管前黔， 唐西川， 陳 柯

(成都基準(zhǔn)方中建筑設(shè)計股份有限公司， 四川成都 610000)

1 工程概況

本項目位于成都市南部新區(qū)科創(chuàng)中心片區(qū)，益州大道附近，地上由2棟塔樓(3號和4號樓)組成，總建筑面積22.78萬m2。本文主要介紹超限高層4號樓的結(jié)構(gòu)設(shè)計。4號樓建筑面積12.5萬m2，地上52層，地下4層，房屋高度167.450 m；地下均為車庫，地上1～3層為大堂及商業(yè)，層高為5.4 m及4.0 m；13、26、39層為避難層，層高3.3 m；其他樓層為辦公標(biāo)準(zhǔn)層，層高均為3.1 m。建筑效果圖及塔樓剖面圖如圖1及圖2所示。

圖1 建筑效果圖

圖2 塔樓截面

本項目設(shè)計使用年限為50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為一級，地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為甲級。依據(jù)GB 50023-2008《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》，4號樓的抗震設(shè)防類別為重點設(shè)防類(乙類)，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度0.10g，設(shè)計地震分組為第3組，場地類別為Ⅱ類，場地特征周期為0.45 s，基本風(fēng)壓為0.30 kN/m2，地面粗糙類別為C類。

2 結(jié)構(gòu)體系與結(jié)構(gòu)布置

2.1 結(jié)構(gòu)體系及平面布置

本工程采用框架-(多)筒體結(jié)構(gòu)體系。結(jié)構(gòu)的高寬比為5.26，長寬比為2.67。核心筒貫穿全高，僅在50層局部收筒，筒體的高寬比為15.53。塔樓外輪廓為矩形(建筑平面為31.9 m×85.2 m)，僅在11軸線連接處平面有局部錯位，外框柱柱距為7.8～11.0 m，外框柱與核心筒距離約8.0～10.0 m。塔樓標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置如圖3所示。

2.2 豎向構(gòu)件

核心筒平面為長矩形，核心筒按圖3所示分為4個筒體(2～4軸、6～11軸、11～15軸線及17～19軸線)，筒體X方向總尺寸為66.4 m，Y向長度為10.8 m。塔樓外框架柱在基礎(chǔ)頂層～13層采用型鋼混凝土柱，為避免剛度突變13層以上型鋼混凝土柱分批次由芯柱過渡到普通鋼筋混凝土柱子，四大角的型鋼混凝土柱最后進(jìn)行過渡。對于11軸線上的連接A、Q軸線的兩顆鋼筋混凝土極短柱采取全高設(shè)置型鋼。

2.3 樓蓋體系

結(jié)合本工程的特點，對幾點位置樓蓋做了加強：

①各筒體內(nèi)部樓板厚度均取為120 mm，雙層雙向配筋，最小配筋率為0.25%；②筒體之間開洞上下兩側(cè)的樓板及中部筒體上下兩端樓板，厚度均取150 mm(圖4)，其余樓板取為100 mm。

圖3 塔樓標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置

3 結(jié)構(gòu)超限情況及抗震性能目標(biāo)

根據(jù)建質(zhì)[2015]《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點》、DB51/T5058-2020《四川省抗震設(shè)防超限高層建筑工程界定標(biāo)準(zhǔn)》的有關(guān)規(guī)定，經(jīng)在初審階段與超限專家溝通后，結(jié)構(gòu)體系定義為框架-多筒體結(jié)構(gòu)。

本工程結(jié)構(gòu)超限情況：

(1)房屋高度為167.450 m超過框架-核心筒結(jié)構(gòu)A級高度限制130 m。

(2)考慮偶然偏心影響的規(guī)定水平地震力作用下，樓層豎向構(gòu)件的位移比大于1.2。

圖4 筒體上下兩側(cè)樓板加強范圍

(3)1～3層有局部穿層的框架柱。依據(jù)JGJ3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(以下簡稱為《高規(guī)》)，針對該塔樓的超限情況以及結(jié)構(gòu)體系，綜合前期超限專家的建議，選用C級性能目標(biāo)及相應(yīng)的抗震性能水準(zhǔn)，各構(gòu)件的抗震性能目標(biāo)見表1。

