摘要 某工程結(jié)構(gòu)高度為157.7 m，框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，屬于B級(jí)高度。基于抗震性能化設(shè)計(jì)方法，梳理了項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)體系與超限情況，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇地震、設(shè)防地震、罕遇地震條件下結(jié)構(gòu)分析計(jì)算，并提出有效的結(jié)構(gòu)抗震加強(qiáng)措施。分析結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)整體受力良好，各項(xiàng)性能指標(biāo)都能達(dá)到規(guī)范預(yù)定要求。

關(guān)鍵詞 超限高層； B級(jí)高度； 彈塑性分析； 抗震措施

中圖分類號(hào) TU973.3+1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

1工程概況

本工程總建筑面積65 572 m²，由一棟高層寫字樓及6層商業(yè)裙樓組成，主樓的建筑物總高度為157.8 m，結(jié)構(gòu)高度157.7 m，建筑物地下3層、地上38層。其中，第1～6層為商業(yè)區(qū)，7～38層為辦公區(qū)域，高層塔樓與裙樓之間設(shè)防震縫分開，該縫兼作溫度縫。

本工程的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年，結(jié)構(gòu)主體抗震設(shè)防類別為丙類，由于容積率大于4.5，1～7層樓面為重點(diǎn)設(shè)防類，抗震等級(jí)提高一級(jí)。1～7層樓面的重要構(gòu)件安全等級(jí)為一級(jí)，其他構(gòu)件安全等級(jí)為二級(jí)，結(jié)構(gòu)嵌固端設(shè)為一層樓面。工程的抗震設(shè)防烈度為6度（0.05g），設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場地類別為II類，結(jié)構(gòu)基本情況如表1所示，地震參數(shù)取值見表2。

2結(jié)構(gòu)體系及超限判斷

2.1結(jié)構(gòu)體系

本工程采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，屬于B級(jí)高度，利用建筑中部公共交通區(qū)域布置核心筒剪力墻，剪力墻能夠提供比較有效的抗震、抗風(fēng)的抗側(cè)力體系，在建筑物周邊布置框架柱，如圖1所示。樓面采用雙向布置的混凝土樓面梁板體系，1層樓板為地下室頂板，是結(jié)構(gòu)的嵌固端，樓板最小厚度取180 mm，2層、5層樓板存在大開洞，洞口周圍樓板厚度取為150 mm。結(jié)構(gòu)嵌固端設(shè)為一層樓面，結(jié)構(gòu)主體室內(nèi)外高差為1.1 m，為保證地震力與樓板錯(cuò)層處能有效傳遞，錯(cuò)層處的外框柱形成短柱，此處框柱的抗震等級(jí)為一級(jí)，體積最小配箍率增加為1.5%，樓板錯(cuò)層處采用局部樓板加腋的加強(qiáng)措施，結(jié)構(gòu)平面模型示意圖如圖2所示。

2.2超限判斷

項(xiàng)目建筑高度為157.8 m，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)）規(guī)定［1］，超出限值150 m，屬于超限高層建筑。。本結(jié)構(gòu)為超限項(xiàng)目，需要進(jìn)行抗震超限審查，存在的超限類別為高度超限和規(guī)則性超限。其中，規(guī)則性超限主要為扭轉(zhuǎn)不規(guī)則和樓板不連續(xù)。

3結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)

項(xiàng)目的抗震設(shè)計(jì)在滿足國家和地方規(guī)范的同時(shí)，需根據(jù)性能化抗震設(shè)計(jì)的概念進(jìn)行設(shè)計(jì)［2-3］。針對(duì)不同的地震水準(zhǔn)，根據(jù)JGJ3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》［4］設(shè)定抗震性能目標(biāo)為D+，多遇地震性能水準(zhǔn)為1，設(shè)防地震性能水準(zhǔn)為3，罕遇地震性能水準(zhǔn)為5。中震下的構(gòu)件抗震性能目標(biāo)采用等效彈性計(jì)算方法驗(yàn)算，大震下的構(gòu)件抗震性能目標(biāo)采用動(dòng)力彈塑性分析驗(yàn)算。

4結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析

4.1多遇地震彈性分析

采用YJK和Midas Building進(jìn)行計(jì)算，以保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性［5］，結(jié)果如表3所示。由表3、圖3可知，結(jié)構(gòu)自振周期、剛重比、地震及風(fēng)荷載作用下的最大層間位移角等參數(shù)均滿足規(guī)范各種指標(biāo)的控制要求，符合工程經(jīng)驗(yàn)及力學(xué)概念所作的判斷，結(jié)構(gòu)是合理的，計(jì)算結(jié)果均滿足現(xiàn)行國家規(guī)范及規(guī)程的要求。

