王化生

摘? 要 ：隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)進(jìn)程的快速推進(jìn)，超限高層建筑的數(shù)量快速上升，而其在地震工況下的安全性能成為必須重視的問(wèn)題。該文通過(guò)對(duì)泰州某超限高層項(xiàng)目在小震、中震和大震工況下的結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，對(duì)其結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行了全面和準(zhǔn)確的論證，經(jīng)過(guò)論證可知其抗震設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，滿足建筑使用要求，結(jié)構(gòu)方案安全可行，從而最終得出其抗震性能滿足結(jié)構(gòu)安全的結(jié)論。

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

中圖分類號(hào) ： TU352 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 ：A

0 引言

超限高層是指超過(guò)規(guī)范要求限制的高層建筑。隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)進(jìn)程的快速推進(jìn)，建筑規(guī)模的不斷擴(kuò)大以及建筑技術(shù)的長(zhǎng)足進(jìn)步，超限高層建筑出現(xiàn)在我國(guó)絕大多數(shù)城市的開(kāi)發(fā)建設(shè)中，而這其中必須引起充分重視的問(wèn)題之一是它的抗震性能是否能夠滿足結(jié)構(gòu)安全的要求。

1 工程概況

該項(xiàng)目位于泰州市中心 ， 總建筑面積 238 802.23 ㎡，由兩棟超高層辦公塔樓（平面鏡像關(guān)系）和商業(yè)裙房組成。超高層塔樓地上 53 層（1～4F 層高 4.5，5F 以上標(biāo)準(zhǔn)層層高 3.4 m），地下 3 層，總結(jié)構(gòu)高度 186.15 m，平面尺寸57.8m×33.1m 高寬比 5.61，核心筒高寬比 16.15。

結(jié)構(gòu)體系 ：采用鋼筋混凝土框架 - 核心筒結(jié)構(gòu)，樓蓋形式為鋼筋混凝土主次梁樓蓋，核心筒與外框架組成雙重抗側(cè)體系。

主要構(gòu)件：外框柱截面尺寸首層 1500mm×1900mm，2F以上逐次減小，至頂部樓層收至 600mm×800mm;核心筒外墻厚度由首層 1 000 mm 逐次減小，至頂部樓層收至 400 mm;柱墻混凝土強(qiáng)度由底部 C60（1 至 20F） 逐次變化至頂部樓層C40 ;標(biāo)準(zhǔn)層框架梁截面 400mm×600mm（內(nèi)框梁）和 400mm×700mm（外框梁）。

超限判定情況 ：（1）高度超限 ：結(jié)構(gòu)高度 186.15? m大于 7 度區(qū) B 級(jí)高度限值 180 m 。2）扭轉(zhuǎn)不規(guī)則 ：考慮偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比為 1.38，大于規(guī)范判定值 1.2。3）樓板局部不連續(xù) ：2層樓面開(kāi)洞面積約 40.5%，大于規(guī)范判定值 30%，同時(shí)形成3根穿層框架柱，為局部不規(guī)則。

2 結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)

根據(jù)該項(xiàng)目的場(chǎng)地條件、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和社會(huì)影響，初步擬定本項(xiàng)目的抗震性能目標(biāo)為 D 級(jí)。根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》3.11.1 和 3.11.2 的規(guī)定，D 級(jí)性能目標(biāo)表示在多遇地震（小震）下結(jié)構(gòu)基本無(wú)損壞，不需修理即可繼續(xù)使用;在設(shè)防烈度地震（中震）下結(jié)構(gòu)為中度損壞，在修復(fù)或加固后可繼續(xù)使用 ;在罕遇地震（大震）下結(jié)構(gòu)出現(xiàn)比較嚴(yán)重的損壞，但不出現(xiàn)倒塌，需排險(xiǎn)大修。

3 結(jié)構(gòu)整體抗震分析與設(shè)計(jì)

