大底盤雙塔超限高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能化設計

古寶鋮

摘 要：某大底盤雙塔超限高層建筑，建筑結(jié)構(gòu)高度190.5米，主要采用剪力墻結(jié)構(gòu)體系。綜合建筑功能、場地條件、設防類別、結(jié)構(gòu)類型和不規(guī)則性等，設定抗震性能目標為C級，應用SATWE和YJK進行整體分析，PUSH&EPDA;和STRAT進行彈塑性分析補充論證。分析結(jié)果顯示，各項指標均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)體系合理，加強措施可行，滿足抗震設防目標要求。

關鍵詞：大底盤雙塔；超限高層；抗震性能化設計；彈塑性分析

中圖分類號：TU973 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）14-0093-03

Abstract： A large-chassis double-tower ultra-limit high-rise building， with a building height of 190.5 meters， mainly adopts the shearwall structure system. By synthesizing the building function， site condition， security category， structure type and irregularity， the seismic performance target is set as grade C， and the whole analysis is carried out by SATWE and YJK， and an elastoplastic analysis is made using PUSH & EPDA and STRAT. The results show that all the indexes meet the requirements of the current code， the structure system is reasonable， the strengthening measures are feasible， and the requirements of seismic fortification target are met.

Keywords： double tower with large chassis； ultra-limit high-rise； aseismic performance design； elastic-plastic analysis

引言

基于性能的抗震設計是建筑抗震設計的發(fā)展方向，文章以實際工程為案例，進行抗震性能化設計，采取多種分析方法對結(jié)構(gòu)體系和構(gòu)件進行分析計算，并提出加強措施，使得建筑物達到“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設防目標。

1 工程概況和設計參數(shù)

項目位于佛山市南海區(qū)，建筑物由1座（45層）、2座（44層）和大底盤裙樓（4層）組成的產(chǎn)業(yè)及配套用房用途公共建筑，地下兩層車庫，兩棟單塔以裙樓中軸為對稱布置，總建筑面積約16.8萬m2。1座和2座建筑結(jié)構(gòu)高度190.5m，裙樓為21.6m。

本工程正負0至裙樓屋面部位為重點設防（乙類），其余部位為標準設防（丙類）。抗震設防烈度7度，II類場地，設計地震第一組，地震加速度值0.1g，特征周期0.35s，設計使用年限50年，安全等級二級，重要性系數(shù)1.0，地基基礎甲級。風荷載基本風壓0.5kN/m2，地面粗糙度B類，體形系數(shù)1.4。

2 結(jié)構(gòu)體系和基礎選型

建筑物高寬比為6.4，結(jié)合建筑功能用途，選用鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)體系，其中裙樓部分為框架結(jié)構(gòu)，局部存在框支轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)和大跨度框架結(jié)構(gòu)，樓蓋選用鋼筋混凝土梁板體系，典型結(jié)構(gòu)布置見圖1和圖2。計算嵌固層選定為地下室頂板。

場地地基巖土種類復雜、不均一，起伏變化大，通過對各勘探孔進行土層厚度分析，結(jié)合超高層墻柱底荷載大的情況，選用旋挖成孔混凝土灌注樁基礎，以微風化巖（frp=15MPa）為樁端持力層。

圖2 典型標準層結(jié)構(gòu)布置圖

3 結(jié)構(gòu)超限情況及抗震性能目標

根據(jù)文獻[2]及[3]的有關規(guī)定，本工程屬于高度超限建筑（超B級高度限值），存在樓板不連續(xù)、尺寸突變、構(gòu)件間斷和穿層柱等不規(guī)則項。綜合建筑結(jié)構(gòu)體系和超限情況，結(jié)構(gòu)抗震性能目標選定為C級（1、3、4），各構(gòu)件抗震性能目標見表1。結(jié)構(gòu)層間位移角限值為：小震彈性1/1000，大震彈塑性1/120。

4 計算分析及結(jié)果

根據(jù)性能目標，分別采用不同軟件和不同的計算方法對結(jié)構(gòu)進行分析論證。以SATWE為主要計算主程序進行小震、中震和大震等效彈性分析，采用YJK進行小震彈性校核對比和彈性時程補充分析，同時補充了大震作用下的PUSH&EPDA;靜力推覆和STRAT動力彈塑性分析論證。

4.1 小震彈性分析

本工程進行了多塔和單塔的彈性分析計算，考慮偶然偏心地震作用、雙向地震作用、平扭耦聯(lián)及施工模擬3等主要參數(shù)。計算結(jié)果見表2，剪重比在底部部分樓層不滿足，通過增加計算振型數(shù)和放大地震剪力系數(shù)調(diào)整后可滿足要求，其余各主要指標均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