表1 結(jié)構(gòu)整體及各構(gòu)件性能目標(biāo)

4 結(jié)構(gòu)分析

4.1 小震彈性分析

采用YJK和MIDAS軟件進(jìn)行了振型分解反應(yīng)譜分析，結(jié)構(gòu)主要整體指標(biāo)計算結(jié)果見表2。由表2可知，MIDAS與YJK軟件計算結(jié)果基本一致，結(jié)構(gòu)各項整體指標(biāo)均滿足高規(guī)限值要求，進(jìn)一步驗證了所建立模型的正確性。

4.2 小震彈性時程分析

采用彈性時程分析法進(jìn)行多遇地震下的補充計算分析，選取5組天然波及2組人工波對結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性時程分析，分析得到的最大層間位移角及基底剪力詳表3。7組地震波作用下的結(jié)構(gòu)基底剪力均在CQC法計算基底剪力的65%～135%范圍內(nèi)，平均基底剪力在CQC法計算基底剪力的80%～120%范圍內(nèi)，滿足《高規(guī)》第4.3.5 條要求。

表2 小震彈性主要計算結(jié)果對比

表3 基底剪力及最大層間位移角

由各層的地震剪力分析結(jié)果表明：本工程時程分析法的層間位移角及樓層剪力等指標(biāo)的變化與CQC法基本一致，地震作用效應(yīng)取CQC法與時程分析計算結(jié)果平均值的較大值，在后期設(shè)計中根據(jù)實際情況放大樓層的地震層剪力。

4.3 中震分析

按照設(shè)定的性能目標(biāo)C要求，選用YJK軟件對豎向構(gòu)件進(jìn)行了抗剪彈性和正截面抗彎不屈服計算分析。中震計算采用振型分解反應(yīng)譜法，結(jié)構(gòu)阻尼比取0.06，地震影響系數(shù)最大值為0.23，連梁折減系數(shù)為0.60。中震下的基底剪力以及最大層間位移角見表4。

計算結(jié)果表明，中震作用下的結(jié)構(gòu)基底剪力約為小震作用下的2.5倍。中震彈性計算得到剪力墻墻身水平筋配筋率最大為0.65%，剪力墻水平筋按照小震和中震的計算結(jié)果取大值即可滿足中震抗剪彈性的性能要求。剪力墻從底部加

表4 基底剪力及最大層間位移角

強區(qū)的豎向鋼筋配筋率0.45%，逐漸過渡到0.35%，并按照按中震和小震包絡(luò)值配筋就能滿足中震抗彎不屈服的性能目標(biāo)。

對于部分連梁以及搭接半框梁的框架梁，在中震不屈服計算時，出現(xiàn)個別位置屈服的情況，通過加設(shè)交叉斜筋或鋼板，來保證其滿足中震抗剪不屈服。

4.4 大震分析

按照設(shè)定的性能目標(biāo)，采用SAUSAGE程序進(jìn)行罕遇地震下動力彈塑性時程分析。根據(jù)大震下地震的影響力曲線，選取2組天然波及一組人工波進(jìn)行罕遇地震作用下的彈塑性分析。地震波作用下結(jié)構(gòu)的層間位移角及基底剪力如下表5、表6。由表5可以看出，2個方向?qū)娱g位移角均滿足性能目標(biāo)1/100的限值。通過表6的3組地震波作用下結(jié)構(gòu)在2個主方向基底剪力比看出，結(jié)構(gòu)耗能構(gòu)件在大震下起到了很好的耗能機制作用。

表5 地震波作用下結(jié)構(gòu)最大層間位移角及頂部位移

表6 地震波對應(yīng)的底部剪力

大震彈塑性分析的豎向構(gòu)件損傷性能如圖5所示，由罕遇地震作用下的彈塑性時程分析結(jié)果表明：

(1)剪力墻連梁先開裂，其損傷先出現(xiàn)在上、下部樓層，然后逐漸向其余部分發(fā)展，且損傷比較明顯，連梁出現(xiàn)剛度退化后，形成較好的耗能機制，有效保護了主體墻肢，使得主要受力墻肢整體損傷較輕。

