楊豐瑞

廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 廣東 廣州 510060

對(duì)于超限高層建筑結(jié)構(gòu)，需要設(shè)計(jì)及相關(guān)研究人員重點(diǎn)關(guān)注其抗震性能分析方法及相應(yīng)的抗震設(shè)計(jì)策略[1]。本文結(jié)合實(shí)際工程中一棟超限高層商業(yè)建筑，對(duì)結(jié)構(gòu)超限類型進(jìn)行判別和分析[2]。通過多種軟件計(jì)算、對(duì)比、分析和設(shè)計(jì)，使結(jié)構(gòu)主體最終達(dá)到設(shè)定的抗震性能目標(biāo)，并根據(jù)結(jié)構(gòu)超限情況和相關(guān)規(guī)范要求提出相應(yīng)的抗震構(gòu)造措施。

1 工程概況

金沙洲一號(hào)商業(yè)樓項(xiàng)目位于廣州市白云區(qū)金沙洲大橋北側(cè)、彩濱中路西側(cè)。其中T2棟塔樓，建筑功能為商業(yè)，地上建筑面積約為2.66萬m2，地下2層，地上28層，結(jié)構(gòu)高度139.95m。T2棟與相鄰塔樓在地下室頂板以上設(shè)置200mm防震縫分隔開來，以獨(dú)立的單塔樓作為結(jié)構(gòu)主體?？拐鹪O(shè)防烈度為7度(0.1g)，II類場(chǎng)地，抗震設(shè)防類別為丙類[3]。建筑效果圖如圖1所示。

圖1 建筑效果圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 結(jié)構(gòu)體系及布置

T2棟塔樓為鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，平面呈矩形，中部為剪力墻組成的核心筒，同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)剛度及受力需要，在外框設(shè)置剪力墻。為保證結(jié)構(gòu)剛度自下而上均勻變化，剪力墻混凝土強(qiáng)度下部C60變化至上部C35，截面分層減小。規(guī)定地震力作用下，底層框架部分傾覆力矩百分比X向7.9%〈10%，Y向9.7%〈10%，按剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，框架部分按框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的框架進(jìn)行設(shè)計(jì)，外框剪力墻周邊邊緣構(gòu)件，按框架柱設(shè)計(jì)。全樓采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板樓蓋，盡可能布置單向板，外圈梁高700mm，框架梁高控制在800mm以內(nèi)。板厚一般為100mm，核心筒局部板厚150mm。T2棟塔樓標(biāo)準(zhǔn)層平面尺寸為38m x 29.6m，標(biāo)準(zhǔn)層層高4.95m，平面布置如圖2所示。

圖2 T2棟塔樓標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置

2.2 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

本工程有2層地下室，主樓范圍基礎(chǔ)面標(biāo)高為-9.80m?；A(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁規(guī)格為1.0m～1.4m，單樁抗壓承載力特征值6800KN～13300KN。基礎(chǔ)持力層為微風(fēng)化巖，基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度等級(jí)C35。地下一層板厚0.15m；地下二層底板厚0.6m。主體結(jié)構(gòu)完成后，塔樓范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)自身重量可抵消地下水反力，可不考慮抗浮問題；塔樓外地下室抗浮采用抗拔鉆孔灌注樁。

2.3 超限情況

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（J G J 3-2010）[4]、《廣東省超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查實(shí)施細(xì)則》[5]、《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》[6]的相關(guān)要求進(jìn)行判別：本工程T2棟塔樓采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系，位于抗震設(shè)防烈度7度區(qū)，高度為139.95m，屬于B級(jí)高度，不存在其他不規(guī)則情況，屬于高度超限工程，需要進(jìn)行抗震設(shè)防專項(xiàng)設(shè)計(jì)。

2.4 抗震性能目標(biāo)

為達(dá)“小震不壞，中震可修，大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)，本工程對(duì)整體結(jié)構(gòu)及構(gòu)件進(jìn)行性能化設(shè)計(jì)。根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ3－2010)第3.11節(jié)，本工程結(jié)構(gòu)預(yù)期的抗震性能目標(biāo)要求達(dá)到C級(jí)，相應(yīng)小震、中震和大震下的結(jié)構(gòu)抗震性能水準(zhǔn)分別為水準(zhǔn)1、水準(zhǔn)3和水準(zhǔn)4。