根據(jù)文獻[2]的要求，選取了5組天然波和2組人工波補充彈性時程分析。地震波有效峰值加速度（36cm/s2）和持續(xù)時間（結(jié)構(gòu)基本自振周期的5～10倍，且大于15s）均滿足規(guī)范要求，且前三個周期的平均地震影響系數(shù)與反應譜結(jié)果相差不超過20%。每條地震波計算的結(jié)構(gòu)底部剪力不小于反應譜計算結(jié)果的65%，七條波計算的結(jié)構(gòu)底部剪力平均值不小于反應譜計算結(jié)果的80%。時程分析的剪力、彎矩、位移和位移角曲線與反應譜計算所得的曲線相似，指標結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

4.2 中、大震作用下彈性和不屈服分析

按性能目標對結(jié)構(gòu)進行中、大震作用下的等效彈性計算。隨著地震力增大，構(gòu)件塑性鉸陸續(xù)開展，計算時適當考慮結(jié)構(gòu)阻尼比增加和連梁剛度折減，不考慮與抗震等級有關的構(gòu)件內(nèi)力調(diào)整系數(shù)。彈性分析和不屈服分析時，材料強度分別為設計值和標準值。

由計算分析可見：（1）中震作用下，關鍵構(gòu)件和普通豎向構(gòu)件均滿足抗彎不屈服和抗剪彈性，耗能構(gòu)件抗彎和抗剪均不屈服。其中部分剪力墻的抗彎計算配筋和抗剪計算配筋比小震時要大，部分框架梁和連梁的抗剪計算配筋比小震時要大。（2）大震作用下，底部加強區(qū)剪力墻可滿足抗剪不屈服，其余剪力墻滿足抗剪截面，框支轉(zhuǎn)換梁和轉(zhuǎn)換柱均滿足抗彎不屈服和抗剪不屈服，耗能構(gòu)件大部分屈服。其中部分剪力墻的抗剪計算配筋比小震和中震時要大。（3）剪力墻的剪應力滿足性能目標要求。（4）中震不屈服作用下，局部墻肢出現(xiàn)拉應力。

4.3 大震彈塑性分析

采用PUSH對單塔進行靜力推覆分析，結(jié)果見表3，在結(jié)構(gòu)性能點處最大層間位移角均滿足限值1/120，可實現(xiàn)“大震不倒”的抗震設防目標。經(jīng)查小、中、大震性能點處的結(jié)構(gòu)損傷分布圖，小震時保持彈性工作狀態(tài)，中、大震時部分耗能構(gòu)件的塑性鉸陸續(xù)開展。由表3基底剪力對比分析可見，大震作用下結(jié)構(gòu)體系通過構(gòu)件屈服進入彈塑性階段的屈服，起到較好的耗能作用，表明本結(jié)構(gòu)體系具有一定的延性。底部結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換處，轉(zhuǎn)換梁、轉(zhuǎn)換柱在小、中、大震性能點均處于彈性狀態(tài)，無損傷。

為清晰揭露大底盤雙塔的整體抗震受力狀況，還采用STRAT對多塔進行了動力彈塑性分析，模型分析中梁柱墻采用纖維單元，樓板采用分層殼纖維單元，由基本纖維的拉壓非線性本構(gòu)特性（單向/二維），實現(xiàn)構(gòu)件的非線性性能及整體結(jié)構(gòu)的非線性性能。選取了2組天然波和1組人工波進行分析計算，所選地震波滿足文獻[2]及[3]的要求。

計算結(jié)果顯示：（1）X方向最大層間位移角為1/196（塔1）和1/235（塔2）；Y方向最大層間位移角為1/188（塔1）和1/149（塔2）。大震作用下結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)，滿足“大震不倒”的抗震設防目標。（2）結(jié)構(gòu)在X、Y方向基底剪力最大值為182343kN和193914kN，對應的剪重比為5.94%和6.32%。（3）X、Y兩個方向頂點位移的平均值分別為0.63m（塔1）和0.72m（塔1）、0.47m（塔2）和0.80（塔2）。大震下整體響應指標滿足規(guī)范設計要求。

通過時程波歷時過程分析可見：（1）核心筒連梁屈服出

現(xiàn)早、范圍大、程度深，有效耗能；框架梁大面積屈服，有效耗能。（2）核心筒底部墻肢，局部輕微抗彎屈服。（3）外圍剪力墻底部，局部輕微抗彎屈服。（4）外框柱柱底均未出現(xiàn)拉力。（5）框支轉(zhuǎn)換梁端出現(xiàn)輕微損傷，框支轉(zhuǎn)換柱無損傷。（6）裙樓屋頂大跨度部位結(jié)構(gòu)梁柱未見損傷。（7）裙樓樓板應力局部較大，局部部位屈服。

4.4 樓板應力分析

裙樓結(jié)構(gòu)平面尺寸約為52m×142m，裙樓中部未設分縫，應用PMSAP程序按彈性板6進行分析，揭露大底盤裙樓樓板在中震不屈服作用下的應力分布。同時，考慮由溫度變化（溫差絕對值為20℃）而引起裙樓樓板的應力變化情況，裙樓屋面25.2米雙向大跨度結(jié)構(gòu)在重力作用下的樓板應力情況。

