俞木強(qiáng)

廣州瑞華建筑設(shè)計(jì)院有限公司 廣東 廣州 510000

1 工程概況

某項(xiàng)目位于項(xiàng)目位于廣州市黃埔區(qū)開創(chuàng)大道，總建筑面積68926m2，由地下室、三棟塔樓（帶商業(yè)裙房）組成。地上總建筑面積48764m2，地下室建筑面積20162m2。裙房為2層商業(yè)，框架剪力墻結(jié)構(gòu)，高度為13.40m；西1塔樓為19層辦公樓，框架剪力墻結(jié)構(gòu)，高度為93.60m；西2塔樓為13層辦公樓，框架剪力墻結(jié)構(gòu)，高度為66.60m；西3塔樓為8層辦公樓，框架剪力墻結(jié)構(gòu)，高度為44.10m。地下室共兩層[1]，底板面標(biāo)高約為-10.70～-11.30m之間。本次超限設(shè)計(jì)的樓棟為西二棟，圖1即為方案效果圖。

圖1 方案效果圖

本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年，安全等級(jí)為二級(jí)。塔樓的抗震設(shè)防類別為丙類，商業(yè)裙房的震設(shè)防類別為乙類。本場(chǎng)地類別為二類，抗震設(shè)防烈度為7度，C類場(chǎng)地，基本風(fēng)壓為0.5KN/m2，承載力設(shè)計(jì)時(shí)考慮1.1的放大系數(shù)，同時(shí)取10年一遇基本風(fēng)壓0.30KN/m2進(jìn)行舒適度驗(yàn)算。

由詳細(xì)地質(zhì)勘察報(bào)告分析得出，本項(xiàng)目塔樓采用灌注樁，樁徑為800mm～1600mm。以中風(fēng)化花崗巖作為持力層，樁身混凝土采用C40，樁端進(jìn)入持力層約為0.5m。

2 結(jié)構(gòu)體系及結(jié)構(gòu)布置方案

2.1 結(jié)構(gòu)體系及結(jié)構(gòu)布置

西2棟為13層辦公樓，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，高度約為66.85m。該項(xiàng)目地下室層數(shù)為2層，因地下室頂板存在大開洞，并通過初步計(jì)算得出地下一層與首層的側(cè)向剛度比2.1874（X向），1.7018（Y向），不滿足規(guī)范對(duì)嵌固端的要求，故西2棟的嵌固端取在基礎(chǔ)面。

底部裙樓部分東西向長度約247m，地下室每隔50m左右設(shè)后澆帶，未設(shè)伸縮縫；依據(jù)建筑功能以及結(jié)構(gòu)分縫后規(guī)則性，地上三棟塔樓間設(shè)置兩道防震縫，西1、西2塔樓間縫寬250mm，西2、西3塔樓間縫寬150mm。

圖2 結(jié)構(gòu)分縫示意圖

2.2 結(jié)構(gòu)超限情況及性能目標(biāo)

根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》(建質(zhì)[2015] 67號(hào))，結(jié)合結(jié)構(gòu)平面及軟件分析數(shù)據(jù)，西2棟存在平面扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、尺寸突變、樓板不連續(xù)、局部不規(guī)則等不規(guī)則類型，屬于超限結(jié)構(gòu)[2]。

本項(xiàng)目為商業(yè)辦公類項(xiàng)目，屬于體型特別不規(guī)則高層建筑，綜合考慮抗震設(shè)防類別、設(shè)防烈度、場(chǎng)地條件、結(jié)構(gòu)特殊性、建造費(fèi)用、震后損失和修復(fù)難易程度等因素，選用《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3-2010）規(guī)定的抗震性能目標(biāo)“C”,即抗震性能水準(zhǔn)為1、3、4（小震、中震、大震）。

3 性能化分析

3.1 小震彈性分析

采用YJK和ETABS分別計(jì)算分析，計(jì)算時(shí)考慮偶然偏心地震作用、扭轉(zhuǎn)耦合、雙向地震作用及施工模擬。計(jì)算完成后通過對(duì)比得知，兩個(gè)程序的周期相差約2.9%，結(jié)構(gòu)總質(zhì)量相差約1.001%，塔樓基底剪力相差約1.03%，符合結(jié)構(gòu)分析的要求。

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50011-2010的要求，該單體應(yīng)采用時(shí)程分析方法進(jìn)行小震下的補(bǔ)充驗(yàn)算。計(jì)算時(shí)采用了5組天然波及2組人工波。7條地震波得出樓層剪力平均值曲線與CQC得出的剪力曲線基本一致，在施工圖階段對(duì)塔樓按規(guī)范反應(yīng)譜得出的地震力進(jìn)行放大，X向調(diào)整系數(shù)最大值為1.155 ，Y向調(diào)整系數(shù)最大值為1.130。