3.1 多遇地震下的彈性分析

該項(xiàng)目基礎(chǔ)分析程序采用北京盈建科軟件有限責(zé)任公司編制的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)軟件 YJK-F（2.0.1 版），同時(shí)采用 Etabs（2018 版）程序進(jìn)行計(jì)算對(duì)比分析，2種模型的計(jì)算結(jié)果接近，整體控制指標(biāo)如下 ：第一、二振型均為平動(dòng)且周期較為接近，Tt/T1 均小于 0.85。樓層質(zhì)量分布除避難層和頂層活載較大，形成一定突變外，其他樓層質(zhì)量分布均勻，該層樓層質(zhì)量與相鄰下一層質(zhì)量比均小于規(guī)范限值 1.50。2個(gè)方向的層間位移角分別為 1/901 和 1/755， 均為地震工況控制，且小于規(guī)范限制（1/659）。層間側(cè)移剛度比值和樓層抗剪承載力比值均在規(guī)范限制范圍內(nèi)，無(wú)軟弱層和薄弱層。地上各樓層在 X 和 Y 方向的剪重比 1.27% 和 1.39% 均滿足規(guī)范要求（>1.2%）。2個(gè)方向的樓層位移曲線均為彎剪型，曲線光滑無(wú)拐角，側(cè)向剛度變化均勻。底部樓層2個(gè)方向框架柱承擔(dān)的傾覆力矩分別為 35.5% 和 29.5%。各層框架柱剪力占底層總剪力的百分比 ：X 向 1～38 層均大于 0.2，不需調(diào)整，39F 及以上需進(jìn)行放大，Y 向 16～36 層均大于0.2，不需調(diào)整，15 層以下和 37 層以上均需要放大，放大系數(shù)按規(guī)范要求取值，以滿足外框架作為第二道抗震防線的要求。彈性時(shí)程分析結(jié)果表明，變形曲線不存在突變，無(wú)薄弱層。7 條波的彈性時(shí)程平均樓層剪力值，除高區(qū)局部樓層需要放大外，其余樓層均小于規(guī)范反應(yīng)譜的計(jì)算值。

3.2 設(shè)防烈度地震下的抗震性能驗(yàn)算

3.2.1 計(jì)算方法與參數(shù)

設(shè)防地震下的結(jié)構(gòu)抗震性能化分析設(shè)計(jì)采用等效彈性算法，水平地震影響系數(shù)最大值為 0.23，阻尼比為 0.05，周期折減系數(shù)為 0.9，連梁剛度折減系數(shù)為 0.5，其它參數(shù)與計(jì)算要求均按規(guī)范要求。

3.2.2 分析結(jié)果

中震下基底剪力基本是小震剪力的 2.6～2.7 倍。關(guān)鍵構(gòu)件 ：底部加強(qiáng)區(qū)墻肢在中震彈性工況下的墻肢水平配筋率均在 0.2%～0.67% 之間，底部 5 層的外框柱箍筋均為構(gòu)造配筋，滿足抗剪彈性性能目標(biāo) ;二者在中震不屈服工況下的驗(yàn)算結(jié)果也表明達(dá)到了抗彎不屈的要求。

普通豎向構(gòu)件 ：剪力墻的水平配筋率約 0.20～0.35%，框架柱的箍筋配筋率均為構(gòu)造配筋，滿足抗剪不屈服 ;剪力墻端柱和外框架柱的計(jì)算配筋與小震小接近，且基本為構(gòu)造配筋，滿足抗彎不屈服。

耗能構(gòu)件 ：中震不屈服工況下，核心筒擱置樓面次梁的連梁和外框架梁均未出現(xiàn)抗剪超筋，滿足中震抗剪不屈服。

底部加強(qiáng)區(qū)核心筒墻肢拉應(yīng)力驗(yàn)算 ：在中震不屈服荷載作用下，底部加強(qiáng)區(qū)核心筒南、北側(cè)墻肢均出現(xiàn)拉應(yīng)力（底層拉應(yīng)力最大），且部分墻肢拉應(yīng)力大于混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值 ftk，根據(jù)當(dāng)?shù)匾?guī)定，對(duì)于拉應(yīng)力超過(guò) ftk 的墻肢均設(shè)置型鋼，含鋼率為 1%～2%，以避免核心筒剪力墻在中震作用下出現(xiàn)受拉破壞。

3.3 罕遇地震下的彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析

3.3.1 計(jì)算軟件與參數(shù)

采用 MIDAS BUILDING 軟件對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震下的彈塑性時(shí)程分析。水平地震影響系數(shù)最大值為 0.5，阻尼比為 0.07，周期不折減，連梁剛度折減系數(shù)為 0.3，其他參數(shù)與計(jì)算要求均按規(guī)范要求。

