溫正慧,周建榮,陳厚飛,周 斌

(1.宏地置業(yè)集團(tuán)有限公司,浙江 溫州 325106；2.溫州市城市道路建設(shè)研究中心,浙江 溫州 325000;3.融創(chuàng)集團(tuán)東南公司, 浙江 溫州 325000;4.臺州市城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,浙江 臺州 318000)

1 工程概況

東海廣場位于溫州市城市中心區(qū)西南部,東北靠市府大道,東南為劃龍河,西為站東路。主要規(guī)劃為超高層辦公樓、商業(yè)樓,地上建筑面積92 482 m2,地下室總建筑面積45 703 m2,建筑立、剖面見圖1。

東海廣場主塔樓為辦公樓,地上主體44層,高度189.75 m,地下室3層,屬于B級高度高層建筑。其中13層及28層為避難兼機(jī)電設(shè)備層,結(jié)構(gòu)在該兩層設(shè)置加強(qiáng)層。該工程抗震設(shè)防烈度為6度,場地類別為Ⅵ類,設(shè)計(jì)地震分組為第一組,設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.05 g,設(shè)計(jì)特征周期為0.65 s。建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級,設(shè)計(jì)使用年限為50年,結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.0。100年重現(xiàn)期基本風(fēng)壓為0.70 kPa,地面粗糙度為B類,基本雪壓為0.35 kPa。該項(xiàng)目地處沿海,常年經(jīng)受臺風(fēng),因此風(fēng)荷載較大。

2 結(jié)構(gòu)體系和超限情況

2.1 結(jié)構(gòu)體系

東海廣場主塔樓采用框架核心筒結(jié)構(gòu)體系。為保證地下室頂板的嵌固作用,塔樓地下室頂板厚度均≥200 mm,地下1層的剪切剛度大于地上1層剪切剛度的2倍,滿足嵌固條件。

圖1 工程立面剖面圖

圖2為辦公區(qū)部位的典型樓層,結(jié)構(gòu)平面尺寸為54 m×22.4 m,寬比約為8.5,核心筒平面呈長方形,位置偏左,屬核心筒偏置。核心筒混凝土強(qiáng)度等級從低到高為C40～C60,核心筒剪力墻厚度從上到下為400～800 mm。結(jié)構(gòu)外圍框架柱均采用SRC截面柱,鋼骨的含鋼率為4%～5.5%。采用SRC柱是由于其具有較高的承載能力和良好的延性耗能能力,并且也利于建筑防火。28層以上變?yōu)槠胀ɑ炷林?并根據(jù)建筑內(nèi)退造型傾斜。塔樓典型框架SRC柱截面尺寸從上到下為φ1 100～φ1 700,SRC柱混凝土強(qiáng)度等級從上到下為C40～C60。

圖2 辦公區(qū)標(biāo)準(zhǔn)層

樓蓋體系為常規(guī)鋼筋混凝土梁板體系。標(biāo)準(zhǔn)層樓板厚度一般為120 mm,在加強(qiáng)層及上下樓層板厚加厚為200 mm及150 mm,同時(shí)配筋進(jìn)行加強(qiáng)。

東海廣場屬于B級高度的超限高層結(jié)構(gòu),其Y向面寬較小,高寬比較大(8.5),Y向抗側(cè)向力剛度較X向偏小很多,因此本工程在避難層(13、28層)采用伸臂桁架加強(qiáng)其Y向剛度。伸臂桁架采用Q345B級工字鋼,并在混凝土核心筒同桁架相連部位墻體內(nèi)部設(shè)置鋼骨柱,其設(shè)置情況見圖3。型鋼混凝土柱截面見圖4。

圖3 伸臂桁架做法

圖4 型鋼混凝土柱截面

2.2 結(jié)構(gòu)超限情況

結(jié)構(gòu)高度189.75 m,超過A級高度限值150 m,屬于B級高度的超限高層。考慮偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比超過1.2,但是小于1.4；首層框柱高度10 m,層高為辦公區(qū)標(biāo)準(zhǔn)層的2.5倍。13層及28層為避難層,同時(shí)設(shè)置結(jié)構(gòu)加強(qiáng)層。本工程高度未超過200 m,根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(JGJ 3—2010)》(以下簡稱《高規(guī)》)第3.11.4條要求，可采用靜力彈塑性分析方法(Pushover推覆)進(jìn)行彈塑性分析來評估結(jié)構(gòu)的抗震性能。

