詹海雷， 壽鈞良， 吳小平， 張陳勝

（1.浙江順為工程技術有限公司，浙江 溫州 325000；2.紹興市軌道交通集團有限公司，浙江 紹興 312000；3.浙江省建筑設計研究院，杭州 310006）

0 引言

地震具有高度不確定性和突發(fā)性，人類依據(jù)現(xiàn)有的知識和資料還遠遠不足以進行準確的地震動區(qū)劃。眾所周知，抗震概念設計是決定結構抗震性能的重要因素，國內(nèi)外歷次大地震震害經(jīng)驗表明，結構布置規(guī)則、符合概念設計的房屋具有較好的抗震性能。

但近年來隨著經(jīng)濟和技術的發(fā)展，某些項目為了實現(xiàn)建筑造型和滿足特殊的建筑功能需求，在結構體型、高度、不規(guī)則程度等方面突破了現(xiàn)行規(guī)范限值，從而出現(xiàn)越來越多的復雜超限高層建筑。此類建筑在強烈地震作用下易形成薄弱部位、出現(xiàn)變形集中而可能遭受較嚴重的破壞。

文獻［1］以杭州余政儲出5號樓為例，該樓高度為162.2m，超A級最大適用高度8.13%，采用框架-核心筒結構，作者利用多軟件對其結構進行計算分析，根據(jù)計算分析結果對剪力墻、連梁及樓板進行加強，以滿足抗震性能化設計要求。

文獻［2］中介紹了浙江新世界財富中心，該建筑北塔樓高度為246m，超B級最大適用高度17.14%，采用框架-核心筒結構，下部樓層采用型鋼混凝土柱，并沿建筑豎向設置了三道環(huán)向鋼筋混凝土桁架，根據(jù)多軟件計算分析結果，可判斷該結構滿足抗震性能化要求。

文中通過對杭州杭政儲出B塔樓抗震研究及設計實踐，針對結構高度超限類結構，提出了針對性的設計建議措施，對該類復雜超限結構的分析計算和抗震設計具有一定的借鑒和指導作用。

1 工程概況

杭政儲出2005（70）號地塊位于杭州市濱江區(qū)，建筑效果圖如圖1所示。建筑面積約20.49萬m2，涵蓋了酒店、辦公、住宅及商業(yè)等多項功能，場地東南側及西北側分別布置了一棟231.7m（A）、231.4m（B）高的塔樓（辦公和住宅），塔樓之間有一棟99.4m（C）高的酒店（場地東北側）。A樓地上70層，B樓地上66層，C樓地上25層。5層裙房作為A、B、C塔樓的底盤，總高度24.5m。場地基本設置了滿鋪地下室，地下室為3層（局部為4層），長126.7m，寬105.8m。

圖1 建筑效果圖

2 結構設計

2.1 B塔樓主要超限情況

（1）高度超限。B塔樓屋頂結構標高231.4m，根據(jù)《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》［3］，抗震設防烈度為6度，對于鋼筋混凝土框架核心筒結構體系，A級最大適用高度為150m，B級最大適用高度為210m。B塔樓超A級最大適用高度59.4%，超B級13.86%。

（2）結構不規(guī)則超限。根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》［4］和《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》［5］，考慮±5%偶然偏心的水平地震力作用下，其扭轉位移比大于1.2，屬于扭轉不規(guī)則。31層處在Y向建筑立面內(nèi)收8.6m，內(nèi)收比例為25.1%，超過25%，屬豎向尺寸突變。分別在30、43、58層設置了環(huán)向桁架加強層，屬于構件間斷不規(guī)則（含加強層）。加強層引起下部樓層抗剪承載力小于上部相鄰樓層的75%，屬抗剪承載力突變。

2.2 結構布置

豎向構件為混凝土柱（下部為型鋼混凝土柱）及混凝土核心筒，水平構件為混凝土梁板。核心筒抗震、抗風，為主要抗側力體系。外框架根據(jù)建筑功能及立面要求布置，起到一定抗側力作用。設計保證外圈核心筒厚度，厚度分別為900mm（地下室）、800mm（裙房部分），700～500mm（主塔樓），同時提高約束邊緣構件配箍率，從而提高其抗震承載力和延性。核心筒內(nèi)縱橫隔墻厚度為250mm、300mm。外圍框架柱采用型鋼混凝土柱（37層樓面以下）。整體結構模型如圖2所示。

圖2 B塔樓整體結構模型

樓層典型樓板厚度：裙房樓板厚150mm；辦公（31層以下）樓板厚120mm；住宅（31層以上）樓板厚140mm；腰桁架加強層樓板厚180mm；屋面層、停機坪樓板厚150mm；地下一層作為上部結構嵌固端，樓板厚180mm；人防區(qū)厚350mm；地下其余各層樓板厚度均為150mm。

