程勇

（貴陽市建筑設(shè)計院有限公司，貴州 貴陽 550004）

1 概述

1.1 工程概況

該項目位于貴陽市南明區(qū)核心位置，由主樓和裙房兩部分組成，地下7層，主要作車庫、設(shè)備用房使用，地下7層建筑面積約2.35萬m2，地上共58層，建筑面積約8.47萬m2，其中地上裙房部份共7層，主要作商場及酒店管理用房、辦公用房使用，裙房以上主樓共51層，主要為酒店和辦公用房。結(jié)構(gòu)嵌固層在建筑-3層即結(jié)構(gòu)層的第4層頂板處，從嵌固層起算該工程計算總高度為236.19m。本工程±0.000相當(dāng)絕對高程1075.6m，地下室底板面標(biāo)高-27.94m，絕對標(biāo)高1047.66m。嵌固層處的絕對標(biāo)高為1061.36m，建筑效果如圖1所示。

圖1 建筑效果

1.2 結(jié)構(gòu)體系

按照《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3—2010），該樓屬于超B級高度超高層建筑。主樓屋面計算高度236.19m，結(jié)構(gòu)體系為型鋼混凝土框架-鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)體系，根據(jù)Ⅵ度抗震設(shè)防型鋼混凝土框架-鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)最大適用高度為170m（高層建筑鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程CECS 230：2008），本工程超過最大適用高度66.19m。樓蓋采用混凝土梁板式結(jié)構(gòu)。標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置如圖2所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置

1.3 結(jié)構(gòu)超限類型

該項目根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點(diǎn)》（建質(zhì)〔2015〕67號）文，主要的超限類型如下。

（1）超過B級高度。

（2）樓板不連續(xù)（①裙房局部開大洞；②塔樓在酒店大堂樓板開洞，開洞面積大于30%）。

（3）平面出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則（局部樓層考慮偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位多比＞1.2）。

（4）尺寸突變（立面縮進(jìn)大于25%）。

1.4 設(shè)計基本規(guī)定和抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)

該項目結(jié)構(gòu)設(shè)計年限為50年，房屋結(jié)構(gòu)安全等級為2級，重要系數(shù)γ0為1.0，房屋基礎(chǔ)設(shè)計等級為甲級，所在地設(shè)防抗震烈度為Ⅵ度，設(shè)防抗震標(biāo)準(zhǔn)為重點(diǎn)設(shè)防，地震分組為一組，地震加速度為0.05g，αmax=0.04.場地為Ⅱ類場地，特征周期Tg=0.35s。本項目柱、墻和框架梁抗震等級均為Ⅰ級。

1.5 地基和基礎(chǔ)

根據(jù)地勘報告，場地?zé)o活動性斷裂通過，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定，場地內(nèi)第四系土層覆蓋層較薄，基巖斷續(xù)出露，持力層采用中風(fēng)化白云巖，巖層呈單斜緩傾構(gòu)造，層狀結(jié)構(gòu)，巖體較完整，承載力特征值fak＝6000kPa，為較堅硬巖?；A(chǔ)設(shè)計時核心筒及附筒下采用平板式筏形基礎(chǔ)，厚度為1.8～2.5m，外圍柱基礎(chǔ)采用厚度為3.5m×5.5m×3.0m柱下擴(kuò)展基礎(chǔ)。

1.6 風(fēng)荷載

本工程50年重現(xiàn)期風(fēng)荷載基本風(fēng)壓值ω0＝0.30kN/m2，基本風(fēng)壓按ω0×1.1倍采用（承載力設(shè)計），即0.33kN/m2，場地地面粗糙度為B類，風(fēng)載體形系數(shù)μs＝1.3，由于多棟高層建筑相互距離較近，需考慮群體效應(yīng)風(fēng)力相互干擾，體型系數(shù)μs×1.2加大。

2 多遇地震及風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)計算分析與設(shè)計

2.1 計算方法

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3—2010）第5.1.12條體型復(fù)雜、采用兩個不同力學(xué)模型進(jìn)行整體計算。本工程采用SATWE、PMSAP和邁達(dá)斯軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算分析，另采用YJK作補(bǔ)充計算。分析時均采用CQC法計算地震作用，并考慮了偶偏和雙向地震；按《抗規(guī)》的方法進(jìn)行雙向地震作用計算。彈性時程補(bǔ)充分析時選用了2條天然波和1條人工波，取用時程分析的最大值和CQC計算結(jié)果包絡(luò)設(shè)計[1]。

