劉富君 阮永輝

（同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，上海200092）

1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目位于云南省昆明市主城區(qū)以南、呈貢新區(qū)西北。項(xiàng)目用地約14 萬(wàn)m2，包含2 棟超高層辦公和9 棟超高層住宅樓，地上總建筑面積約99.5 萬(wàn)m2。本文分析單體為10#樓，該樓建筑高度212.5 m，結(jié)構(gòu)高度194.5 m，地上56層，地下4層（包括一個(gè)自行車庫(kù)夾層）；首層4.8 m，二層4.5 m，標(biāo)準(zhǔn)層層高3.55 m；地上總建筑面積73 047 m2。

該樓采用的是鋼框架偏心支撐結(jié)構(gòu)體系，柱為矩形鋼管混凝土柱，梁多采用H型鋼梁；基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)，底部有大地下室。

采用鋼框架偏心支撐結(jié)構(gòu)體系主要由兩方面的原因：①本結(jié)構(gòu)為8 度（0.2 g）區(qū)大高寬比住宅，適合采用鋼結(jié)構(gòu)，以發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)異的抗震性能；采用剪力墻結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生墻體過(guò)厚及墻肢底部中震拉應(yīng)力過(guò)大兩方面不可接受問(wèn)題。②本結(jié)構(gòu)高194.5 m，不超過(guò)《高層混凝土建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》對(duì)鋼框架偏心支撐結(jié)構(gòu)體系200 m 適用高度的限制要求，避免超限。

2 結(jié)構(gòu)布置

本工程結(jié)構(gòu)高度194.5 m，采用鋼框架偏心支撐結(jié)構(gòu)體系，不屬于高度超限的高層建筑。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱《抗規(guī)》）［1］及《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（以下簡(jiǎn)稱《高鋼規(guī)》）［2］的規(guī)定，鋼框架偏心支撐結(jié)構(gòu)的適用高度為200 m，而《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱《鋼管規(guī)》）［3］則規(guī)定其適用高度為180 m，兩者矛盾。考慮到《高鋼規(guī)》的實(shí)施時(shí)間新于《鋼管規(guī)》，且實(shí)際上，根據(jù)眾多工程經(jīng)驗(yàn)鋼結(jié)構(gòu)住宅工程設(shè)計(jì)基本上多采用《高鋼規(guī)》，故按最大適用高度200 m 考慮，此條也通過(guò)了云南省的抗震設(shè)計(jì)專家評(píng)審。

圖1 本項(xiàng)目效果圖Fig.1 Design sketch of the project

圖2 建筑標(biāo)準(zhǔn)層平面示意圖（單位：mm）Fig.2 The arrangement of standard layer（Unit：mm）

本工程的結(jié)構(gòu)平面布置上，偏心支撐框架主要布置在豎向通道及分戶墻處。立面布置上，在嵌固端以下，偏心支撐框架處改為混凝土剪力墻。布置示意圖見(jiàn)圖3-圖5，構(gòu)件尺寸概況見(jiàn)表1。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)布置圖（粗線為支撐位置）Fig.3 Layout of standard floor（bold line as support position）

本工程嵌固端區(qū)在自行車庫(kù)夾層底，標(biāo)高-3.100，與大地下車庫(kù)頂板的高差為1.1 m，滿足云南省關(guān)于嵌固層錯(cuò)層不應(yīng)大于1.2 m 的地方規(guī)定，具體見(jiàn)圖6。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)層三維模型圖Fig.4 Standard layer three-dimensional model

圖5 結(jié)構(gòu)整體模型圖Fig.5 Structural integral model

表1 構(gòu)件尺寸表Table 1 Component dimension

圖6 嵌固層位置示意圖Fig.6 Schematic diagram of embedded layer position

3 結(jié)構(gòu)分析

3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

本工程所在地區(qū)的地震烈度大，風(fēng)荷載較小，工程本身高度較高，柱間跨度較小，故本文所介紹的結(jié)構(gòu)分析主要是指結(jié)構(gòu)抗震分析。主要設(shè)計(jì)參數(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 主要設(shè)計(jì)參數(shù)Table 2 Main design parameters

3.2 整體抗震性能目標(biāo)及構(gòu)件控制指標(biāo)