B塔樓沿著樓層高度分別在30層（標高103.050）、43層（標高148.950m）和58層（標高200.350m）設置了3個加強層。腰桁架可以增強結構的抗側剛度。經(jīng)計算比較，不設置加強層時最大層間位移角，不滿足規(guī)范1/537（根據(jù)規(guī)范第4.6.3條規(guī)定插值得到）的要求，設置三道加強層后對整體結構的層間位移角能有效控制。B塔樓典型加強層桁架模型及立面圖如圖3。

圖3 B塔樓典型加強層桁架模型及立面圖（單位：mm）

2.3 結構抗震性能設計目標

根據(jù)規(guī)范［3］、［4］，對B塔樓進行抗震性能化設計。綜合考慮技術和經(jīng)濟可行性，針對B塔樓超限情況，選定抗震性能目標為“C”，其在多遇、設防、罕遇地震作用下結構的性能水準、水平及層間位移角限值見表1。繼而確定關鍵結構部件包括主樓核心筒、周邊框架及加強層腰桁架的抗震設計性能目標，如表1所示。

表1 結構抗震設計性能目標

2.4 關鍵結構部件抗震措施

根據(jù)已確定的整體結構及關鍵結構部件抗震性能目標，對B塔樓提出針對性抗震措施。

（1）核心筒?？刂坪诵耐矇χ募魬λ剑炈愫庇龅卣鹱饔脮r不同剪跨比的墻肢抗剪截面，使其不發(fā)生剪切破壞［6］。針對高度超限，將核心筒底部加強區(qū)延伸至第7層樓面標高位置，即裙房屋面以上2層。為保證大震作用下核心筒底部出現(xiàn)塑性鉸后具有足夠大的延性以適應變形，將裙房屋面以上2層的地震剪力放大1.25倍，其核心筒約束邊緣構件及墻身配筋隨之加強，并保證約束邊緣構件配置高度達墻肢軸壓比小于0.25的樓層標高。另驗算所有墻肢在風荷載或小震作用下不得受拉。核心筒剪力墻配置多層鋼筋，確保墻肢受力均勻。

（2）周邊框架。37層樓面以下采用型鋼混凝土柱，適當提高框架柱的體積配箍率，改善框架柱的延性。周邊框架作為第二道抗震防線，設計時嚴于規(guī)范對各樓層框架部分地震剪力進行調整。適當加強嵌固端至裙房屋面上一層的框架柱配筋，其箍筋全高加密以提高延性。

（3）腰桁架加強層。腰桁架使周邊框架柱受力均勻，減小其剪力滯后效應，提高結構剛度。加強層核心筒內(nèi)設置約束邊緣構件，范圍為向下延伸2層，向上延伸1層，并適當提高核心筒抗震等級，保證結構延性。適當加強樓板厚度，配筋雙層雙向，以提高結構的整體性。

3 結構整體分析

3.1 多遇地震作用下結構驗算

為判斷模型分析結果的準確性，采用PKPM和MIDAS Building這2種軟件計算B塔樓的結構總重量及周期，比對發(fā)現(xiàn)兩者基本一致，如表2所示。結構前三階振型如圖4所示，結構剛度中心與質量中心基本一致，扭轉效應小。PKPM其余計算結果見表3，B塔樓雖然存在較多傾斜柱，相較于層間位移角概念中構件為鉛錘的前提，若取柱兩端位移變化與層高之比，則偏于保守，但計算仍按保守取值。B塔樓因在30、43、58層間設置了腰桁架，導致這3層樓層抗剪承載力產(chǎn)生突變，出現(xiàn)薄弱層，設計對薄弱層下2層、上1層的框架、核心筒抗震等級均取一級，同時對其進行中震彈性驗算。

表2 結構總重量及前六階周期對比

表3 多遇地震作用下計算結果

圖4 B塔樓前三階振型

各樓層框架部分承擔的地震剪力=max{min［底部總地震剪力的25%，最大樓層地震剪力1.8倍］，結構底部總地震剪力15%}

3.2 結構彈性時程分析

B塔樓為存在加強層的復雜高層建筑，應采用時程分析法進行多遇地震下的補充驗算，以驗證規(guī)范反應譜法的包絡性［3］。根據(jù)Ⅲ類場地、第三組地震分組，選取天然波TH2TG045、TH4TG045和人工波RH3TG045，與反應譜法得出的基底剪力進行對比，如表4，每條時程曲線計算所得結構基底剪力不小于規(guī)范反應譜法計算結果的65%，多條時程曲線計算的結構基底剪力的平均值不小于振型分解反應譜法計算結果的80%，滿足規(guī)范。根據(jù)結果B塔樓地震力不需要放大。

