張茜

（廣州市設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司）

1 工程概況

1.1 工程概況

廣州某超限高層辦公建筑，位于廣東省廣州市黃埔區(qū)。規(guī)劃總用地面積為8891m2，建筑面積51936.52m2。擬建項(xiàng)目包括1#塔樓、2#（辦公配套）等建筑物，建筑高度分別為135.7m 及10.8m。1#塔樓與2#裙樓之間從±0.000 標(biāo)高起設(shè)縫脫開，1#塔樓為鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，裙樓及辦公配套為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系。共設(shè)3 層地下室，面積約5700.8m2。本文主要針對(duì)1#塔樓展開分析。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)條件

設(shè)計(jì)使用年限為50 年，抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類（丙類），結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)。1#塔樓地上建筑平面尺寸約46.7m×24.7m，結(jié)構(gòu)最大高寬比為5.61。該地區(qū)抗震設(shè)防烈度為7 度，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地類別為Ⅱ類。本項(xiàng)目風(fēng)荷載作用按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）取值，50 年重現(xiàn)期基本風(fēng)壓為0.50kN/m2，承載力設(shè)計(jì)時(shí)按基本風(fēng)壓的1.1 倍采用；場(chǎng)地粗糙度類別為C 類；考慮順風(fēng)向風(fēng)振作用。

2 結(jié)構(gòu)選型

2.1 結(jié)構(gòu)體系

本工程結(jié)構(gòu)的嵌固端為地下室頂板，主屋面結(jié)構(gòu)高度為135.7m。結(jié)合建筑平面布置，結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，屬B 級(jí)高度高層建筑[1]。

2.2 結(jié)構(gòu)布置

本工程標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)布置如圖1 所示。標(biāo)準(zhǔn)層典型框架柱截面尺寸為1300mm×1300mm、1200mm×1200mm，典型剪力墻墻厚為500mm、450mm、400mm，典型主梁截面為500mm×700mm，典型次梁截面為300mm×600mm，核心筒內(nèi)樓板厚度為130mm，核心筒外樓板厚度為110mm。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)布置平面

3 結(jié)構(gòu)超限判定

3.1 超限判定

本工程的主要超限（不規(guī)則）判別情況如下：

⑴7 度區(qū)A 級(jí)高度鋼筋混凝土框架-剪力墻高層建筑的最大適用高度為130m，屬于高度超限（B 級(jí)高度鋼筋混凝土框架-剪力墻高層建筑的最大適用高度為180m）。

⑵本工程考慮偶然偏心的最大扭轉(zhuǎn)位移比計(jì)算值1.30，超過規(guī)范限值1.20，屬于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。

⑶本工程28 層平面X 向豎向構(gòu)件收進(jìn)大于25%，屬于豎向不規(guī)則中的尺寸突變。

⑷本工程首層局部有穿層柱，屬于局部不規(guī)則項(xiàng)。

⑸本工程無特別不規(guī)則及嚴(yán)重不規(guī)則項(xiàng)。

3.2 抗震性能目標(biāo)

為應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)超限狀況，本工程采用性能化設(shè)計(jì)，性能目標(biāo)按高規(guī)設(shè)定為C 級(jí)。各結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震設(shè)計(jì)性能目標(biāo)見表1。

表1 抗震設(shè)計(jì)性能目標(biāo)

4 多遇地震作用分析及結(jié)果

4.1 振型分解反應(yīng)譜法

B 級(jí)高度高層建筑結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用至少兩個(gè)不同力學(xué)模型的結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行整體計(jì)算。本工程選用YJK 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件和ETABS 進(jìn)行對(duì)比分析。模型主要假定如下：

⑴上部結(jié)構(gòu)嵌固于首層樓板處。

⑵根據(jù)高規(guī)第4.3.4 條規(guī)定，應(yīng)考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)振動(dòng)的影響[1]。本工程計(jì)算時(shí)采用考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)振動(dòng)影響的振型分解反應(yīng)譜法。