3 結(jié)構(gòu)分析

3.1 小震反應(yīng)譜分析

本工程小震反應(yīng)譜采用YJK和MIDAS兩種三維計(jì)算軟件對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比和分析，主要參數(shù)如表1所示。

表1 小震振型分解反應(yīng)譜法主要計(jì)算結(jié)果

由表1可知，YJK與MIDAS的計(jì)算結(jié)果比較接近，印證計(jì)算結(jié)果可信。結(jié)構(gòu)的主振型以平動(dòng)為主，整體結(jié)構(gòu)周期比、剪重比、層間位移角，及結(jié)構(gòu)上下層側(cè)向剛度比、受剪承載力等分析數(shù)據(jù)，均滿足規(guī)范限值要求，說明結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)合理。

3.2 彈性時(shí)程分析

本工程按《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ3-2010)4.3.5條規(guī)定，選用YJK軟件中的5組天然波和2組人工波，對(duì)結(jié)構(gòu)補(bǔ)充多遇地震下的彈性時(shí)程分析，結(jié)論如下： (1)兩種分析方法得出的樓層剪力和傾覆彎矩曲線形狀基本一致；(2)樓層位移曲線光滑無突變，反映結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度較為均勻；(3) 彈性時(shí)程分析得出的中、低區(qū)樓層內(nèi)力平均值小于規(guī)范反應(yīng)譜法得出的樓層內(nèi)力，高區(qū)部分樓層結(jié)果則反之；(4)考慮雙向地震作用下，實(shí)際地震力調(diào)整最大放大系數(shù)為1.270。

3.3 中震等效彈性分析

本工程采用等效彈性方法進(jìn)行中震驗(yàn)算，控制各類構(gòu)件在中震下的受彎及受剪承載力滿足水準(zhǔn)3的性能要求。驗(yàn)算結(jié)果如表2所示。

表2 中震截面性能匯總表

分析結(jié)果可知，中震下結(jié)構(gòu)滿足底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻及普通豎向構(gòu)件僅輕微損壞、框架梁及連梁僅輕度損壞或部分中度損壞的性能水準(zhǔn)，各抗側(cè)力構(gòu)件能達(dá)到第3水準(zhǔn)的抗震性能目標(biāo)。

3.4 大震動(dòng)力彈塑性分析

本工程按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011-2010) 要求，選擇了1組人工波和2組天然波，采用Sausage有限元分析軟件對(duì)結(jié)構(gòu)建立有限元模型，如圖3。對(duì)該高層框架-剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了罕遇地震下的動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析，具體結(jié)果見表3。

表3 大震作用下結(jié)構(gòu)彈塑性分析結(jié)果

圖3 T2棟SAUSAGE有限元模型

大震彈塑性分析結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)彈塑性基底剪力約為多小震下結(jié)構(gòu)彈性基底剪力的3.9～5.8倍，說明部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)入屈服階段，發(fā)生塑性變形，剛度有所退化，地震作用減少[7]。結(jié)構(gòu)在地震作用下最大頂點(diǎn)位移0.612m，最大彈塑性層間位移角1/178，滿足規(guī)范1/100的限值要求。

對(duì)于主體結(jié)構(gòu)，在考慮重力二階效應(yīng)及大變形的條件下，整體結(jié)構(gòu)能夠完成整個(gè)彈塑性時(shí)程分析過程而不發(fā)散，最終能保持直立，滿足“大震不倒”的設(shè)防要求。對(duì)于結(jié)構(gòu)部件，各組地震波作用下的損壞破壞情況如下：

1.剪力墻混凝土損傷大部分為連梁損壞，剪力墻底部加強(qiáng)區(qū)僅出現(xiàn)輕度損壞，其它部位墻肢均未出現(xiàn)顯著損傷，剪力墻損傷總體上滿足所設(shè)定的性能目標(biāo)。