2.2 嵌固層確定

地下室與上部同時建模，計算模型嵌固層在負(fù)3層（結(jié)構(gòu)計算模型第4層頂板處）-14.24m標(biāo)高處，采用剪切剛度計算，嵌固層結(jié)構(gòu)的樓層側(cè)向剛度不小于相鄰上層樓層側(cè)向剛度的2倍的要求，因相差一點(diǎn)不滿足，故負(fù)3層（-14.24m）以下補(bǔ)足了一定數(shù)量的剪力墻滿足該剛度比要求，X方向剛度比：γ4/γ5＝2.38；Y方向剛度比：γ4/γ5=2.16，嵌固層板厚度為180mm，配筋為雙層雙向配筋，且每個方向各層的配筋率不小于0.25%。

2.3 結(jié)構(gòu)分析主要結(jié)果

本項目運(yùn)用satwe和邁達(dá)斯兩種計算軟件分析，計算結(jié)果的質(zhì)量和各大指標(biāo)基本接近，相差誤差較小，認(rèn)為原程序計算是可信的，前三個計算周期分別是T1=6.52（0.00+1.00+0.00），T2=5.40（0.99+0.00+0.01），T3=2.72（0.02+0.00+0.98），周期比2.72/6.52=0.42＜0.85（滿足要求）。地震作用下最大層間位移角位于Y方向34層1/1358，風(fēng)荷載作用下最大層間位移角位于Y方向32層1/1025。

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3—2010），在水平地震作用下，第二道防線的框架要有必須的抗側(cè)向能力，需對框架柱承擔(dān)的剪力予以調(diào)整，然后進(jìn)行組合內(nèi)力及驗算，根據(jù)高規(guī)各樓層柱子調(diào)整后承擔(dān)的剪力取0.2V0與1.5Vfmax的較小值，但考慮該工程的特殊性，如果整樓采用底層剪力則對上部塔樓柱子調(diào)整后的剪力太大，所以該項目采用分段調(diào)整，裙房及以上兩層將按照0.2V0與1.5Vfmax中較小值調(diào)整設(shè)計，上部塔樓每根柱按裙房頂處總剪力V1的0.02倍調(diào)整，為了便于計算操作，裙房第二層以上每層取裙房頂處總剪力V1的12%調(diào)整（因只有六顆柱子）。多遇地震第2道防線做法延伸至設(shè)防地震，對6顆框架柱的驗算，多遇地震作用下的剪力也按以上進(jìn)行調(diào)整。通過上述辦法對該項目的剪力進(jìn)行了調(diào)整，保證了罕遇地震作用下6顆框架柱在筒體整體剛度變?nèi)酢⒅匦路植純?nèi)力條件下提高了冗余度。

3 中震作用下結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

根據(jù)性能分析內(nèi)容，計算設(shè)防地震作用的結(jié)構(gòu)分析，驗算是否滿足原來設(shè)定的性能目標(biāo)，中震作用下結(jié)構(gòu)分析采用振型反應(yīng)譜法計算內(nèi)力，結(jié)構(gòu)阻力比取為0.05，連梁剛度取為0.5。結(jié)構(gòu)最大層間位移角1/452，屬于輕微損壞，滿足彈性層間位移限值的2倍要求，簡單修理仍可使用。在設(shè)防地震作用下構(gòu)件按要求設(shè)計，主要設(shè)計思路如下：底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻配筋取小震結(jié)果與中震結(jié)果包絡(luò)設(shè)計，本項目底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻配筋結(jié)果大多數(shù)由小震配筋結(jié)果控制；關(guān)鍵框架柱配筋取小震結(jié)果與中震結(jié)果兩者大值，關(guān)鍵框架柱配筋結(jié)果大多數(shù)由小震配筋結(jié)果控制，少部份框架柱的中震配筋結(jié)果大于小震配筋結(jié)果。

根據(jù)中震復(fù)核結(jié)果可知中震作用下底部豎向構(gòu)件抗剪承載力均有較大富余。普通豎向構(gòu)件的剪力墻與框架柱配筋均受小震結(jié)果控制，框架梁滿足大多數(shù)不屈服，連梁截面需滿足在多遇地震下抗剪彈性的要求，通過配筋或截面應(yīng)力比控制是可以滿足多遇地震的目標(biāo)[2]。