2.3 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防性能目標(biāo)

本工程為B級高度的超高層建筑。為確保安全,對本建筑采用了性能化設(shè)計(jì),抗震性能目標(biāo)設(shè)為D級,主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能目標(biāo)見表1。

表1 抗震設(shè)防性能目標(biāo)D級

3 多遇地震及風(fēng)荷載作用分析

3.1 彈性靜力分析

本工程采用PKPM-SATWE和MIDAS Building軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體彈性計(jì)算分析,計(jì)算結(jié)果匯總見表2。

比較兩種軟件計(jì)算結(jié)果可知,PKPM-SATWE算得的整體質(zhì)量及基底剪力比MIDAS Building略偏大,其他指標(biāo)基本一致。根據(jù)《高規(guī)》3.7.3要求插值計(jì)算得本高層建筑位移角限值為1/645。結(jié)構(gòu)最大層間位移角為Y向風(fēng)荷載作用下的計(jì)算值1/690,滿足規(guī)范要求。根據(jù)以上可知計(jì)算結(jié)果是可靠和可信的。本工程各項(xiàng)整體指標(biāo)均滿足抗震規(guī)范及高層規(guī)范的有關(guān)要求,墻柱軸壓比均控制在0.5以內(nèi),構(gòu)件強(qiáng)度和變形均能滿足相關(guān)規(guī)范要求。

表2 主要分析結(jié)果

3.2 多遇地震作用下彈性時(shí)程分析

采用2組天然波和1組人工波對結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性時(shí)程分析。在地震波計(jì)算下,底部剪力均滿足大于CQC法的65%,三組地震波分析所得底部剪力平均值大于CQC法的80%,滿足規(guī)范要求?？拐鹪O(shè)計(jì)時(shí)宜采用三組時(shí)程分析結(jié)果的包絡(luò)值與振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的較大值。在結(jié)構(gòu)低區(qū)反應(yīng)譜法結(jié)果要大于時(shí)程分析法包絡(luò)值結(jié)果,在高區(qū)局部樓層,時(shí)程分析法的包絡(luò)值要大于反應(yīng)譜法結(jié)果。

4 結(jié)構(gòu)大震靜力彈塑性(Pushover)分析

東海廣場高度為189.75 m,根據(jù)《高規(guī)》 3.11.4條規(guī)定,可采用靜力彈塑性分析方法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行大震分析。因此本工程采用MIDAS Building通用有限元軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行Pushover分析。Pushover方法是一種計(jì)算非線性地震反應(yīng)的簡化方法,因?yàn)楹啽愫鸵撞僮鞅徽J(rèn)為是基于性能分析方法的重要工具[1]。該方法基本原理為對結(jié)構(gòu)施加沿高度呈某種分布(均勻分布、倒三角、拋物線)的遞增荷載來將結(jié)構(gòu)推覆至位移限值或形成倒塌機(jī)制,了解結(jié)構(gòu)的彈塑性性能以及結(jié)構(gòu)薄弱部位,從而對結(jié)構(gòu)的薄弱部分進(jìn)行評估[2]。本工程高度較高,為考慮超高層結(jié)構(gòu)高階振型的影響,因此本文采用振型分解法得到的沿樓層分布的層剪力作為側(cè)向加載模式來考慮高階陣型的影響。

4.1 材料本構(gòu)關(guān)系

梁柱單元的骨架曲線均采用三折線,計(jì)算時(shí)采用MM相關(guān)曲線來模擬梁彎矩彈塑性本構(gòu)關(guān)系,采用PMM相關(guān)曲面來模擬柱的三維彈塑性本構(gòu)關(guān)系。剪力墻則采用纖維模型來模擬,墻纖維數(shù)量水平和豎向均劃分為4個(gè)。采用纖維模型可以獲得墻體具體部位的變形和受力情況,方便我們判斷墻體的破壞程度?；炷良颁摬臏啬Ｐ偷谋緲?gòu)關(guān)系按規(guī)范取用,見圖5、圖6。

