王營濤 張小偉 周明

摘 要 結合一超限高層建筑的結構設計分析過程中使用的分析方法，探討了針對于此類型超高層設計的分析思路，通過大量的軟件數(shù)據(jù)分析，針對性的采取了加強措施，確保建筑在地震作用下的抗震性能水平，為類似結構設計提供一定的參考作用。

關鍵詞 超高層;性能設計;動力彈塑性時程分析

1工程概況

1.1 基本信息

該項目位于烏魯木齊市水磨溝區(qū)紅光山片區(qū)，會展大道東側，龍盛街以北，北鄰在建的‘紅星美凱龍家居世博廣場，南側為益民大廈，總建筑面積57819.34㎡。本項目地上共33層，由一棟塔樓組成。塔樓為33層辦公樓，主屋面高度為142.95米（地下一層臨空，計算高度已算至負二層頂板），屋面以上設備夾層、擦窗機軌道層及幕墻圍護，幕墻頂高度為147.45米。塔樓以4.05米層高辦公空間為主，避難層為3.9m層高，負一～三層為5.4米層高，四層為4.2米層高，其中負一層和一層局部為商業(yè)。本項目設四層地下室（結構按地下三層計算，負一層地下室由于四面無土體約束按地上算并計入總高度），負二至負四層主要為汽車庫及設備用房。本項目為超限高層建筑工程，其超限情況簡要概述：結構體系框架-核心筒結構，建筑高度142.95，超B級高度（140m）限值。主要結構分析軟件：①《YJK建筑結構空間有限元分析和設計軟件》（V2020-2.0.3版）北京盈建科股份有限公司開發(fā)研制。②《PKPM-SAUSAGE 高性能彈塑性動力時程分析軟件》 中國建筑科學研究院廣州建研數(shù)力建筑科技有限公司開發(fā)研制[1]。

1.2 地震作用

根據(jù)國家規(guī)范有關規(guī)定，抗震設防的設計參數(shù)：①抗震設防基本標準抗震設防烈度：8度;設計基本地震加速度值：0.16g;②本工程考慮地震斷裂帶影響按0.16x1.1=0.176; ③建筑場地類別：Ⅱ類場地;④設計地震分組：第2組，Tg=0.40s;⑤水平地震影響系數(shù)最大值多遇地震：0.176，設防地震：0.495，罕遇地震：0.99;⑥振型分解反應譜法按CQC法組合;⑦時程分析實際地震記錄（天然波）從天然波波庫選取，人工模擬加速度時程曲線從人工波波庫選取;⑧結構阻尼比0.05;⑨地震波持續(xù)時間T>5T1且>15s;10.周期折減系數(shù)：0.80。

2結構布局

2.1 概述

塔樓采用框架-核心筒結構，地上共33層，由一棟塔樓組成。塔樓為33層辦公樓，主屋面高度為142.95米，屋面以上設備夾層、擦窗機軌道層及幕墻圍護，幕墻頂高度為147.45米。塔樓以4.05米層高辦公空間為主，避難層為3.9m層高，負一～三層為5.4米層高，四層為4.2米層高，其中負一層和一層局部為商業(yè)。本項目設四層地下室（結構按地下三層計算，負一層地下室由于四面無土體約束按地上算），樓蓋均采用現(xiàn)澆普通鋼筋混凝土梁板體系。

2.2 結構主要構件信息（表1）

2.3 結構計算嵌固端

本工程地下室頂板滿足以下條件：

（1） 負二層頂板無大開洞存在;地上結構頂板采用普通現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板結構;樓板厚度為180mm，混凝土強度等級為C30，采用雙層雙向配筋，且每層每個方向最小配筋率為0.25%;

（2） 按剪切剛度計算的結構地上一層側向剛度小于相關范圍地下一層側向剛度的0.5倍;且地下室周邊有與頂板相連的抗震墻;

