bǔ)充計(jì)算。計(jì)算分析時(shí)，將所采用各條地震波的地震影響系數(shù)調(diào)整為0.08（即35cm/s2），并分別沿X向和Y向加載，地震波振型阻尼比ξ為0.05，地震波持續(xù)時(shí)間t實(shí)際地震為40s，地震波的時(shí)間間距△t為0.02s。采用5條天然波和2條人工波進(jìn)行時(shí)程計(jì)算。結(jié)果表明，每條時(shí)程曲線計(jì)算所得基底剪力均在振型分解反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果的65%和135%之間；七條時(shí)程曲線計(jì)算所得基底剪力的平均值均在振型分解反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果的80%和120%之間，滿足《高規(guī)》第4.3.5條的規(guī)定，地震波的選擇滿足規(guī)范要求。經(jīng)分析，在多遇地震及風(fēng)荷載作用下：

（1）兩種軟件分析的各項(xiàng)指標(biāo)、反應(yīng)譜與時(shí)程分析的結(jié)果均具有一致性和規(guī)律性，說(shuō)明分析模型準(zhǔn)確。

（2）各樓層水平地震剪力最小值經(jīng)調(diào)整后滿足規(guī)范限值要求，結(jié)構(gòu)具有足夠的安全度。

（3）反應(yīng)譜分析表明塔樓受力及變形均無(wú)明顯突變，結(jié)構(gòu)具有合適的抗側(cè)剛度。

（4）扭轉(zhuǎn)周期與平動(dòng)周期之比小于0.85，結(jié)構(gòu)具有合適的抗扭剛度。

（5）結(jié)構(gòu)樓層質(zhì)量分布均勻，地震力沿高度方向無(wú)較大突變。

（6）結(jié)構(gòu)構(gòu)件均處于彈性狀態(tài)，承載能力和變形能力均能滿足規(guī)范規(guī)定的要求。

（7）結(jié)構(gòu)剛重比、剪力墻墻肢穩(wěn)定性、整體抗傾覆均滿足規(guī)范要求。

（8）時(shí)程波的選取與規(guī)范譜在統(tǒng)計(jì)意義上相符，分析結(jié)果滿足規(guī)范要求。

結(jié)論：多遇地震及風(fēng)荷載作用下，各項(xiàng)控制指標(biāo)均滿足性能水準(zhǔn)1的抗震性能目標(biāo)。

設(shè)防烈度地震作用下結(jié)構(gòu)抗震性能驗(yàn)算

根據(jù)設(shè)防烈度地震作用下的抗震性能目標(biāo)的要求，對(duì)其進(jìn)行中震彈性（不屈服）判別分析，以判別結(jié)構(gòu)構(gòu)件在中震作用下的抗震性能。

采用ETABS程序進(jìn)行分析，剪力墻受彎按不屈服校核，受剪按彈性校核；底部加強(qiáng)區(qū)框架柱按受彎彈性校核，其它框架柱按受彎不屈服校核；連梁受剪按不屈服校核。中震彈性和中震不屈服計(jì)算模型主要輸入?yún)?shù)詳見(jiàn)下表：

參數(shù)中震彈性設(shè)計(jì)中震不屈服設(shè)計(jì)

樓板模型彈性樓蓋彈性樓蓋

水平地震影響系數(shù)最大值αmax0.230.23

地震組合內(nèi)力調(diào)整系數(shù)1.01.0

作用分項(xiàng)系數(shù)同小震彈性分析1.0

材料分項(xiàng)系數(shù)同小震彈性分析1.0

抗震承載力調(diào)整系數(shù)同小震彈性分析1.0

材料強(qiáng)度采用設(shè)計(jì)值采用標(biāo)準(zhǔn)值

連梁剛度折減系數(shù)0.50.5

是否計(jì)入風(fēng)荷載效應(yīng)不計(jì)入不計(jì)入

其它未示參數(shù)與小震彈性分析同與小震彈性分析同

經(jīng)分析，在設(shè)防烈度地震作用下：

（1）剪力墻均可滿足受彎不屈服的性能目標(biāo)；截面剪壓比滿足彈性的性能目標(biāo)，局部墻肢水平鋼筋配筋率大于構(gòu)造配筋，與小震取包絡(luò)，進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)；

（2）中震作用下，底部和頂部局部墻肢受拉，筒體角部底部2層墻肢W9拉應(yīng)力大于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（2.85Mpa），建議增加型鋼；100年風(fēng)荷載作用下，頂部局部墻肢受拉，拉應(yīng)力均小于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

（3）底部加強(qiáng)區(qū)框架柱滿足受彎彈性的性能目標(biāo)，非底部加強(qiáng)區(qū)框架柱滿足受彎不屈服的性能目標(biāo)。

（4）連梁截面剪壓比滿足不屈服的性能目標(biāo)。

結(jié)論：設(shè)防烈度地震作用下各項(xiàng)設(shè)計(jì)控制指標(biāo)可滿足性能水準(zhǔn)3的抗震性能目標(biāo)。

罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)動(dòng)力彈塑性分析與抗震性能評(píng)價(jià)

采用廣州數(shù)力研發(fā)的SAUSAGE軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)的動(dòng)力彈塑性分析，可以準(zhǔn)確模擬梁、柱、支撐、剪力墻（混凝土剪力墻和帶鋼板剪力墻）和樓板等結(jié)構(gòu)構(gòu)件的彈塑性性能。通過(guò)結(jié)構(gòu)在大震作用下的動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析，結(jié)合結(jié)構(gòu)整體指標(biāo)和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能分析可以得出如下結(jié)論：