表4 時程分析與反應譜分析基底剪力比較

3.3 設防地震作用下結構驗算

對結構大底盤及其上一層，各腰桁架及其對應的上1層、下2層的豎向抗側力構件進行中震彈性驗算。計算時，地震作用不再根據(jù)抗震等級增大；填充墻在中震作用下會破壞，因此不考慮其對周期的折減；同樣連梁也會發(fā)生一定程度的破壞，適當減小其剛度折減系數(shù)。

計算結果表明，墻肢與框架柱的軸壓比分別小于0.5與0.75，配筋合理；腰桁架弦桿配筋同樣較為合理，判斷結構可滿足中震彈性要求。并對中震作用下出現(xiàn)受拉狀態(tài)的墻肢，均設置約束邊緣構件。

3.4 罕遇地震作用下彈塑性分析

采用PKPM軟件通過對B塔樓進行靜力彈塑性分析（pushover），從而判斷結構是否能達到罕遇地震作用下的抗震性能目標，另校核其在小震下的受力與變形。分析前，混凝土梁、柱配筋采用計算配筋，按實際配筋復核。根據(jù)計算所得能力-需求譜曲線，找到性能點，并對比性能點狀態(tài)下結構的最大層間位移角是否小于“層間彈塑性位移角限值”即1/100［4］。在模擬持續(xù)增大地震作用的過程中，由構件的塑性鉸開展得出其破壞順序，驗證結構變形是否與預期相符；驗算構件在各性能水準下是否超過其允許變形；并通過定性考察各構件的塑性發(fā)展，標記需要加強的構件。

計算結果表明，結構在小震作用下無屈服，與小震相符。中震時，核心筒墻肢底部加強部位、伸臂加強層及相鄰上1層、下2層處于彈性，其余部位不屈服。當達到6度罕遇地震作用水平時，部分層連梁及框架梁出現(xiàn)塑性鉸，核心筒部分剪力墻、腰桁架出現(xiàn)塑性鉸，框架柱不屈服，符合抗震性能設計。部分計算結果如表5所示，滿足規(guī)范要求。

表5 pushover計算結果

3.5 風載作用下結構舒適度驗算

B塔樓高度不小于150m，應進行風振舒適度驗算及風洞試驗［7］。風洞試驗的主要內(nèi)容是測量建筑模型上的平均風壓與脈動風壓時程，通過數(shù)據(jù)處理、計算分析，得到在各重現(xiàn)期和各風向角風壓作用下塔樓表面風壓值和結構靜、動態(tài)響應，為B塔樓的結構抗風設計提供依據(jù)。

塔樓測壓模型由透明有機玻璃制成，幾何縮尺比為1：250。共布置了888個測壓點。考慮到地塊臨近沒有高層建筑，主要以民房為主，本試驗模擬了大廈周圍300m半徑內(nèi)的建筑物。大廈周圍建筑采用PVC板制成模型模擬，如圖5。

圖5 風洞試驗模型圖

風洞試驗舒適度結果如表6所示，滿足規(guī)范要求。

表6 風洞試驗結果m/s2

按10年一遇的風荷載標準值作用下，結構頂點順風向最大加速度為0.034m/s2（X方向）、0.039m/s2（Y方向），橫風向頂點最大加速度為0.094m/s2（X方向），0.082m/s2（Y方向），均小于規(guī)范對住宅的限值0.15m/s2。

4 結語

通過對帶加強層的超高層B塔樓多軟件計算及對其結果對比分析，結構最終能達到抗震性能目標，驗證了設計合理。以下從大底盤、核心筒、腰桁架加強層、周邊框架展開總結設計經(jīng)驗：

（1）大底盤對于超B級高層結構起到底部約束作用，其屋面及其上一層的豎向抗側力構件應按中震彈性要求進行設計；并可通過對板厚及配筋適當加大從而對其加強。

（2）核心筒抗震、抗風，為主要抗側力體系，應驗算大震下核心筒剪力墻墻肢，使其不得發(fā)生剪切破壞；并通過配置多層鋼筋使墻肢受力均勻。

（3）腰桁架加強層使周邊框架柱受力均勻，減小其剪力滯后效應，提高結構整體剛度。其設置位置可利用建筑避難層。對其引起的相鄰樓層抗剪承載力突變問題，考慮將加強層下兩層、上一層的墻、柱抗震等級均取一級，保證其中震彈性，并應控制大震下這幾個樓層的彈塑性位移角不超過1/100。

（4）周邊框架為框架核心筒抗震二道防線，應嚴于規(guī)范對各樓層框架部分地震剪力進行調整。可采用型鋼混凝土柱，并嚴格控制其軸壓比，以確保周邊框架具備足夠的延性。