2.2 根框架柱底部出現(xiàn)輕度損壞，1根框架柱頂部出現(xiàn)點(diǎn)狀中度損壞，2根框架柱頂部出現(xiàn)輕度損壞，其余柱子均未出現(xiàn)顯著受壓損壞框架柱總體達(dá)到預(yù)設(shè)的性能水準(zhǔn)要求。

3.除少部分靠近洞口和剪力墻端部的框架梁出現(xiàn)輕度損壞或點(diǎn)狀中度損壞，其余梁均未出現(xiàn)顯著受壓損傷，達(dá)到預(yù)設(shè)的性能水準(zhǔn)要求，框架梁總體滿足所設(shè)定的性能目標(biāo)。

綜上，結(jié)構(gòu)整體和各構(gòu)件能達(dá)到第4水準(zhǔn)的抗震性能目標(biāo)。

4 針對(duì)超限情況采取的措施

4.1 設(shè)計(jì)和構(gòu)造措施

1.底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻按中震性能水準(zhǔn)3、大震性能水準(zhǔn)4 的性能目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)；底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻墻身豎向分布筋最小配筋率提高至0.40%，約束邊緣構(gòu)件縱向鋼筋最小配筋率1.4%，配箍特征值增大20%。

2.針對(duì)塔樓標(biāo)準(zhǔn)層樓板電梯井大開洞的情況，電梯井范圍內(nèi)樓板加厚至150mm，底、面筋拉通，配筋率不小于0.25%。

3.針對(duì)罕遇地震作用下第28層柱頂端出現(xiàn)點(diǎn)狀中度損壞情況，提高頂層框架柱抗震構(gòu)造措施，抗震等級(jí)提高至特一級(jí)。

4.加強(qiáng)梯板鋼筋與核心筒剪力墻的連接，梯板分布鋼筋適當(dāng)加強(qiáng)，并錨入周邊與之相連的核心筒剪力墻中，對(duì)核心筒剪力墻形成有效加強(qiáng)。

5.外框剪力墻周邊邊緣構(gòu)件，按框架柱設(shè)計(jì)。

4.2 計(jì)算手段

1. 結(jié)構(gòu)整體分析計(jì)算采用兩個(gè)不同的彈性分析軟件YJK和MIDAS進(jìn)行對(duì)比分析，并采用考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)振動(dòng)影響的振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算。

2. 按規(guī)范要求，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，并將結(jié)果與反應(yīng)譜分析結(jié)果相比較，取時(shí)程分析計(jì)算結(jié)果的包絡(luò)值，與振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的較大值設(shè)計(jì)。

3. 對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件、普通豎向構(gòu)件、耗能構(gòu)件按擬定的性能目標(biāo)，進(jìn)行中震第3水準(zhǔn)和大震第4水準(zhǔn)驗(yàn)算，采取相應(yīng)加強(qiáng)措施。

4. 對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震下的動(dòng)力彈塑性分析，確保結(jié)構(gòu)能滿足第二階段抗震設(shè)防水準(zhǔn)要求，并對(duì)薄弱構(gòu)件制定相應(yīng)的加強(qiáng)措施。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，金沙洲一號(hào)商業(yè)樓T2棟為B級(jí)高度的超限高層結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)中采用概念設(shè)計(jì)方法，采用多種程序?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行小震彈性、小震彈性時(shí)程、中震等效彈性以及大震動(dòng)力彈塑性時(shí)程等計(jì)算分析。計(jì)算結(jié)果顯示，多項(xiàng)指標(biāo)均表現(xiàn)良好，滿足規(guī)范的有關(guān)要求。說明按本工程所采取的抗震設(shè)計(jì)方法對(duì)超限高層結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，可驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否安全可行。根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果和概念設(shè)計(jì)方法，對(duì)關(guān)鍵和重要構(gòu)件適當(dāng)加強(qiáng)，保證結(jié)構(gòu)在地震作用下的延性性能，使結(jié)構(gòu)整體及各構(gòu)件的抗震性能目標(biāo)達(dá)到C級(jí)，說明對(duì)超限高層結(jié)構(gòu)采取一定的抗震加強(qiáng)措施，可進(jìn)一步保證結(jié)構(gòu)的抗震安全性。