（3） 地下室頂板對應于地上框架柱的梁柱節(jié)點按《抗規(guī)》6.1.14條有關構造要求進行設計。

由此判定：負二層頂板可以作為上部結構的嵌固端。

3抗震性能目標

3.1 抗震設防性能目標

本項目的抗震設計在滿足國家、地方規(guī)范的規(guī)定和要求外，將根據(jù)相關規(guī)范，采用結構抗震性能設計方法。建筑抗震性能設計可以立足于承載力和變形能力的綜合考慮，具有很強的針對性和靈活性。針對具體工程的需要和可能，可以對整個結構或某些部位及關鍵構件，靈活運用各種措施達到預期的性能目標[2]。

根據(jù)《高規(guī)》3.11.1、3.11.2條規(guī)定，結構抗震性能設計的要求，抗震設防性能目標分為A、B、C、D四個等級，抗震性能分為1、2、3、4、5五個水準。對于本工程項目，綜合考慮抗震設防類別、設防烈度、場地條件、結構的特殊性、建造費用、震后損失和修復難易程度等因素，結構抗震性能目標擬采用D級;相應的性能水準如下表2-1所示。塔樓的結構抗震性能水準按下表2-2進行判別：

3.2 地震作用下的結構分析方法

4多遇地震分析結果

結算結果指標：

（1）結構自震周期：T1=2.9399S T2=2.6604S? ?T3=2.3991S。

（2）樓層最大層間彈性位移角：風X=1/2078（20F）風Y=1/3491（17F），地震X=1/812（28F） 地震Y=1/1046（25F）。

（3）最大位移與層平均位移比：X=1.23 （1F） Y=1.28 （1F）。

（4）最大層間位移與平均層間位移比：X=1.23 （1F）? Y=1.28 （14F）。

（5）最小剪重比：X=3.525%? Y=13.52%。

分析結果表明在地震作用下，框架部分所占剪力均勻合理;框架部分最大剪力滿足大于結構底部地震剪力的10%，滿足《高規(guī)》9.1.11條;各樓層框架柱剪力經(jīng)分段調(diào)整后均需滿足《高規(guī)》8.1.4條（0.2V0調(diào)整）。剪力墻下部承受很大的剪力，向上逐漸減小，到頂部時剪力墻承受負剪力;框架與剪力墻部分在頂層剪力相反，框架部分和剪力墻部分在頂層有相互作用的集中力，表明結構有良好的框剪共同作用的力學性能。計算結果表明，框架部分能夠形成有效的二道防線，結構設計基本合理;同時，根據(jù)相關規(guī)范，對框架作相應的剪力調(diào)整，尤其是底層，擬參照框架-核心筒結構體系的要求對框架剪力作加強調(diào)整。

5設防烈度地震作用下分析

5.1 中震驗算的主要對象

結構在設防地震下，整體剛度及組成結構的主要構件的承載力，包括關鍵構件（如加強層伸臂、支撐伸臂作用的周邊環(huán)帶結構及豎向支撐構件、承托上部多個樓層框架柱的腰桁架，底部加強區(qū)重要的剪力墻），普通豎向構件（一般剪力墻、柱），耗能構件（連梁、框架梁）。本工程性能設防目標為D級，根據(jù)《高規(guī)》3.11.1結構抗震性能目標為在多遇地震下應滿足第1性能水準的要求，在設防地震作用下應滿足第4性能水準的要求，在預估的罕遇地震作用下應滿足第5性能水準的要求[3]。

5.2 設防烈度（中震）構件承載力驗算

根據(jù)性能目標，針對第二水準（中震可修）下的中震組合效應進行構件承載力驗算。

構件承載力驗算時，目前較為常見的技術手段有兩種：

一是“中震彈性”，即結構在中震作用下，結構承載力滿足彈性設計要求，計算時不考慮地震內(nèi)力調(diào)整系數(shù)，其他基本同抗震設計的第一階段（小震彈性），采用與小震時相同的作用分項系數(shù)、材料分項系數(shù)和抗震承載力調(diào)整系數(shù)，材料強度取設計值，不考慮風荷載參與組合。二是“中震不屈服”，即采用振型分解反應譜法計算地震效應，取消內(nèi)力調(diào)整，荷載和地震作用分項系數(shù)取1.0（組合值系數(shù)不變），截面驗算采用材料強度標準值，不考慮抗震承載力的調(diào)整，且不考慮風荷載參與組合，考慮到中震不屈服驗算時有部分構件出現(xiàn)抗彎屈服，參考抗震規(guī)范的相關建議，適當調(diào)整結構阻尼比為0.06。