由分析結(jié)果可見：（1）在中震不屈服作用下，在開洞角部、塔樓核心筒角部、塔樓框架柱部位樓板明顯應力集中。（2）在溫差變化工況作用下，在建筑邊角部、開洞角部、塔樓核心筒角部、塔樓框架柱部位樓板明顯應力集中。其中裙樓中部樓板在溫升工況作用下出現(xiàn)局部壓應力，樓板應力水平不高；在溫降工況作用下出現(xiàn)較大拉應力，樓板應力水平較高。中部結(jié)構(gòu)梁和結(jié)構(gòu)柱配筋，在溫升和溫降工況作用下均在性能目標小震彈性計算結(jié)果包絡以內(nèi)。（3）重力作用下大跨度部位樓板的壓應力值較高，而受大跨度結(jié)構(gòu)影響的兩端相鄰跨部位出現(xiàn)較大的拉應力。

4.5 大跨度屋面舒適性分析

裙樓屋面25.2米雙向大跨度處，上部設置游泳池，為保證其舒適性使用，采用了STRAT進行舒適度分析。選用豎向地震反應譜和人行加速度時程波輸入，經(jīng)分析：（1）在豎向地震反應譜作用下，最小頻率3.8Hz。（2）采用時程分析計算，其加速度最大值0.018m/s2。（3）在恒載和活載作用下，大跨度結(jié)構(gòu)梁在長期剛度下的撓度最大值為24mm，撓度與跨度比值1/1050。主要指標均滿足規(guī)范限值要求。

4.6 穿層柱分析

本工程存在主要受力結(jié)構(gòu)柱首～二層穿層的情況。應用Midas Gen2014進行模擬分析，選擇相應的穿層柱，在柱頂端施加單位集中力，求得穿層柱屈曲模態(tài)，再得出相應臨界荷載系數(shù)值。然后，應用歐拉失穩(wěn)公式Pcr=π2EI/（μL）2，反算出計算長度μL，以此求得穿層柱的計算長度系數(shù)。將各穿層柱的計算長度系數(shù)輸入整樓模型中，進行大震作用下考慮P-Δ作用效應的驗算，驗算結(jié)果顯示，強度和穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

5 主要加強措施

通過上述論證分析，本工程結(jié)構(gòu)能滿足豎向荷載和風荷載作用下的有關指標，且能滿足抗震設防目標。結(jié)合各構(gòu)件性能目標要求和薄弱部位的加強方向，采用如下加強措施：（1）剪力墻底部加強區(qū)提高墻身分布筋最小配筋率至0.50%。（2）轉(zhuǎn)換梁和轉(zhuǎn)換柱構(gòu)件內(nèi)設置型鋼加強構(gòu)件的承載能力和延性性能。（3）提高中震不屈服作用下受拉墻肢的墻身豎向分布筋最小配筋率至0.5%，提高暗柱的縱向配筋率，滿足墻肢受拉力要求。（4）裙樓二～五樓板板厚加強至

150mm，配置雙層雙向10@150，裙樓屋面25.2米雙向大跨度結(jié)構(gòu)梁及相連結(jié)構(gòu)柱均設置型鋼，相鄰跨部位延伸2/3跨范圍內(nèi)均設置鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)梁，加強其強度和剛度。

6 結(jié)束語

大底盤多塔超限高層建筑，功能使用要求高，結(jié)構(gòu)體系應用種類多，通過基于性能的抗震設計方法進行了詳細的計算分析論證，使得建筑物滿足抗震設防要求。針對此類項目，在設計概念和方法論上可以歸納如下：（1）選用合理的結(jié)構(gòu)體系，清晰判斷結(jié)構(gòu)超限類別和不規(guī)則程度，提出適宜的抗震性能目標。（2）針對設定的性能目標要求，對結(jié)構(gòu)進行詳細整體分析，存在薄弱和軟弱部位補充更深層次的論證分析，并對提出相應的加強措施。（3）具體分析考慮不同工況組合，以揭露最不利狀況的實際受力，避免盲目的全工況考慮包絡或僅單工況考慮不周。（4）復雜結(jié)構(gòu)體系應采用多種不同程序進行分析，對比分析論證結(jié)果，以保證分析結(jié)論的可靠性。

參考文獻：

[1]GB 50011-2010.建筑抗震設計規(guī)范（2016年版）[S].中國建筑工業(yè)出版社，2016.

[2]JGJ 3-2010.高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術規(guī)程[S].中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[3]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點：建質(zhì)[2015]67號[S].2013.

[4]韓小雷，季靜.基于性能的超限高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設計[M].中國建筑工業(yè)出版社，2013.

[5]錢國楨，孫宗光.倪一清.超限高層建筑抗震設計應用技術[M].中國建筑工業(yè)出版社，2015.

[6]錢學林.復雜超限高層建筑抗震設計指南及工程實例[M].中國建筑工業(yè)出版社，2014.

[7]婁宇，黃健，呂佐超.樓板體系振動舒適度設計[M].科學出版社，2012.