4.2設(shè)防及罕遇地震下樓板應(yīng)力分析

本工程結(jié)構(gòu)平面近似為正方形，鑒于結(jié)構(gòu)的2層和5層樓面存在大開洞，因此對(duì)結(jié)構(gòu)在設(shè)防地震和罕遇地震作用下的樓板應(yīng)力進(jìn)行了分析，通過應(yīng)力分析，找出結(jié)構(gòu)樓面體系中相對(duì)薄弱部位。樓板內(nèi)力計(jì)算采用反應(yīng)譜法，樓板采用彈性板6，樓板在梁處剖分，最大單元尺寸為1 m，圖4～圖7為2層樓板計(jì)算結(jié)果。由圖可知，結(jié)構(gòu)在設(shè)防地震和罕遇地震作用下，應(yīng)力集中區(qū)域基本一致，均主要出現(xiàn)在樓板洞口周邊、連梁周邊、豎向構(gòu)件角部等區(qū)域。為了減小對(duì)結(jié)構(gòu)自重的影響，可對(duì)應(yīng)力集中區(qū)域局部采取加強(qiáng)樓板配筋等措施適當(dāng)提高配筋率，必要區(qū)域可適當(dāng)配合增加樓板厚度，使其在中震和大震作用下樓板裂縫寬度及剛度退化程度得到有效控制。

4.3關(guān)鍵構(gòu)件中震不屈服驗(yàn)算

結(jié)構(gòu)在中震作用下，由于部分構(gòu)件屈服，結(jié)構(gòu)的整體阻尼會(huì)增大，周期也會(huì)增長，本分析所采用的主要參數(shù)如表4所示。

根據(jù)性能目標(biāo)要求，框架柱為關(guān)鍵構(gòu)件，應(yīng)滿足正截面不屈服，受剪彈性。采用YJK程序?qū)υ摌?gòu)件進(jìn)行中震作用下的正截面、斜截面驗(yàn)算。由計(jì)算結(jié)果可知，框架柱配筋正常，通過合理的配筋，所有框架柱構(gòu)件正截面能滿足中震不屈服的設(shè)計(jì)要求，所有核心筒剪力墻斜截面抗剪能滿足中震彈性的設(shè)計(jì)要求。中震下各樓層剪力墻正截面滿足不屈服，斜截面均滿足彈性要求，施工圖設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按中震計(jì)算配筋結(jié)果包絡(luò)設(shè)計(jì)。

4.4大震彈塑性時(shí)程分析

在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行大震作用下的彈塑性時(shí)程分析時(shí)，根據(jù)場地特征周期、頻譜特性以及有效持續(xù)時(shí)間等控制條件選取1組人工波（R1）和2組天然波（T1、T2）作為時(shí)程輸入。由圖8、圖9可知，大震作用下的結(jié)構(gòu)主體峰值層間位移角參考值X向最大值出現(xiàn)在第21層，為1/342；Y向最大值出現(xiàn)在18層，為1/233，均滿足第五性能水準(zhǔn)中有關(guān)層間位移角的要求。

圖10為47.5 s時(shí)刻剪力墻整體的剪切情況，從剪力墻整體來看，到地震波結(jié)束時(shí)，96.7%的剪力墻混凝土剪切應(yīng)變等級(jí)為1和2，處于彈性狀態(tài)；1.7%的墻單元應(yīng)變等級(jí)為3，處于屈服前階段；1.5%的墻單元屈服，沒有墻單元處于極限狀態(tài)?？梢钥吹?，破壞主要集中在邊緣構(gòu)件部位或與連梁相交接部位，破壞程度較低，滿足第五性能水準(zhǔn)要求。從核心筒外筒整體來看，到地震波結(jié)束時(shí)，96.2%的剪力墻混凝土剪切應(yīng)變等級(jí)為1和2，處于彈性狀態(tài)；1.5%的墻單元應(yīng)變等級(jí)為3，處于屈服前階段；2.3%的墻單元屈服，沒有墻單元處于極限狀態(tài)?？梢钥吹剑茐闹饕性谶吘墭?gòu)件部位或與連梁相交接部位，破壞程度較低，滿足第五性能水準(zhǔn)中，允許關(guān)鍵構(gòu)件中度損壞的要求。