圖5 混凝土單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖6 雙折線鋼筋本構(gòu)關(guān)系

4.2 靜力彈塑性計(jì)算結(jié)果分析

推覆分析時(shí)施加的初始荷載為1.0恒+0.5活。計(jì)算分析后根據(jù)ATC-40方法確定性能點(diǎn)的位置,性能控制點(diǎn)在一定程度上反映了結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的性能特點(diǎn)。在加載過程中,控制屋頂水平位移超過限值時(shí)結(jié)束推覆分析[3],從而得到X向及Y向的能力譜和需求譜曲線,他們的交點(diǎn)為性能點(diǎn),見圖7、圖8。從圖中可知X向性能點(diǎn)對應(yīng)的結(jié)構(gòu)最大層間位移角1/668,頂點(diǎn)位移為163 mm；Y向性能點(diǎn)對應(yīng)的結(jié)構(gòu)最大層間位移角1/402,頂點(diǎn)位移為356 mm。這是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)Y向抗側(cè)剛度要明顯弱于X向。在罕遇地震作用下,結(jié)構(gòu)無薄弱層,豎向構(gòu)件最大層間位移角滿足規(guī)范1/100的要求且有較大余地。其性能點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果匯總見表3。

表3 性能點(diǎn)處相關(guān)指標(biāo)

圖7 X向Pushover分析大震下性能點(diǎn)

圖8 Y向Pushover分析大震下性能點(diǎn)

圖9 Pushover分析大震下樓層剪力分布

大震彈塑性相關(guān)計(jì)算結(jié)果圖形見圖7～11。根據(jù)計(jì)算分析可知,結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下未出現(xiàn)較大不可恢復(fù)的變形和破壞,滿足“大震不倒”的抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)。在性能點(diǎn)處,底部加強(qiáng)部位的剪力墻及框架柱均未出現(xiàn)較大的變形和破壞,連梁及框架梁部位有塑性鉸出現(xiàn)。上部的塑性變形主要集中在28～32層部位,塑性變形區(qū)域不多,且均為梁鉸屈服。核心筒底部加強(qiáng)區(qū)的剪力墻均未屈服。推覆分析下X向的基底剪力為39 180 kN,為反應(yīng)譜法的4.20倍；Y向基底剪力為39 930 kN,為基底剪力法的4.37倍。結(jié)構(gòu)兩個(gè)方向的剛度相差較大,因此兩個(gè)方向的位移角沿層高的分布曲線也差別較大。由于在13層及28層設(shè)置了加強(qiáng)層,因此在加強(qiáng)層部位層間位移角有突變(圖10)。一般情況下,性能點(diǎn)處的基底剪力約為反應(yīng)譜法分析得出的基底剪力的3～5倍。根據(jù)以上分析可知，基底剪力計(jì)算結(jié)果是合理的。該結(jié)構(gòu)塑性變形區(qū)域并不多, 而且最大位移角為1/668(X向)和1/402(Y向),同規(guī)范的1/100相比留有較大余地。這是由于該建筑核心筒尺寸較大且核心筒剪力墻較厚,整體剛度較大,因此具有較好的抗震性能。

圖10 Pushover分析大震下層間位移角分布

圖11 Pushover分析大震下框架鉸狀態(tài)

5 結(jié) 語

本文對溫州東海廣場超高層結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的抗震性能進(jìn)行了分析研究。由分析可知,在多遇地震作用下,該建筑周期比、側(cè)向剛度、豎向規(guī)則性等指標(biāo)均符合現(xiàn)行規(guī)范的要求；經(jīng)過靜力彈塑性分析可知,在罕遇地震作用下,結(jié)構(gòu)Y向較X向薄弱,這是由建筑平面造成的,結(jié)構(gòu)能滿足變形要求及重要構(gòu)件不發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞的設(shè)防要求[4]。剪力墻底部加強(qiáng)部位軸壓比較小,只有連梁部位出現(xiàn)了極少部位的塑性變形；整體結(jié)構(gòu)框架部分也只有少量框架梁產(chǎn)生了塑性鉸,主要集中在28～32層部位。因此該結(jié)構(gòu)在遭遇罕遇地震作用時(shí),能滿足“小震不壞,中震可修,大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo),是安全可靠的。