按國(guó)家規(guī)范規(guī)定及抗震評(píng)審專家意見(jiàn)，本工程為規(guī)則結(jié)構(gòu)，故按照相關(guān)規(guī)范的要求，性能目標(biāo)設(shè)為：小震不壞，中震可修，大震不倒是合適的。對(duì)于普通的混凝土結(jié)構(gòu)此性能目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)已經(jīng)比較成熟，按照規(guī)范進(jìn)行小震強(qiáng)度及大震變形兩階段設(shè)計(jì)即可。但對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)，尤其對(duì)于框架支撐結(jié)構(gòu)卻有一些特殊性，需要設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)整體及構(gòu)件的控制指標(biāo)進(jìn)行把握。表3 列舉了本工程主要整體及構(gòu)件控制指標(biāo)。

鋼結(jié)構(gòu)的小震及風(fēng)層間位移角限值目的是控制二次結(jié)構(gòu)的破壞程度，按照規(guī)范規(guī)定及建議［1～5］，最大可取1/250，適當(dāng)提高取1/270 左右是比較合適的，但由于本工程高度較高，高寬比較大，故抗震專家組對(duì)本項(xiàng)目提出了更高要求，取為1/300，也同《鋼管規(guī)》的規(guī)定一致。鋼結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)周期比在現(xiàn)有的國(guó)家規(guī)范中沒(méi)有規(guī)定，根據(jù)《抗規(guī)》條文說(shuō)明取為0.9 是合適的，本工程扭轉(zhuǎn)周期比比較好控制，故采用混凝土結(jié)構(gòu)的要求取0.85。柱軸壓比限值在除《鋼管規(guī)》以外的規(guī)范均沒(méi)有規(guī)定，考慮本工程的規(guī)模，按一級(jí)抗震等級(jí)的要求取為0.7。耗能梁設(shè)計(jì)成中震屈服有利于降低耗能梁及與耗能梁相連構(gòu)件的設(shè)計(jì)困難。支撐和柱可以部分屈服但不應(yīng)破壞（退出工作），考慮到支撐退出工作可能導(dǎo)致整個(gè)體系性質(zhì)的改變，故對(duì)支撐提出了更高的要求。

表3 主要控制指標(biāo)Table 3 Major control indicators

3.3 分析方法

（1）小震彈性分析。結(jié)構(gòu)整體分析采用考慮二階效應(yīng)（P-Δ）的振型分解反應(yīng)譜法，并采用時(shí)程法進(jìn)行補(bǔ)充驗(yàn)算。構(gòu)件內(nèi)力分析分為一階彈性分析和二階彈性分析（并于每層柱頂考慮假想水平力）。對(duì)于較高的鋼結(jié)構(gòu)而言宜采用二階分析方法，一方面能保證滿足規(guī)范要求（二階方法通用，一階方法有一定的限定條件）；另一方面對(duì)柱計(jì)算長(zhǎng)度的計(jì)算更加明確。若采用一階分析方法，計(jì)算柱長(zhǎng)度時(shí)需要判斷結(jié)構(gòu)的支撐情況，然后根據(jù)規(guī)范公式進(jìn)行計(jì)算，而現(xiàn)階段軟件對(duì)這方面的處理都不是很理想。

（2）大震彈塑性分析。大震彈塑性分析有三種方法：等效大震彈塑性分析；推覆分析；彈塑性時(shí)程分析。等效大震彈塑性分析方法比較粗糙，計(jì)算結(jié)果偏差較大，不適用復(fù)雜架構(gòu)；推覆分析方法亦只適用于較簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)；故本工程采用彈塑性時(shí)程分析方法。利用較準(zhǔn)確的結(jié)果判斷層間位移角、關(guān)鍵構(gòu)件的破壞情況及整體結(jié)構(gòu)的破壞過(guò)程等。

4 分析結(jié)果

4.1 小震彈性分析結(jié)果

表4 為小震主要分析結(jié)果。由結(jié)果可以看出，結(jié)構(gòu)各主要指標(biāo)均滿足規(guī)范或性能目標(biāo)的要求。

表4 小震計(jì)算結(jié)果Table 4 Computational results of small earthquake

采用盈建科時(shí)程分析選波程序選取七條地震波，包括2 條人工波、5 條天然波；地震波均滿足《高鋼規(guī)》對(duì)于地震波的規(guī)定。地震波的反應(yīng)譜對(duì)比圖見(jiàn)圖7。

圖7 地震波反應(yīng)譜與時(shí)程反應(yīng)譜對(duì)比圖Fig.7 Comparisons between seismic response spectrum and time-history response spectrum