⑶根據(jù)高規(guī)第4.3.3 規(guī)定，本工程考慮單向地震時(shí)偶然偏心的影響[1]。

⑷根據(jù)高規(guī)第5.1.13 條規(guī)定，抗震計(jì)算時(shí)考慮的振型數(shù)應(yīng)使振型參與質(zhì)量不小于總質(zhì)量的90%[1]。

主要分析結(jié)果如表2 所示。兩種軟件分析主要結(jié)果（周期、總質(zhì)量、基底剪力、傾覆彎矩等）接近，規(guī)律一致。表明結(jié)構(gòu)模型真實(shí)、可靠，且各項(xiàng)結(jié)構(gòu)整體指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

表2 整體計(jì)算結(jié)果匯總

4.2 彈性時(shí)程分析法

根據(jù)高規(guī)第4.3.4 條要求，本工程需進(jìn)行多遇地震作用下的彈性時(shí)程分析[1]。采用YJK 軟件，計(jì)算了2 條人工波和5 條天然波，7 條波的峰值加速度均按規(guī)范多遇地震的35㎝/s2進(jìn)行調(diào)整，結(jié)構(gòu)阻尼比0.05。7 條地震波彈性時(shí)程分析與反應(yīng)譜分析基底剪力比較結(jié)果表明：7 條時(shí)程波的基底剪力與反應(yīng)譜剪力比值平均值，X向?yàn)?06%，Y 向?yàn)?07%。所選地震波滿足高規(guī)4.3.5 條要求[1]。

5 設(shè)防地震作用下抗震性能驗(yàn)算

為了評(píng)估整體結(jié)構(gòu)在中震作用下的構(gòu)件受力特性，本工程采用YJK 軟件對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了中震作用下的等效彈性計(jì)算。表3 為設(shè)防地震作用下結(jié)構(gòu)整體計(jì)算結(jié)果及與多遇地震作用結(jié)果的對(duì)比。

表3 設(shè)防地震作用下結(jié)構(gòu)整體結(jié)果

中震下，本工程的抗震設(shè)防性能目標(biāo)為性能水準(zhǔn)3：豎向構(gòu)件剪力墻和框架柱均為抗彎不屈服，抗剪彈性，水平構(gòu)件為部分抗彎屈服，抗剪不屈服。經(jīng)驗(yàn)算，水平構(gòu)件箍筋須按小震包絡(luò)中震結(jié)果才能滿足中震性能要求；所有豎向構(gòu)件均可滿足中震性能水準(zhǔn)3 要求，且大部分豎向構(gòu)件小震配筋結(jié)果大于中震配筋結(jié)果，豎向構(gòu)件設(shè)計(jì)須包絡(luò)小震及中震結(jié)果。

中震雙向水平地震作用下，僅首層核心筒部分墻肢出現(xiàn)拉力，其余樓層豎向構(gòu)件均無拉應(yīng)力。首層剪力墻拉應(yīng)力驗(yàn)算簡(jiǎn)圖見圖2，①和②剪力墻拉應(yīng)力大于ftk。施工圖設(shè)計(jì)時(shí)，需增設(shè)大直徑鋼筋以滿足混凝土名義拉應(yīng)力要求。①墻肢拉力為502KN，邊緣構(gòu)件配置鋼筋面積As=502×1000/360=1395mm2，配6 條20 即可；②墻肢拉力為696KN，邊緣構(gòu)件配置鋼筋面As=696×1000/360=1933mm2，配6 條22 即可。在風(fēng)荷載作用下，核心筒墻肢沒有出現(xiàn)拉力。

