中冶天府大廈框筒結(jié)構超限分析設計

李 天, 梁 川, 杜 勇

(中國十九冶集團有限公司勘察設計分公司， 四川成都 611700)

1 工程概況

本項目由2棟樓組成，其中塔樓為帶一跨裙房的超高層辦公樓，裙樓為多層商業(yè)，地下三層。地上建筑面積為85 295.80 m2，地下建筑面積為34 889.63 m2，總建筑面積為120 185.43 m2。地下室為商業(yè)、停車庫和設備用房。

塔樓由一個結(jié)構單元構成，總建筑高度為157.650 m，地面以上38層，超過A級高度規(guī)范限值(130 m)，屬于B級高度結(jié)構，標準層層高3.9 m。結(jié)構單元長47.000 m，寬40.300 m，高寬比3.912。核心筒長20.450 m、寬16.300 mm，高寬比：9.67。塔樓采用抗側(cè)剛度大的框架-核心筒結(jié)構。在配合建筑平面布局和功能要求的前提下，結(jié)構上對抗震墻進行靈活性布置，即縱橫同時設置抗震墻，使其互為翼緣，目的是為了同時滿足剛度要求和抗震墻平面外穩(wěn)定性要求。建筑概況、結(jié)構典型計算標準層平面布置及計算模型如圖1～圖3。

圖1 天府大廈效果圖

圖2 典型標準層平面布置

圖3 空間計算模型

2 小震反應譜計算對比解析

本塔樓采用YJK、SATWE及MIDAS Building進行常規(guī)計算結(jié)果的對比計算分析。主要分析結(jié)果詳見表1。

由以上對比分析結(jié)果可知：結(jié)構模型分析準確，各階振型清晰，振型成份合理；結(jié)構體系具有滿足規(guī)范要求的抗側(cè)剛度和抗扭剛度；結(jié)構側(cè)向剛度沿房屋高度變化較均勻，無軟弱層(薄弱層施工圖設計時按規(guī)范調(diào)整)。

3 小震彈性時程分析

本工程彈性時程分析時所采用的地震波按特征周期與本工程相同或相近的原則，從YJK軟件提供的時程曲線庫中選取兩條人工波和五條自定義天然波時程曲線。各地震波反應譜與規(guī)范反應譜對比如圖4。

由YJK軟件按彈性時程分析法計算，各條地震波所得基地剪力及其平均值與按振型分解反應譜法計算所得基底剪力比較詳表2。

主方向最大樓層剪力如圖5、圖6，最大層間位移角曲線如圖7、圖8所示。

由以上分析結(jié)果可知：所選取的小震時程波基本滿足抗震設計規(guī)范的選波要求，與規(guī)范反應譜在統(tǒng)計意義上相符。塔樓在結(jié)構主方向上的基底剪力，單條地震波輸入的彈性時程分析所得的基底剪力不小于按振型分解反應譜法計算所得基底剪力的65 %，且不大于135 %；七條地震波輸入的彈性時程分析所得基底剪力的平均值不小于按振型分解反應譜法計算所得基底剪力的80 %，且不大于120%。七組地震波時程計算所得的結(jié)構最大層間位移角均小于GB 50011-2010《建筑抗震設計規(guī)范》[1]規(guī)定的限值。故本塔樓在小震作用下結(jié)構整體和結(jié)構構件的抗震性能滿足設計要求。

表1 小震計算結(jié)果對比

表2 基底剪力比較

圖4 規(guī)范普與地震波譜對比

圖5 地震波作用方向為0°時樓層剪力曲線

圖6 地震波作用方向為90°時樓層剪力曲線

圖7 地震波作用方向為0°時層間位移角曲線

圖8 地震波作用方向為90°時層間位移角曲線

4 中震作用下結(jié)構性能分析

中震作用下的結(jié)構抗震性能分析不考慮風荷載效應的組合，不考慮與抗震等級相關的內(nèi)力調(diào)整系數(shù)。當按彈性計算時，需考慮荷載分項系數(shù)﹑材料分項系數(shù)和抗震承載力調(diào)整系數(shù)，當按不屈服計算時，不考慮荷載分項系數(shù)﹑材料分項系數(shù)和抗震承載力調(diào)整系數(shù)。中震作用下結(jié)構構件設定的性能目標為：底部加強部位的剪力墻、框架柱等關鍵構件的抗剪、抗彎承載力應滿足不屈服性能要求；一般部位的剪力墻、框架柱允許部分屈服，抗剪截面應滿足要求；大部分框架梁、連梁等耗能構件允許進入屈服階段，部分允許破壞。塔樓中震作用下按彈性和不屈服計算所得的結(jié)構整體性能詳表3。