5.3 各構件在中震的作用下，其抗震性能如下所述：

（1）連梁在中震作用下，部分出現(xiàn)抗彎屈服，通過連梁剪壓比計算結果統(tǒng)計來看，連梁剪壓比在一定富裕，可以滿足預定抗震性能目標。

（2）框架梁在中震作用下，少部分框梁出現(xiàn)輕微抗彎屈服，通過框架梁計算結果來看，框架梁抗剪承載力存在很大富裕，可以滿足預定抗震性能目標。

（3）剪力墻在中震作用下，均能滿足中震抗彎抗剪不屈服的要求，其中抗剪承載力具有一定的富余。

（4）框架柱抗彎抗剪滿足中震不屈服，特別是抗剪承載力具有較大的富余。

（5）底部加強區(qū)的筒體邊部墻體在中震下存在偏心受拉，拉應力已大于混凝土的抗拉強度標準值，故增設型鋼加強。

通過中震分析，結構體系中豎向構件在中震下基本保持著良好的工作性能，而水平構件中——框架梁和作為結構主要的耗能構件的連梁在地震作用下出現(xiàn)部分受彎屈服，但不嚴重，抗剪存在一定富裕，均可滿足中震不屈服的要求。本結構的設計上保證了中震彈性及不屈服概念的具體落實，也即實現(xiàn)了中震可修的性能水準，同時，也體現(xiàn)了地震中各構件的屈服順序基本上是首先耗能構件的連梁和框架梁部分屈服，然后是剪力墻底部塑性鉸區(qū)的受彎接近屈服，框架柱則沒有出現(xiàn)屈服的情況，體現(xiàn)了框架作為二道防線的框剪結構的特點。綜上所述，結構可以滿足預定的中震性能目標。

6罕遇地震作用下動力彈塑性時程分析

6.1 分析目的

《高規(guī)》第5.1.13條規(guī)定“B級高度的高層建筑、混合結構和復雜高層建筑結構，宜采用彈塑性靜力或彈塑性動力分析方法補充計算”。本工程屬于超過《高規(guī)》3.3.1-2中B級最大適用高度的一般不規(guī)則結構，有必要了解結構在罕遇地震作用下的性態(tài)。

動力彈塑性時程分析方法可以考慮包括幾何、材料、邊界條件等各種復雜的非線性因素;還可以反映地面運動的方向、特性、持續(xù)時間的影響及地基和結構相互作用以及分塊阻尼等問題。

作為傳統(tǒng)承載力設計方法的必要補充，動力彈塑性時程分析方法是一種直接基于結構動力方程的數(shù)值分析方法，是將結構作為彈塑性振動體系直接按照地震波數(shù)據(jù)輸入地面運動時的加速度，然后得到結構在地面加速度隨時間變化期間內(nèi)的各個質點位移、速度、加速度和構件的內(nèi)力，通過給出結構開裂和屈服的順序來發(fā)現(xiàn)應力和變形的集中部位，來判別結構的屈服機制、薄弱環(huán)節(jié)及可能破壞類型，通過設計加強措施來保證結構具有較好的承載能力和延性，滿足罕遇地震性能目標的抗震設防要求。

6.2 構件性能目標

《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》（JGJ3-2010）新增加了第3.11節(jié)——結構抗震性能設計，將結構的抗震性能分為五個水準，對應的構件損壞程度則分為“無損壞、輕微損壞、輕度損壞、中度損壞、比較嚴重損壞”五個級別。