圖2 中震下墻肢偏拉驗(yàn)算

6 罕遇地震作用下抗震性能驗(yàn)算

6.1 整體層面驗(yàn)算結(jié)果

為分析整體結(jié)構(gòu)在地震作用下的受力特性，本工程采用PERFORM-3D 進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力彈塑性計(jì)算，采用結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)軟件PBSD 進(jìn)行結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的性能評(píng)估。為了較為真實(shí)考慮結(jié)構(gòu)鋼筋的影響，整個(gè)彈塑性分析模型的配筋采用小震配筋進(jìn)行輸入。選擇了1 條人工波AR51439_1 和2 條天然波FKS021411171、HKD0590 22317 分別按X 向、Y 向?yàn)橹鞣较?主次方向地震波峰值比例為1:0.85)進(jìn)行雙向彈塑性時(shí)程分析，共需要計(jì)算6 個(gè)不同情況的彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析工況。主方向地震波峰值加速度為220㎝s2。

表4 為結(jié)構(gòu)大震彈性響應(yīng)與大震彈塑性基地剪力的對(duì)比結(jié)果。

表4 大震彈塑性與大震彈性基底剪力對(duì)比結(jié)果統(tǒng)計(jì)

罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)的最大層間位移角如表5 所示。本工程層間彈塑性位移角限值為1/100，結(jié)構(gòu)X 向及Y 向?qū)娱g位移角的包絡(luò)值分別為1/217、1/239，均滿足規(guī)范限值要求。

表5 最大層間位移角統(tǒng)計(jì)

6.2 罕遇地震下構(gòu)件性能評(píng)估

結(jié)果顯示，大震作用下關(guān)鍵構(gòu)件的正截面無損壞，大部分關(guān)鍵構(gòu)件斜截面抗剪彈性，小部分關(guān)鍵構(gòu)件抗剪不屈服，但均滿足受剪截面要求，如圖3 所示。由此可知，關(guān)鍵構(gòu)件能滿足第4 性能水準(zhǔn)的要求。

圖3 地震工況包絡(luò)值下關(guān)鍵構(gòu)件斜截面性能狀態(tài)圖

結(jié)果顯示，大震作用下普通豎向構(gòu)件的正截面無損壞，鋼筋混凝土柱均達(dá)到斜截面抗剪彈性的性能狀態(tài)，非底部加強(qiáng)區(qū)的剪力墻大部分斜截面抗剪彈性，小部分抗剪不屈服，但均滿足受剪截面要求，如圖4 所示。由此可知，大震作用下普通豎向構(gòu)件均無損傷，能滿足第4性能水準(zhǔn)的要求。

圖4 地震工況包絡(luò)值下非底部加強(qiáng)區(qū)墻斜截面性能狀態(tài)圖

結(jié)果顯示，大震作用下耗能構(gòu)件出現(xiàn)輕度損壞，能滿足第4 性能水準(zhǔn)的要求。圖5 為鋼筋混凝土框架梁的正截面性能狀態(tài)統(tǒng)計(jì)。

圖5 地震工況包絡(luò)值下鋼筋混凝土框架梁正截面性能狀態(tài)圖

綜上所述，結(jié)構(gòu)整體抗震性能良好，與預(yù)期塑性化過程吻合；本工程能夠達(dá)到預(yù)定的大震下性能目標(biāo)。

7 專項(xiàng)分析

7.1 穿層柱分析

塔樓局部首層、二層柱為2 層通高，高度11.200m，截面為1200mm×1200mm、1400mm×1400mm。為提高穿層柱的抗震性能，在中震性能設(shè)計(jì)下，單獨(dú)調(diào)整穿層柱為性能水準(zhǔn)2。圖6 計(jì)算結(jié)果表明，中震下穿層柱均可滿足中震性能水準(zhǔn)2 要求，且中震計(jì)算結(jié)果均小于小震計(jì)算結(jié)果。

圖6 中震下穿層柱配筋結(jié)果

7.2 樓板應(yīng)力分析

本工程二層大開洞，二十八層豎向收進(jìn)，應(yīng)對(duì)以上不規(guī)則樓層及相鄰樓層的樓板進(jìn)行中震彈性應(yīng)力分析，樓板采用平面殼單元模擬。