表3 中震作用下結(jié)構整體性能

由計算結(jié)果可以得出：框架柱在中震彈性工況下未出現(xiàn)抗剪、抗彎超筋信息，說明框架柱處于中震抗剪、抗彎彈性的工作狀態(tài)。框架柱的抗震性能高于本工程設定的性能目標要求。底部加強部位剪力墻在中震彈性(抗剪)、中震不屈(抗彎)工況下未出現(xiàn)超筋信息，說明底部加強部位剪力墻處于中震抗剪彈性﹑抗彎不屈的工作狀態(tài)，底部加強部位剪力墻的抗震性能高于本工程設定的性能目標要求。故在中震作用下，結(jié)構的整體抗震性能及結(jié)構構件的抗震性能均滿足預先設定的抗震性能目標D要求。

5 大震作用下結(jié)構性能分析

大震作用下的彈塑性時程分析采用YJK-A結(jié)構分析軟件，彈塑性時程分析采用了和彈性時程分析相同的7條波(R1、R2、T1、T2、T3、T4、T5)，分別進行X方向和Y方向的彈塑性時程分析。彈塑性最大層間位移角如圖9、圖10所示。

圖9 X向最大層間位移角曲線

圖10 X向最大層間位移角曲線

由分析結(jié)果可以得出：在罕遇地震作用下結(jié)構的最大彈塑性層間位移角均小于1/110的規(guī)范規(guī)定限值，層間位移角剛度樓層變化較平緩，說明塔樓的剛度分段均勻。結(jié)構整體及各構件的抗震性能滿足 “罕遇地震作用下不倒”的要求。為了體現(xiàn)結(jié)構在罕遇地震中的破壞情況，下面以罕遇地震下產(chǎn)生的最大層間位移角的人工地震波為例，給出局部位置核芯筒的墻體壓傷圖(圖11、圖12)，框架和剪力墻塑性發(fā)育情況(圖13、圖14)。

圖11 X向一層墻體壓傷

圖13 一層構件受拉破壞等級

圖14 頂層構件受拉破壞等級

由分析結(jié)果可知：計算所得的塔樓結(jié)構性能點最大彈塑性層間位移角為1/183(1/155)，均小于規(guī)范規(guī)定結(jié)構允許最大彈塑性層間位移角(1/110)，滿足規(guī)范規(guī)定要求；從墻的損傷情況來看，剪力墻的受拉開裂部位主要發(fā)生在底部加強區(qū)。墻肢的損傷主要以水平裂縫為主，且大部分墻肢受損輕微，表明結(jié)構在罕遇地震下仍有一定的安全儲備，剪力墻受壓損傷嚴重的樓層主要集中在9～16層，施工圖設計時，加大9～16層損傷嚴重墻體墻身鋼筋的配筋率，底部加強區(qū)墻體通過提高配筋率來抵抗地震作用下引起的拉力，改善剪力墻底部加強區(qū)的延性；從塑性鉸的分布來看，連梁、框架梁出現(xiàn)塑性鉸，剪力墻受損輕微、框架柱存在局部樓層輕微受損，符合強柱弱梁的概念設計。

6 抗震加強措施

根據(jù)上述分析，在施工圖階段采取以下抗震加強措施：

(1)嚴格控制剪力墻和塔樓框架柱的軸壓比、剪壓比，提高豎向構件的承載力和延性；

(2)核心筒內(nèi)部樓板加厚(150 mm)，配筋率不小于0.3 %、核心筒以外的樓板，配筋率不小于0.25 %；

(3)塔樓框架柱地下一層～三層內(nèi)設置構造型鋼，第四層設型鋼柱過渡層，短柱樓層構造設芯柱，柱子出現(xiàn)損傷的樓層，加大其箍筋直徑，使結(jié)構剛度沿豎向均勻變化。9～16層局部墻體損傷嚴重，施工圖設計時增大墻身鋼筋的配筋率；

(4)按中震作用下，框架柱抗剪、抗彎彈性，底部加強部位剪力墻抗剪彈性、抗彎不屈服進行設計；大震作用下，框架柱抗剪、抗彎不屈服，其余標高框架柱抗剪不屈服，底部加強部位剪力墻抗剪不屈服進行設計。

7 結(jié)論

本工程塔樓(房屋高度為157.650 m)為具有扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、局部不規(guī)則、承載力突變?nèi)椧话悴灰?guī)則的B級高度高層建筑，屬于超限高層建筑結(jié)構。在小震作用下，SATWE、YJK-A與midas-Building模型計算結(jié)果在數(shù)值上雖存在一定的差異，但基本規(guī)律一致，除個別連梁外，絕大部分構件均處于彈性工作狀態(tài)。中震作用下，塔樓框架柱的正截面受彎、斜截面受剪基本處于彈性狀態(tài)(略高于性能目標D[2]的要求)。在大震作用下，塔樓框架柱、底部加強部位剪力墻的正截面受彎、斜截面受剪基本處于不屈狀態(tài)。本工程通過對小震、中震和大震作用下結(jié)構的性能分析，計算結(jié)果中的各項指標均滿足現(xiàn)行規(guī)范和規(guī)程的要求并在合理范圍內(nèi)，同時加強概念設計[3]并根據(jù)時程分析結(jié)果采取有針對性的加強措施，保證結(jié)構的安全性。