根據(jù)規(guī)范要求，選取7 條地震波時(shí)，可以取7條地震時(shí)程反應(yīng)的平均值。計(jì)算結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)在中低區(qū)（50 層以下）反應(yīng)譜法的計(jì)算結(jié)果均大于時(shí)程法，在高區(qū)（50 層以上）時(shí)程計(jì)算結(jié)果略大于反應(yīng)譜法，考慮到結(jié)構(gòu)在高區(qū)構(gòu)件的應(yīng)力比余量都比較大，可以包絡(luò)時(shí)程的計(jì)算結(jié)果，故直接采用反應(yīng)譜法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。圖8、圖9為列舉的時(shí)程法層間位移角結(jié)果。

圖8 小震時(shí)程最大層間位移（X向）Fig.8 Maximum interlayer displacement of small seismic motion time history（X）

圖9 小震時(shí)程最大層間位移（Y向）Fig.9 Maximum interlayer displacement of small seismic motion time history（Y）

4.2 大震彈塑性分析結(jié)果

采用盈建科時(shí)程分析選波程序選取3 條地震波，包括1 條人工波、2 條天然波；地震波均滿足《高鋼規(guī)》對(duì)于地震波的規(guī)定。地震波的反應(yīng)譜對(duì)比圖見(jiàn)圖10。

圖10 地震波反應(yīng)譜與時(shí)程反應(yīng)譜對(duì)比圖Fig.10 Comparisons between seismic response spectrum and time-history response spectrum

根據(jù)規(guī)范要求，選取3 條地震波時(shí)，應(yīng)取3 條地震時(shí)程反應(yīng)的包絡(luò)值。計(jì)算結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)兩個(gè)方向的最大彈塑性位移角為1/60，小于規(guī)范要求的1/50，且柱及支撐的計(jì)算結(jié)果均可達(dá)到本工程控制指標(biāo)的要求。圖11、圖12為時(shí)程法層間位移角結(jié)果，圖13、圖14 為柱及支撐的破壞情況由計(jì)算結(jié)果可知，柱在1～5 層以下屈服數(shù)量占比15%～60%，6 層以上屈服數(shù)量占比均小于7%，滿足不完全屈服的目標(biāo)，且沒(méi)有柱子出現(xiàn)破壞。支撐在1～7 層屈服數(shù)量占比12%～40%，8 層以上屈服數(shù)量占比小于5%，整樓沒(méi)有出現(xiàn)破壞支撐。將1～7 層支撐設(shè)計(jì)成屈曲約束支撐，即可實(shí)現(xiàn)單層支撐屈服數(shù)量占比不大于10%的性能目標(biāo)。

圖11 大震時(shí)程包絡(luò)層間位移角曲線（X向）Fig.11 Maximum inter-ststorey displacement from time history analysis under rare seismic（X）direction

5 特殊構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

5.1 特殊構(gòu)件

圖12 大震時(shí)程包絡(luò)層間位移角曲線（X向）Fig.12 Maximum inter-storey displacement from time history analysis under rare seismic（Y）

圖13 大震柱壓應(yīng)變?cè)茍DFig.13 Pressure strain nephogram of columns under rare earthquake

圖14 大震支撐壓應(yīng)變?cè)茍DFig.14 Pressure strain nephogram of braces under rare earthquake

（1）耗能梁設(shè)計(jì)。耗能梁的性能目標(biāo)是小震彈性、中震屈服。具體設(shè)計(jì)除應(yīng)滿足規(guī)范的要求外有以下兩點(diǎn)特殊之處：①耗能梁宜設(shè)計(jì)為剪切耗能型，故設(shè)計(jì)時(shí)宜使其小震腹板剪切應(yīng)力接近材料的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，中震時(shí)進(jìn)入屈服；翼緣的彎曲應(yīng)力比余量宜略大于腹板剪切應(yīng)力比，有條件時(shí)可將耗能梁設(shè)計(jì)成中震抗彎不屈。②耗能梁的長(zhǎng)度在不同規(guī)范中規(guī)定不同。在耗能梁軸壓比大于0.16 時(shí)，各規(guī)范的規(guī)定相同，均同《抗規(guī)》8.5.3 條；在耗能梁的軸壓比小于0.16時(shí)只有《高鋼規(guī)》規(guī)定了耗能梁的最大長(zhǎng)度，《抗規(guī)》及《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》［4］（以下簡(jiǎn)稱《鋼標(biāo)》）均未做規(guī)定，但《鋼標(biāo)》提出了耗能梁的延性等級(jí)應(yīng)為Ⅰ級(jí)的要求?？紤]到《鋼標(biāo)》是最新的規(guī)范，故當(dāng)工程有條件時(shí)，宜盡量滿足《高鋼規(guī)》的要求，若由于建筑布置等原因確實(shí)沒(méi)有條件時(shí)，也可根據(jù)《鋼標(biāo)》的要求適當(dāng)突破，但不宜全部不滿足《高鋼規(guī)要求》。本工程因建筑布置原因不滿足《高鋼規(guī)》最大長(zhǎng)度要求的耗能梁有4根。