3.2 中震等效彈性分析

采用YJK進(jìn)行中震等效彈性計(jì)算，采用材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行正截面計(jì)算，采用材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值進(jìn)行斜截面計(jì)算，計(jì)算參數(shù)不考慮承載力和地震內(nèi)力的調(diào)整，地震影響系數(shù)最大值調(diào)整為0.23，得出結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，首層的基底剪力之比，X向?yàn)?.50，Y向?yàn)?.30，地震作用量級(jí)基本合理。根據(jù)程序分析的結(jié)果，可保證剪力墻和框架柱抗彎不屈服，抗剪彈性；轉(zhuǎn)換梁和轉(zhuǎn)換柱抗彎彈性，抗剪彈性；剪力墻連梁和框架梁抗剪不屈服的性能目標(biāo)。水平地震下剪力墻全截面名義拉應(yīng)力σ不宜大于2.0ftk，讀取YJK偏拉驗(yàn)算結(jié)果，全樓剪力墻拉應(yīng)力σ均小于2.0ftk，能夠滿足要求。當(dāng)剪力墻出現(xiàn)小偏拉時(shí)，墻肢的抗震構(gòu)造措施提高一級(jí)，約束邊緣構(gòu)件縱向配筋率不小于1.4%，配箍特征值增大20%，墻身水平和豎向分布鋼筋的配筋率不小于0.6%[3]。

3.3 大震等效彈性分析

結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)材料強(qiáng)度取標(biāo)準(zhǔn)值，等效彈性分析時(shí)不考慮地震內(nèi)力和承載力調(diào)整，阻尼比取0.07，地震影響系數(shù)最大值取0.5，經(jīng)程序計(jì)算分析得出結(jié)構(gòu)指標(biāo)如表1所示。

表1 大震基底剪力、大震基底剪力/小震基底剪力和層間位移角

大震作用下等效彈性計(jì)算得出的底部剪力約為小震作用的5.1～5.48倍，表明計(jì)算結(jié)果合理，最大層間位移角1/166＜1/125，滿足規(guī)范的要求。

4 大震動(dòng)力彈塑性分析

4.1 材料本構(gòu)

混凝土材料模型采用彈塑性損傷模型，可考慮材料拉壓強(qiáng)度的差異、剛度強(qiáng)度的退化和拉壓循環(huán)的剛度恢復(fù)，其軸心抗壓和軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50010-2010》附錄C 表采用。

鋼材的動(dòng)力硬化模型采用雙線性動(dòng)力硬化模型，在循環(huán)過程中，無剛度退化，考慮包辛格效應(yīng)。

4.2 分析假定

該單體采用擬模態(tài)阻尼體系，并考慮各階模態(tài)阻尼比為5%。采用這一阻尼體系，對(duì)阻尼的考慮，不會(huì)像瑞雷阻尼一樣對(duì)結(jié)構(gòu)阻尼考慮得過大，也不會(huì)如α阻尼體系考慮得不足。

非線性分析采用兩個(gè)階段進(jìn)行，第一步=逐層加載施工模擬i，第二步= 第一步+地震荷載。

動(dòng)力時(shí)程分析考慮P-Delta效應(yīng)。分析模型采用彈塑性樓板，其中樓板與墻元均采用最大1.5m×1.5m網(wǎng)格。

4.3 模型基本特性及地震動(dòng)時(shí)程輸入

采用SAUSAGE進(jìn)行動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析，對(duì)三組大震地震記錄（2組天然波，1組人工波）分析，模型中分別按水平雙向地面加速度時(shí)程的方式計(jì)算。輸入地震動(dòng)參數(shù)時(shí)，分別按100%和85%幅值計(jì)入主次方向。地震動(dòng)幅值根據(jù)《高規(guī)》第4.3.5條選取，時(shí)程分析時(shí)輸入地震加速度最大值為220cm/s2。為方便統(tǒng)計(jì)， 呈現(xiàn)3個(gè)時(shí)程工況如圖3所示。

經(jīng)對(duì)比結(jié)構(gòu)彈性模型與彈塑性模型的計(jì)算結(jié)果指標(biāo)，顯示結(jié)構(gòu)前6階的周期較為接近，前者質(zhì)量為40503t，后者質(zhì)量為40712t（包含鋼筋質(zhì)量），兩者質(zhì)量相差0.6%，表明計(jì)算模型合理可用。