以二十八層為例，樓板加厚至150mm，中震作用下樓板X 向地震下最大主應(yīng)力如圖7 所示。從計(jì)算結(jié)果看，在中震作用下大部分區(qū)域樓板正應(yīng)力小于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk（C35 混凝土為2.2N/mm2）。局部如核心筒邊存在應(yīng)力集中的情況，但范圍很小。因此，可認(rèn)為在中震作用下，樓板面內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生貫通性的裂縫，能有效傳遞水平力。施工圖階段，對(duì)應(yīng)力集中的部位對(duì)板配筋進(jìn)行加強(qiáng)。

圖7 二十八層樓板板頂X 向地震下最大主應(yīng)力分析

8 針對(duì)超限情況采取的主要措施

8.1 計(jì)算加強(qiáng)措施

⑴采用兩個(gè)不同的軟件YJK 和ETABS 進(jìn)行分析對(duì)比，互相驗(yàn)證，確保結(jié)構(gòu)整體計(jì)算指標(biāo)準(zhǔn)確可靠；計(jì)算結(jié)果表明兩種不同的彈性分析程序計(jì)算結(jié)果基本吻合。

⑵采用彈性時(shí)程分析法進(jìn)行多遇地震下補(bǔ)充計(jì)算，輸入2 組人工波和5 組天然波，結(jié)構(gòu)地震效應(yīng)取多組時(shí)程曲線的平均值與振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的較大值。

⑶根據(jù)抗震中不同構(gòu)件的重要性將構(gòu)件分為關(guān)鍵構(gòu)件、普通構(gòu)件和耗能構(gòu)件，并按C 級(jí)性能目標(biāo)分別對(duì)其在設(shè)防地震、罕遇地震作用下進(jìn)行等效彈性計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。

⑷進(jìn)行罕遇地震作用下的動(dòng)力彈塑性分析，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的抗倒塌能力和破壞機(jī)制。

⑸對(duì)不規(guī)則樓層的樓板應(yīng)力、穿層柱進(jìn)行專項(xiàng)分析。

8.2 構(gòu)造加強(qiáng)措施

⑴豎向構(gòu)件：底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻水平筋最小配筋率提高至0.35%，并應(yīng)滿足中震抗剪彈性、大震抗剪不屈服的性能目標(biāo)。

⑵水平構(gòu)件：二層、三層穿層柱相關(guān)區(qū)域樓板加厚至150mm，配筋雙層雙向拉通，配筋率不小于0.25%，相關(guān)樓面梁加強(qiáng)設(shè)置貫通面筋、全部設(shè)置抗扭腰筋。

二十八層體型收進(jìn)，樓板厚度150mm，配筋雙層雙向拉通，配筋率不小于0.25%；二十七、二十九層樓板配筋雙層雙向拉通；二十六～二十九層外框柱抗震等級(jí)提高至特一級(jí)。

9 結(jié)論

綜上所述，本項(xiàng)目平面布置較規(guī)則，結(jié)構(gòu)傳力途徑簡(jiǎn)單明確。在設(shè)計(jì)中充分利用概念設(shè)計(jì)方法，從分析和研究結(jié)構(gòu)整體性能入手，對(duì)不同構(gòu)件采用相應(yīng)的性能化目標(biāo)。在抗震設(shè)計(jì)中，采用不同程序或同一程序的不同計(jì)算方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了小震彈性反應(yīng)譜、小震彈性動(dòng)力時(shí)程、中大震作用下不同性能水準(zhǔn)的等效彈性計(jì)算、大震彈塑性計(jì)算分析。

計(jì)算結(jié)果表明，各項(xiàng)指標(biāo)表現(xiàn)良好，滿足規(guī)范要求。根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果和概念設(shè)計(jì)方法，對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件從計(jì)算與構(gòu)造兩方面采取措施進(jìn)行適當(dāng)加強(qiáng)，從而保證本超限結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做到安全、經(jīng)濟(jì)、合理。

因此，可以認(rèn)為本結(jié)構(gòu)除能滿足豎向荷載和風(fēng)荷載作用下的有關(guān)指標(biāo)外，本工程結(jié)構(gòu)可以滿足預(yù)先設(shè)定的性能目標(biāo)和使用功能的要求，并滿足“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)。