（2）與耗能梁相連的梁。目前此梁在軟件中還不能很好的考慮，不能指定為此特殊構(gòu)件，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)《高鋼規(guī)》7.6.5 條的規(guī)定，自己控制此梁的應(yīng)力比情況，以滿足規(guī)范的要求。

（3）隅撐設(shè)計(jì)。梁的隅撐是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用較為普遍，主要是用來(lái)保證梁下翼緣抗震時(shí)的穩(wěn)定。偏心支撐框架結(jié)構(gòu)的隅撐有三種：普通框架梁端部下翼緣隅撐；耗能梁梁端上下翼緣隅撐；與耗能梁相連的梁的隅撐。隅撐在住宅設(shè)計(jì)中的最大問(wèn)題是影響建筑的使用，故應(yīng)盡量創(chuàng)造條件減少其使用。對(duì)普通框架梁而言，現(xiàn)在最新軟件（盈建科1.9 以上版本）可以直接計(jì)算下翼緣的穩(wěn)定，故在下翼緣滿足穩(wěn)定計(jì)算時(shí)也可不設(shè)置隅撐，當(dāng)不滿足時(shí)，可采用《鋼標(biāo)》6.2.7 條的方法通過(guò)設(shè)置與翼緣等寬的加勁肋解決。與耗能梁相連接的梁的隅撐在不同的規(guī)范中有不同的規(guī)定：《抗規(guī)》規(guī)定應(yīng)設(shè)置，《高鋼規(guī)》規(guī)定只在不滿足穩(wěn)定要求時(shí)設(shè)置。本文認(rèn)為可采用《高鋼規(guī)》規(guī)定，滿足梁的穩(wěn)定要求而取消隅撐，但此時(shí)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意，將梁按壓彎構(gòu)件設(shè)計(jì)，并不考慮其上樓板的作用。耗能梁的隅撐在所有規(guī)范中都規(guī)定應(yīng)該設(shè)置。此時(shí)可盡量將耗能梁段設(shè)置于衛(wèi)生間、樓梯間等方便設(shè)置耗能梁的位置。耗能梁隅撐的作用是防止耗能梁本身的扭轉(zhuǎn)，故也可采用在耗能梁端設(shè)置與其剛接小次梁的方法解決，以最大限度地減小其對(duì)建筑的影響。

（4）偏心支撐與鋼柱連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。支撐一般都為穩(wěn)定控制，故箱形截面支撐應(yīng)用較多，本工程采用便是箱形截面支撐。箱形支撐直接與梁柱剛接連接施工比較麻煩，故宜在端部轉(zhuǎn)成H型鋼。本工程采用的轉(zhuǎn)接節(jié)點(diǎn)見(jiàn)圖15。

圖15 支撐與鋼柱剛接連接Fig.15 Rigid joints of braces and steel columns

6 結(jié) 論

（1）超高層鋼框架偏心支撐結(jié)構(gòu)的諸多設(shè)計(jì)參數(shù)存在空白或選擇的余地，需要設(shè)計(jì)人員根據(jù)實(shí)際情況作出相應(yīng)判斷與選擇，并提前與審圖或評(píng)審專家進(jìn)行有效溝通，如層間位移角、扭轉(zhuǎn)周期比等。

（2）對(duì)非超限鋼框架偏心支撐結(jié)構(gòu)，除應(yīng)滿足規(guī)范要求外，也需根據(jù)工程的特點(diǎn)確定適合的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件性能指標(biāo)，以滿足結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)（小震不壞、中震可修、大震不倒）的要求。

（3）應(yīng)采用滿足規(guī)范且合理的結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)方法。

（4）鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計(jì)由于建筑的需要有諸多的特殊性，如隅撐對(duì)建筑使用功能的影響；需根距建筑特點(diǎn)合理進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置，較好地服務(wù)建筑功能。