3.3.2 分析結(jié)果

各組地震波計(jì)算完成后，結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)，滿足“大震不倒”的設(shè)防目標(biāo)。結(jié)構(gòu)在大震彈塑性時(shí)程工況下 X、Y 兩個(gè)主方向基底剪力平均值分別為彈性結(jié)果下的 64.1% 和 67.8%，表示結(jié)構(gòu)整體上進(jìn)入了中度的塑性。結(jié)構(gòu)在 X、Y 兩個(gè)方向位移角分別為 1/112 和 1/121，均滿足小于 1/100 的要求，最大層間位移角不大于 0.9 倍塑性變形限值，未發(fā)生嚴(yán)重破壞。結(jié)構(gòu)整體非彈性耗能，為結(jié)構(gòu)整體耗能的 20～25%，說(shuō)明整體結(jié)構(gòu)具備較好的耗能機(jī)制。底部剪力墻混凝土受壓應(yīng)變?cè)?2 級(jí)以內(nèi)，延性系數(shù)絕大部分小于 1，混凝土未壓潰，鋼筋應(yīng)變等級(jí)在 1 級(jí)以內(nèi)，受拉未屈服。上部剪力墻個(gè)別構(gòu)件剪切應(yīng)變等級(jí)達(dá)到 5 級(jí)，剪力墻進(jìn)入開(kāi)裂狀態(tài)或屈服狀態(tài)，進(jìn)入輕度至中度塑性。連梁中度損害，部分比較嚴(yán)重?fù)p壞，整體上進(jìn)入中度至嚴(yán)重的塑性，在地震中起到了良好的耗能作用。大部分框架柱延性系數(shù)小于 1，個(gè)別構(gòu)件發(fā)生輕度損壞，說(shuō)明框架柱進(jìn)入輕微的塑性?？蚣芰貉有韵禂?shù) D/D2 大部分在 0.8～2 之間，部分框架梁延性系數(shù)超過(guò)了 2.0，進(jìn)入塑性程度較高，框架梁部分構(gòu)件中度損壞。底部五層外框柱及開(kāi)洞躍層柱絕大部分延性系數(shù)小于1，其中塔樓范圍內(nèi)框架柱全處于彈性，延性系數(shù)均在小于1，說(shuō)明底部外框柱及躍層柱在地震作用下處于輕微塑性狀態(tài)，抗震性能良好。剪力墻收進(jìn)層的柱延性系數(shù)均小于 1，處于彈性范圍內(nèi)。收進(jìn)層剪力墻屈服等級(jí)絕大部分處于 2 級(jí)范圍內(nèi)，只有個(gè)別與連梁連接處屈服等級(jí)超過(guò)了 5 級(jí)，延性系數(shù)超過(guò)了 1.0，說(shuō)明剪力墻收進(jìn)處結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能。動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析表明在地震波作用下，核心筒壓彎部分屈服，不發(fā)生混凝土壓潰，剪力墻體剪切變形個(gè)別構(gòu)件破壞，剪力墻底部局部進(jìn)入塑性 ;框架柱基本處于彈性階段，具有較好的二道防線;框架梁及連梁端部形成充分的塑性鉸，實(shí)現(xiàn)了耗能機(jī)制。結(jié)構(gòu)具有良好抗震性能，能實(shí)現(xiàn)既定的抗震性能目標(biāo)。

3.4 特殊構(gòu)件分析

3.4.1 穿層柱分析

入口大堂位置形成跨越二層的穿層柱（3 根），全高9.0 m，通過(guò)線性屈曲分析，得出其計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)均小于《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010）規(guī)定的 1.25，構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)按規(guī)范取值偏于安全。經(jīng)計(jì)算分析，小震和中震工況下穿中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品 2020 NO.5（下） 工 程 技 術(shù)層柱均達(dá)到了抗彎彈性和抗剪彈性 ;大震工況下抗彎和抗剪均不屈服。

3.4.2 二層樓板應(yīng)力分析

除局部核心筒墻體位置及平面凹角區(qū)域應(yīng)力集中外，小震作用下樓板主拉應(yīng)力均遠(yuǎn)小于 C30 混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)值 ft=1.43 N/mm2，滿足小震彈性性能目標(biāo) ;在中震不屈服荷載工況下樓梯間對(duì)應(yīng)的核心筒區(qū)域板的最大主拉應(yīng)力約為 1.8 N/mm2 ，小于樓板混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk=2.01N/mm2。滿足中震不屈服的性能目標(biāo)。中震下樓板主應(yīng)力如圖 1 所示。