(2)底部加強區(qū)僅少數(shù)墻出現(xiàn)輕微損傷，墻體內(nèi)水平和豎向鋼筋未發(fā)生塑性屈服，滿足罕遇地震作用下關(guān)鍵構(gòu)件輕度損傷的抗震性能要求。

(3)罕遇作用下，框架柱僅局部出現(xiàn)輕微的受壓損傷；上部樓層部分框梁梁率先進(jìn)入屈服階段，隨后不斷擴展至樓層下部；結(jié)構(gòu)底部加強區(qū)和標(biāo)準(zhǔn)層框架中，塑性鉸均出現(xiàn)在框架梁端，滿足規(guī)范所指出的大震作用下強柱弱梁的破壞機制。

圖5 內(nèi)筒及外框豎向構(gòu)件損傷性能

5 補充分析

5.1 樓板應(yīng)力分析

本工程2層大堂上空開洞較大，因此選取其作為典型樓板層，進(jìn)行罕遇地震下等效彈性樓板應(yīng)力分析。2層在X向、Y向罕遇地震作用下大部分主拉應(yīng)力均小于C30混凝土的抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值2.01 MPa，只有局部平面角部、筒體內(nèi)局部以及洞口周邊出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，存在較大拉應(yīng)力，因此需要在這些部位適當(dāng)提高樓板配筋率。結(jié)構(gòu)樓層樓板的壓應(yīng)力均小于混凝土的抗壓強度，表明大震下能有效傳遞水平力，確保結(jié)構(gòu)在地震作用下的整體工作。

5.2 跨層柱分析

6 針對結(jié)構(gòu)超限的主要加強措施

(1)針對結(jié)構(gòu)體系：按框架-筒體結(jié)構(gòu)及框架-剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計。外框架柱的地震內(nèi)力按基底剪力的20%和外框柱最大計算剪力的1.5倍二者的較大值進(jìn)行剪力調(diào)整,即取max(0.2V0，1.5Vf,max)。

(2)針對豎向構(gòu)件：嚴(yán)控軸壓比及剪壓比；底部加強區(qū)豎向分布筋配筋率提高至0.45%；4個筒體外墻四角墻肢通高設(shè)置約束邊緣構(gòu)件；外側(cè)2個筒體外墻四角(共8處)的墻肢的底部加強區(qū)加設(shè)型鋼，加強結(jié)構(gòu)延性；外圍所有框架柱均在一定樓層范圍設(shè)置型鋼，在型鋼混凝土與普通混凝土柱之間設(shè)置兩層的芯柱過渡，避免承載力突變。

(3)針對樓板：筒體之間開洞上、下兩側(cè)的樓板及中部筒體上下兩端樓板，均取150 mm厚，雙層雙向配筋，最小配筋率為0.30%。

(4)其他部位：右側(cè)筒體之間平面外搭接半框梁的框架梁加設(shè)鋼板抗剪，保證中震抗彎不屈抗剪彈性，大震抗剪不屈服；對于此筒體框架梁，大震下兩端點鉸復(fù)核下部鋼筋，保證在大震下有足夠的承載能力；對于支撐此筒體框架梁兩端的剪力墻端部墻體加設(shè)型鋼，保證墻肢具有更好的抗震性能。

7 結(jié)論

本項目根據(jù)結(jié)構(gòu)的超限程度以及相關(guān)的特殊問題進(jìn)行了結(jié)構(gòu)概念設(shè)計和抗震性能化設(shè)計。在抗震設(shè)計中，除保證結(jié)構(gòu)在小震下完全處于彈性階段外，還補充了等效彈性中震、大震下的抗震性能要求和大震下的彈塑性時程分析，針對不同性能要求采取相應(yīng)措施，也對一些關(guān)鍵部位采取了抗震措施，實現(xiàn)各結(jié)構(gòu)預(yù)定的性能目標(biāo)，可供相關(guān)的類似工程設(shè)計提供參考。