1.大震彈塑性基底剪力與小震彈性規(guī)范譜基底剪力比值在4.36-6.23倍之間，處于合理范圍。

2.罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)能保持直立，最大層間位移角1/110<[1/100]，滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，滿足“大震不倒”的基本要求。

3.X、Y向連梁損傷情況差異不大，X向總體損傷情況略大于Y向，說(shuō)明結(jié)構(gòu)2個(gè)方向延性設(shè)計(jì)適宜，筒體大部分連梁均出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的破壞，除局部區(qū)域外，墻肢基本處于彈性工作狀態(tài)，滿足“強(qiáng)墻肢弱連梁”的設(shè)計(jì)概念。

4.框架柱均沒(méi)有出現(xiàn)受壓損壞，鋼筋不屈服，作為二道防線的框架柱具有較好的安全儲(chǔ)備。

5.樓板的受壓損傷主要集中在洞口附近，鋼筋未出現(xiàn)屈服，洞口附近可適當(dāng)附加配筋。

6.薄弱部位：

（1）筒體底部角部小墻肢（3軸B區(qū)域），應(yīng)予以加強(qiáng)，增設(shè)型鋼。

（2）地上8層局部高連梁出現(xiàn)了比較嚴(yán)重的損壞，如3軸A區(qū)域，應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)。

（3）部分墻肢在結(jié)構(gòu)中上部樓層設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)洞口，交界處下部墻肢（如E軸D區(qū)域）局部破壞，應(yīng)予以加強(qiáng)設(shè)計(jì)，提高分布鋼筋配筋率。

結(jié)論：設(shè)罕遇度地震作用下各項(xiàng)設(shè)計(jì)控制指標(biāo)可滿足性能水準(zhǔn)4的抗震性能目標(biāo)。

綜合分析結(jié)論

綜合以上計(jì)算分析結(jié)果，可得到以下結(jié)論：

（1）在多遇地震作用及風(fēng)荷載作用下，YJK和ETABS兩種軟件分析的各項(xiàng)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均能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。時(shí)程分析與反應(yīng)譜之間具有一致性和規(guī)律性，符合工程經(jīng)驗(yàn)及力學(xué)概念所做判斷；能夠滿足“小震不壞”的抗震性能目標(biāo)。

（2）在設(shè)防烈度地震作用下，底部加強(qiáng)區(qū)部位剪力墻及框架柱均滿足受彎不屈服，受剪彈性；其他部位剪力墻、框架梁及連梁僅有少量出現(xiàn)受彎屈服，但受剪不屈服；可滿足“中震可修”的抗震性能目標(biāo)。

（3）在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)層間彈塑性位移及層間位移角均滿足規(guī)范限值要求，結(jié)構(gòu)主要抗側(cè)力構(gòu)件沒(méi)有發(fā)生嚴(yán)重破壞；可滿足“大震不倒”的抗震性能目標(biāo)。

（4）該結(jié)構(gòu)滿足抗震性能目標(biāo)設(shè)定的在指定地面運(yùn)動(dòng)下的各項(xiàng)抗震性能水準(zhǔn)要求，是安全、可靠、合理且滿足規(guī)范要求的。

結(jié)構(gòu)超限主要抗震加強(qiáng)措施

（1）剪力墻底部加強(qiáng)部位的墻身水平和豎向分布筋的最小配筋率不小于0.40%，配筋間距不大于150mm；對(duì)于個(gè)別剪應(yīng)力較高的墻體，其約束邊緣構(gòu)件縱筋配筋率不小于1.5%，構(gòu)造邊緣構(gòu)件時(shí)改為約束邊緣構(gòu)件，水平鋼筋配筋率比規(guī)范限值多0.05%，以提高其延性能力。

（2）設(shè)置約束邊緣構(gòu)件上兩層為過(guò)渡層，適當(dāng)加強(qiáng)過(guò)渡層的配筋。

（3）塔樓與商業(yè)裙樓相連的結(jié)構(gòu)構(gòu)件在相關(guān)范圍內(nèi)框架柱箍筋全柱段加密配置，剪力墻全范圍設(shè)置約束邊緣構(gòu)件。

（4）裙房屋面樓板厚度不小于150mm，并采用雙層雙向配筋；且每層每方向的配筋率不小于0.30%。

（5）對(duì)部分剪力過(guò)大的連梁，適當(dāng)提高連梁的配箍率；局部跨高比小于2.5的連梁，設(shè)置暗撐或交叉斜筋，以滿足強(qiáng)剪弱彎的抗震概念設(shè)計(jì)要求。

結(jié)束語(yǔ)

對(duì)超限高層建筑設(shè)計(jì)建議采用兩種以上不同計(jì)算模型的有限元計(jì)算分析程序，進(jìn)行詳細(xì)的彈性及彈塑性計(jì)算分析，并應(yīng)對(duì)各種程序的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。根據(jù)分析結(jié)果，就工程中各項(xiàng)超限指標(biāo)提出相應(yīng)的概念設(shè)計(jì)原則及處理措施，必要時(shí)從結(jié)構(gòu)體系上予以調(diào)整，從構(gòu)造上加強(qiáng)，以滿足超限高層建筑工程抗震設(shè)防的要求。

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