鋼筋混凝土構件除了考察鋼筋塑性應變，還要考察混凝土材料的受壓損傷情況，其程度以損傷因子表示。剪力墻構件由“多個細分混凝土殼元+分層分布鋼筋+兩端約束邊緣構件桿元”共同構成，但對整個剪力墻構件而言，如下圖所示，由于墻肢面內(nèi)一般不滿足平截面假定，在邊緣混凝土單元出現(xiàn)受壓損傷后，構件承載力不會立即下降，其損壞判斷標準應有所放寬?？紤]到剪力墻的初始軸壓比通常為0.5～0.6，當50%的橫截面受壓損傷達到0.5時，構件整體抗壓和抗剪承載力剩余約75%，仍可承擔重力荷載，因此以剪力墻受壓損傷橫截面面積作為其嚴重損壞的主要判斷標準。連梁和樓板的損壞程度判別標準與剪力墻類似，樓板以承擔豎向荷載為主，且具有雙向傳力性質，小于半跨寬度范圍內(nèi)的樓板受壓損傷達到0.5時，尚不至于出現(xiàn)嚴重損壞而導致垮塌[4]。

6.3 罕遇地震作用下分析結論

為了更好地了解本項目在大震（50年超越概率為2%，2500年回歸期）作用下的結構性能，根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》（GB50011-2010）和《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》（JGJ 3-2010）的要求，使用SAUSAGE軟件建立了非線性模型對結構進行非線性時程分析。模型包括了所有的主要結構構件，包括剪力墻、連梁、框架柱和框架梁。模型考慮了幾乎所有主要構件的非線性。

盡管非線性時程分析耗時很長，而且還存在一些不足之處，但總體上來說，分析結果對于評價結構在大震作用下的受力和變形是有指導意義的。分析的主要結果如下：

（1）結構層間彈塑性層間位移角均小于規(guī)范限值要求（1/100），結構主要抗側力構件沒有發(fā)生嚴重破壞，局部構件屈服但不會引起局部倒塌或危及結構的整體安全，結構具有良好的整體性，可滿足“大震不倒”的抗震性能目標要求。

（2）部分剪力墻發(fā)生抗彎曲屈服，部分墻肢受剪屈服，但比例較小，不會出現(xiàn)整片墻肢的剪切屈服和破壞。

（3）框架柱未屈服。結構具有較好的“強柱弱梁”體系。

（4）作為主要耗能構件的連梁、框架梁，大部分樓層連梁及框架梁梁端進入彎曲屈服狀態(tài)，但均未發(fā)生剪切屈服，頂部一些樓層連梁、框架梁端率先彎曲屈服，再向底部、中間樓層發(fā)展;連梁普遍先于框架梁進入屈服狀態(tài)，且完成屈服時間也短于框架梁，結構具有良好的多道防線和耗能體系。施工圖設計時將對核心筒連梁采取增加交叉斜筋、適當提高連梁的配箍率及腰筋的抗震構造措施改善抗剪延性。

結論：罕遇地震作用下各項設計控制指標均滿足性能水準5的抗震性能目標[5]。

7抗震加強措施

（1）提高底部加強部位受彎和受剪承載力;在剪力墻底部加強部位及其上一層，設置約束邊緣構件，加大該部位的配箍率。底部加強部位之上設置兩層過渡層，其配筋較非加強區(qū)適當提高。

（2）底部加強區(qū)剪力墻分布筋配筋率按不小于0.5%控制，且同時滿足中震不屈服的抗剪承載力要求。

（3）對少量剪力過大的連梁，適當提高連梁的配箍率及腰筋，以滿足強剪弱彎的抗震概念設計要求。施工圖設計時將對核心筒連梁采取增加交叉斜筋、適當提高連梁的配箍率及腰筋的抗震構造措施改善抗剪延性。

（4）在底部加強區(qū)（1～3層）混凝土主要受拉墻肢中按計算設置型鋼，以滿足墻肢抗拉、抗剪截面的要求，并進一步提高墻肢延性級抗震性能。

（5）設計時對豎向構件按小震彈性和中震不屈服分析結果包絡設計。

（6）對躍層柱采用設置芯柱及提高抗震等級（特一級）的構造方式提高其承載力和延性，對中庭樓板開洞處，采用加大板厚（150mm）并雙層雙向配筋，控制最小配筋率不小于0.3%。

（7）結論：通過以上計算分析和結構措施，本項目可以滿足建筑功能和使用要求，抗震設防標準合理，滿足高規(guī)性能目標的要求，具有良好的抗震性能。

參考文獻

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