圖11為過渡層（5～6層樓面）核心筒外筒剪切情況，過渡層外筒有1.2%的墻單元屈服，屈服墻單元損壞主要集中在與連梁相交接的部位。最大剪應(yīng)力為0.5 MPa，受剪不屈服的條件為0.7 f_tk=0.7×2.85=1.995 MPa，受剪截面的條件為0.15 f_ck=0.15×38.5=5.775 MPa，可以看出過渡層墻體幾乎全部滿足受剪不屈服要求。

4.5大震彈塑性時(shí)程分析總結(jié)

本結(jié)構(gòu)層間位移角參考值小于抗震設(shè)防規(guī)范的1/111，結(jié)構(gòu)滿足“大震不倒”要求。

大震作用下，核心筒外筒有少量單元混凝土剪切屈服破壞，破壞主要集中在邊緣構(gòu)件部位或與連梁相交接部位，所有框架柱關(guān)鍵構(gòu)件均沒有屈服。

大震作用下，耗能構(gòu)件發(fā)生較為嚴(yán)重?fù)p壞，部分框架梁出現(xiàn)屈服塑性鉸，大部分連梁混凝土剪切屈服破壞。耗能構(gòu)件起到了耗能作用。

5結(jié)構(gòu)抗震加強(qiáng)措施

（1）采用天然筏板基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深與建筑物高度比值約為1/9.4，大于規(guī)范1/15，并且天然筏板基礎(chǔ)以（6-2）層中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖作為持力層，沉降量很小。

（2）底部加強(qiáng)區(qū)，1層樓面5層樓面核心筒約束邊緣構(gòu)件墻體按照豎向鋼筋配筋率1.2%；過渡層，5～6層樓面核心筒角部約束邊緣構(gòu)件墻體按照豎向鋼筋配筋率1.2%；6層樓面至7層樓面核心筒角部約束邊緣構(gòu)件墻體按照豎向鋼筋配筋率1.2%筋配筋0.9%進(jìn)行；7層樓面以上核心筒角部約束邊緣構(gòu)件墻體按照豎向鋼筋配筋率1.0%。核心筒剪力墻設(shè)置暗梁，暗梁截面高度同樓層典型連梁高度。

（3）2層、5層存在大開洞，核心筒內(nèi)外樓板厚度增大到150 mm。保證核心筒豎向剛度變化均勻平緩，核心筒墻體厚度的改變以及墻體混凝土等級(jí)的改變不在同一樓層進(jìn)行。

（4）連梁控制剪壓比，箍筋按小震彈性和中震等效彈性包絡(luò)配筋，對(duì)于剪壓比超限的連梁采用交叉斜筋或此部位設(shè)置雙層連梁以提高其抗震性能。

（5）施工圖設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)抗震性能設(shè)計(jì)要求，對(duì)相關(guān)構(gòu)件配筋采用小震+風(fēng)與中震分析結(jié)果包絡(luò)設(shè)計(jì)，對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件抗剪配筋尚應(yīng)采用小震+風(fēng)與大震分析結(jié)果包絡(luò)設(shè)計(jì)。

（6）按規(guī)范要求設(shè)置暗梁，并在上部筒體與框架梁相交處設(shè)置壁柱或端柱，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗震性能。

6結(jié)束語

（1）在多遇地震作用下，本結(jié)構(gòu)周期比、結(jié)構(gòu)層間位移角等都滿足現(xiàn)行規(guī)范的相關(guān)要求。

（2）關(guān)鍵構(gòu)件在中震作用下的正截面承載力滿足不屈服要求，其受剪承載力滿足彈性要求。

（3）采用彈性樓板模型對(duì)結(jié)構(gòu)樓板進(jìn)行有限元分析，板面拉應(yīng)力集中在核心筒角部及洞口部位，壓應(yīng)力及剪應(yīng)力均未超過規(guī)范的材料限值。

（4）本結(jié)構(gòu)雖具有高度超限、扭轉(zhuǎn)不規(guī)則和樓板不連續(xù)等超限指標(biāo)，但通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并采取一系列抗震加強(qiáng)措施，使結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，滿足“小震不壞、中震可修、大震不倒”的設(shè)防目標(biāo)。本工程設(shè)計(jì)成果可為同類超限高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)借鑒。

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