4 結(jié)構(gòu)彈性時程分析

本項目采用由北京震泰工程技術(shù)有限公司提供的結(jié)構(gòu)時程分析的地震加速記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，運(yùn)用PMSAP軟件計算，采用小震的模型，輸入地震記錄波進(jìn)行動力時程計算，可計算出各層的層間位移和剪力值。輸入三條地震波，三條波分別為天然波S106～107、S265～266，人工波S635-3～4。主分量峰值加速度取18cm/s2，按6度多遇地震進(jìn)行彈性時程分析，規(guī)范譜與地震波譜比較如圖3所示。

圖3 規(guī)范譜與地震波譜的對比

地震波時間步長為0.02s，結(jié)構(gòu)阻力比為0.05，地震波的選擇滿足規(guī)范要求的選波條件，通過圖上可以看出規(guī)范反應(yīng)譜剪力曲線能包絡(luò)住三條地震波的平均剪力曲線，但在Y向有少部分樓層，規(guī)范反應(yīng)譜法的地震剪力略小，施工圖設(shè)計時對地震剪力進(jìn)行調(diào)整，加大CQC法的樓層剪力，并提高構(gòu)造。

5 大震作用下非線性地震反應(yīng)分析與抗震性能評價

5.1 性能目標(biāo)

根據(jù)抗震設(shè)防類別、設(shè)防烈度、場地條件、震后損失和修復(fù)難易程度綜合考慮后確定該項目抗震性能目標(biāo)為C級[1]，即性能水準(zhǔn)為1、3、4，具體參數(shù)和要求如表1所示。

表1 抗震性能目標(biāo)

5.2 動力彈塑性分析

結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行大震彈塑性分析，同時從結(jié)構(gòu)的兩個水平主軸方向輸入地震波，罕遇地震時程分析時采用三條雙向水平地震波（天然波2組，人工波1組），根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范（2016年版）》（GB 50011—2010）的要求，加速度峰值主次分量按1:0.85比值，加速度主分量峰值按125cm/s2，加速度次分量峰值按106.3cm/s2，持時為30s，計算步長0.02s。根據(jù)計算結(jié)果在大地震作用下X向的層間位移最大為1/274，Y向的層位移最大為1/263，結(jié)果表明，罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)層間位移角能滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范（2016年版）》（GB 50011—2010）表M.1.1-2（1/133）要求。3條地震曲線出現(xiàn)了差不多的塑性發(fā)展性質(zhì)，最先是小部分連梁、框架梁進(jìn)入塑性階段，然后再有大多數(shù)連梁進(jìn)入塑性。6顆KZ一直保持不曲服形態(tài)，其混凝土剪力墻和鋼筋應(yīng)力都在抗力范圍內(nèi)。6顆柱子和剪力墻沒有出現(xiàn)塑性鉸，僅剪力墻體出現(xiàn)少量裂縫，有一小部分水平向的構(gòu)件出現(xiàn)了塑性鉸，集中在電梯廳前室連梁及與筒體相連的框架次梁，框架次梁出鉸主要由于筒體剛度太大引起的，設(shè)計時可以采用次梁支座鉸接，提高大震作用下水平構(gòu)件耗能的能力，避免出現(xiàn)水平構(gòu)件脆性破壞。通過以上分析柱、墻等豎向構(gòu)件在罕遇地震作用下具有較好的性能抗震，滿足大震不倒結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。

6 結(jié)語

隨著城市化建設(shè)進(jìn)程，土地資源越來越緊張，開發(fā)地面以上空間會成為一種常態(tài)，所以高層、超高層建筑會越來越多，本文以工程實例概述了超高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計方法，圍繞性能目標(biāo)進(jìn)行論證，分別介紹了在多遇地震、設(shè)防地震、罕遇地震作用下的計算軟件和方法，分析論證該項目是否達(dá)到預(yù)期的性能目標(biāo)，通過以上論述可知該項基本滿足“小震不壞、中震可修、大震不倒”的三水準(zhǔn)設(shè)計要求，使建筑滿足安全、適用、經(jīng)濟(jì)、美觀的八字方針。