4 主要抗震加強(qiáng)措施

4.1 增強(qiáng)核心筒墻體延性的措施

控制墻肢軸壓力和剪力水平，滿足大震截面抗剪要求，確保墻肢在大震下的延性且不發(fā)生剪切破壞 [1] ;核心筒角部和墻肢端部增加配筋，在邊緣構(gòu)件內(nèi)盡量使用箍筋以約束混凝土，對(duì)中震作用下拉應(yīng)力較大的墻肢，增加鋼骨共同承擔(dān)拉力，保證墻肢延性 ;在關(guān)鍵區(qū)域的連梁中布置對(duì)角斜筋，增強(qiáng)連梁延性。

4.2 增強(qiáng)外框架延性的措施

框架柱軸壓比控制在規(guī)范建議的限值 0.75 以內(nèi)。對(duì)于剪跨比小于 2 的柱采用箍筋全高加密，并按規(guī)范適當(dāng)提高體積配箍率?？紤]角柱對(duì)塔樓抗側(cè)剛度貢獻(xiàn)較大，且處于受力不利的位置，因此，加強(qiáng)角柱的配筋，提高角柱的抗震延性。增強(qiáng)抗扭剛度 ：調(diào)整抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的布置，盡量使結(jié)構(gòu)兩方向剛度布置均勻，加強(qiáng)外圍構(gòu)件的剛度，增大結(jié)構(gòu)的抗扭剛度。針對(duì)室內(nèi)外高差 1.2 m 的情況，設(shè)計(jì)中通過(guò)在高差處框架梁頂部加腋的措施，減少錯(cuò)層的不利影響。針對(duì)穿層墻柱、大開(kāi)洞、弱連接的加強(qiáng)措施有3點(diǎn)。1）增大二層入口大堂等處的穿層柱柱頂梁截面尺寸，增加上下樓蓋厚度對(duì)柱的約束。穿層墻柱在計(jì)算上人工復(fù)核柱計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)，進(jìn)行穩(wěn)定屈曲驗(yàn)算，同時(shí)提高穿層柱所承擔(dān)的剪力值（將穿層柱所在樓層的最大柱剪力值附加給每根穿層柱），其他按照前述性能要求進(jìn)行設(shè)計(jì) 。2）構(gòu)造上，柱配筋加強(qiáng)，箍筋全長(zhǎng)加密，墻分布筋配筋率加強(qiáng)，邊緣構(gòu)件配筋加強(qiáng)，箍筋全長(zhǎng)加密。對(duì)于大開(kāi)洞和弱連接部分，加大大開(kāi)洞周邊及上一層相關(guān)位置、弱連接區(qū)域的樓板厚度，雙層雙向配筋 。3）在計(jì)算上補(bǔ)充地震作用下樓板應(yīng)力計(jì)算。

5 結(jié)論

該文討論了采用 YJK、Etabs 程序?qū)φw結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗震、抗風(fēng)驗(yàn)算，各項(xiàng)分析計(jì)算結(jié)果基本吻合，能滿足規(guī)范要求。小震變形曲線不存在突變，無(wú)薄弱層 ;中震計(jì)算表明，在設(shè)防地震作用下，各類構(gòu)件均滿足預(yù)定的性能目標(biāo)。通過(guò)罕遇地震動(dòng)力彈塑性分析，表明結(jié)構(gòu)整體進(jìn)入了中度塑性，未發(fā)生嚴(yán)重破壞，具有較好的耗能機(jī)制和二道防線作用，實(shí)現(xiàn)了既定的抗震性能目標(biāo)。綜合以上分析，該工程抗震設(shè)計(jì)可達(dá)到預(yù)期的性能目標(biāo)，同時(shí)也滿足建筑的使用要求，結(jié)構(gòu)方案是安全可行的。

參考文獻(xiàn)

[1] 李光明 ， 吳宏磊 ， 楊揚(yáng) . 浦發(fā)銀行辦公樓超限高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) [J]. 結(jié)構(gòu)工程師 ，2019，35（3）：1-5.