圖3 地震記錄的加速度時(shí)程

4.4 動(dòng)力彈塑性時(shí)程響應(yīng)

大震彈塑性時(shí)程分析

大震彈塑性時(shí)程分析一般可分為構(gòu)件層面和整體宏觀層面，西2棟大震彈塑性與大震彈性底部剪力的比值介于40.83%～80.21%之間，彈塑性基底剪力約為彈性結(jié)果的70.44%（X向）和80.21%（Y向），表明本塔樓在大震下非線性特征合理，地震能量得到了有效消散。

兩個(gè)方向最不利工況下樓層層間位移角分別為1/169（X）和1/173（Y），均滿足1/125的限值要求[4]。

結(jié)構(gòu)在3條地震波時(shí)程分析下的塑性損傷分布情況基本類似，選取最不利工況分析結(jié)構(gòu)在罕遇地震下彈塑性時(shí)程分析的性能水準(zhǔn)，其應(yīng)力情況如圖4所示。

由分析結(jié)果可知，剪力墻受壓損壞主要集中在連梁。核心筒底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻在首二層出現(xiàn)輕度損壞，其余為輕微損壞，其余樓層墻肢基本處于無損壞或輕微損壞， 滿足性能水準(zhǔn)要求。

圖4 剪力墻（連梁）、框架柱、框架梁性能水準(zhǔn)

大部分框架柱輕微損壞，部分輕度損壞，個(gè)別普通框架柱中度損壞。

框架梁混凝土部分最大受壓損傷系數(shù)達(dá)到0.77，部分的框架梁發(fā)生中度損壞，個(gè)別梁重度損壞，可以有效的耗散地震能量。

綜上所述，本子項(xiàng)可滿足預(yù)設(shè)的抗震性能目標(biāo)。

5 加強(qiáng)措施

5.1 針對(duì)剪力墻、框架柱

提高底部加強(qiáng)區(qū)及裙樓上兩層范圍剪力墻及框架柱配筋率，墻身水平和豎向配筋率均提高至0.6%、約束邊緣構(gòu)件的設(shè)置范圍為底部加強(qiáng)區(qū)及其上一層，框架柱縱筋配筋率不小于1.6%。裙樓屋面上、下兩層的柱子箍筋全高加密，加密區(qū)間距不大于100mm。塔樓周邊框架柱的抗震等級(jí)在裙樓頂板上、下兩層均提高至特一級(jí)。

5.2 針對(duì)穿層柱

通過MIDAS Gen軟件對(duì)整體分析模型進(jìn)行屈曲分析，以考察該結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。經(jīng)分析，柱臨界軸力(屈曲時(shí)最小荷載)與實(shí)際承載受力之比為49.53，表明在豎向荷載作用下，該部分穿層柱可滿足結(jié)構(gòu)的受力要求，安全可靠。

5.3 針對(duì)轉(zhuǎn)換梁

部分大跨度的轉(zhuǎn)換梁采用型鋼混凝土梁，對(duì)型鋼混凝土梁采用MIDAS進(jìn)行有限元分析，評(píng)價(jià)型鋼混凝土梁在抗彎、抗剪、抗扭復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下是否滿足小震、中震、大震承載力要求。相關(guān)規(guī)范并未給出抗扭配筋的計(jì)算公式，采用有限元分析指導(dǎo)扭剪截面的配筋，以指導(dǎo)施工圖設(shè)計(jì)[5]。

5.4 針對(duì)樓板

根據(jù)結(jié)構(gòu)平面和樓板應(yīng)力分析結(jié)果，對(duì)薄弱部位和重點(diǎn)部位樓板的厚度及配筋進(jìn)行適當(dāng)加強(qiáng)。裙樓屋面板厚加強(qiáng)至不小于150mm，裙樓屋面上下層板厚適當(dāng)加厚至不小于120mm，核心通周邊樓板加強(qiáng)至不小于150mm，樓板鋼筋按不小于0.25%配筋率雙層雙向設(shè)置。

6 結(jié)論

本項(xiàng)目屬于高層商業(yè)綜合體超限建筑，結(jié)構(gòu)采用框架剪力墻體系，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通過采用不同軟件進(jìn)行對(duì)比分析，得出計(jì)算模型的結(jié)果合理可靠，并通過大震彈塑性分析結(jié)果找出結(jié)構(gòu)薄弱部位，有針對(duì)性地采取多項(xiàng)抗震加強(qiáng)措施，保證了結(jié)構(gòu)的承載力和一定的延性。經(jīng)分析得出，計(jì)算結(jié)果可靠、合理，可為施工圖設(shè)計(jì)提供有效指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)的抗震性能目標(biāo)。