廣州醫(yī)藥港項(xiàng)目超限高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

肖 南，時(shí) 丹，方 杉

（杭州市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州310001）

1 工程概況

本工程位于廣州市荔灣區(qū)東沙街，上部建筑由5層裙樓及11～12層塔樓組成，上部建筑面積約為507 122 m2。地塊內(nèi)滿鋪設(shè)置3層地下室，地下室建筑面積約為358 845 m2。建筑效果圖見圖1。

圖1 建筑效果

整個(gè)地塊的上部建筑分為一區(qū)、二區(qū)兩個(gè)區(qū)塊。其中一區(qū)上部建筑由5層裙樓及11層塔樓組成。裙樓的層高為1層6.70 m，2～5層5.00 m，建筑高度為26.85 m。塔樓6層以上的層高均為5.00 m，建筑高度為56.85 m。二區(qū)上部建筑由5層裙樓及11～12層塔樓組成，裙樓的層高同一區(qū)。南北側(cè)11層塔樓6層以上的層高均為5.00 m，建筑高度為56.85 mm；東側(cè)12層商業(yè)塔樓7層以上的層高均為4.35 m，建筑高度為57.95 m。裙樓的使用功能為商業(yè)綜合體，塔樓的使用功能為商鋪。地下室的平面尺寸約為526 m×270 m，地下室的底板面建筑標(biāo)高為－13.90 m。

2 結(jié)構(gòu)概況

2.1 設(shè)計(jì)條件和參數(shù)

本工程設(shè)計(jì)使用年限為50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)?？拐鹪O(shè)防烈度為7度（0.1g），地震分組為第一組，建筑場(chǎng)地類別為Ⅱ類。建筑抗震設(shè)防類別為乙類（重點(diǎn)設(shè)防類）［1］?；撅L(fēng)壓為0.50 kPa（50年重現(xiàn)期），地面粗糙度類別為C類，不考慮雪荷載［2］。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概況

本工程上部建筑平面尺寸超長(zhǎng)，在適當(dāng)位置設(shè)置變形縫，將上部結(jié)構(gòu)劃分為14個(gè)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元，變形縫自首層平面以上開始設(shè)置，地下室不設(shè)永久變形縫。一區(qū)上部結(jié)構(gòu)共劃分成10個(gè)結(jié)構(gòu)單元，結(jié)構(gòu)單元編號(hào)為“結(jié)構(gòu)單元一至十”，二區(qū)上部結(jié)構(gòu)共劃分成4個(gè)結(jié)構(gòu)單元，結(jié)構(gòu)單元編號(hào)為“結(jié)構(gòu)單元十一至十四”，上部結(jié)構(gòu)裙樓、塔樓結(jié)構(gòu)單元?jiǎng)澐忠妶D2、圖3。

圖2 裙樓結(jié)構(gòu)單元?jiǎng)澐质疽?/p>

圖3 塔樓結(jié)構(gòu)單元?jiǎng)澐质疽?/p>

所有結(jié)構(gòu)單元均采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架－剪力墻結(jié)構(gòu)，以地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端。各結(jié)構(gòu)單元之間布置有較多的連廊用于連通各區(qū)平面，連廊采用鋼結(jié)構(gòu)，樓板采用鋼筋桁架混凝土樓板，連廊鋼梁一端與主體結(jié)構(gòu)采用球鉸支座鉸接連接（不滑動(dòng)），另一端與主體結(jié)構(gòu)采用球鉸滑動(dòng)支座連接，連廊樓板與主體結(jié)構(gòu)樓板設(shè)置變形縫脫開，使連廊與主體結(jié)構(gòu)能各自自由變形。

根據(jù)地勘報(bào)告，結(jié)合上部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及荷載大小，本工程采用天然地基筏板基礎(chǔ)。局部土質(zhì)較差或荷載較大區(qū)域（主要位于商業(yè)塔樓范圍）采用剛性樁復(fù)合地基筏板基礎(chǔ)。抗浮采用抗浮錨桿。

2.3 結(jié)構(gòu)超限情況及抗震性能目標(biāo)

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)》，本工程各結(jié)構(gòu)單元除“單元十二、十四”外，其余12個(gè)結(jié)構(gòu)單元均為超限高層。

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（JGJ 3—2010）》［3］，結(jié)合實(shí)際情況，本工程超限結(jié)構(gòu)單元設(shè)定抗震性能目標(biāo)為C級(jí)，超限結(jié)構(gòu)單元各相關(guān)部位構(gòu)件性能水準(zhǔn)見表1。

表1 構(gòu)件抗震性能水準(zhǔn)

由于各超限結(jié)構(gòu)單元建筑高度、結(jié)構(gòu)布置相近，結(jié)構(gòu)體系相同，超限情況類似，故本文選取超限結(jié)構(gòu)單元三作超限分析，其余超限結(jié)構(gòu)單元抗震性能可參照該單元的結(jié)果。

3 結(jié)構(gòu)體系（超限結(jié)構(gòu)單元三）

超限結(jié)構(gòu)單元三地上共11層，其中1～5層為大底盤商業(yè)裙樓，6～11層為商業(yè)塔樓。裙樓平面尺寸為78.6 m×86.6 m，塔樓平面尺寸為78.6 m×14.9 m。首層層高為6.6 m，其余層層高均為5.0 m。裙樓屋面高度為26.6 m，塔樓屋面高度為56.6 m。本單元采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架－剪力墻結(jié)構(gòu)，剪力墻抗震等級(jí)為一級(jí)，裙樓外周頂部?jī)蓪涌蚣苤八鞘者M(jìn)部位上下各兩層框架柱抗震等級(jí)為一級(jí)，其余框架柱抗震等級(jí)為二級(jí)，框架梁抗震等級(jí)均為二級(jí)。樓面采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu)。

結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件信息如下：1）構(gòu)件尺寸：塔樓剪力墻厚度200～650 mm（底部加強(qiáng)區(qū)）、200～500 mm（非底部加強(qiáng)區(qū)），裙樓剪力墻厚度500～650 mm（底部加強(qiáng)區(qū)）、400～450 mm（非底部加強(qiáng)區(qū)）；塔樓框架柱尺寸為1 400 mm×1 600 mm～800 mm×800 mm，裙樓框架柱尺寸為1 300 mm×1 600 mm～800 mm×800 mm；梁尺寸為400 mm×800 mm～1 200 mm（框架梁）、250 mm×700 mm（次梁）。樓板厚度為180 mm（地下室頂板層）、120 mm、150 mm、350 mm。2）混凝土強(qiáng)度等級(jí)：墻柱裙樓屋面以下C55，裙樓屋面以上C50～C45；梁板裙樓屋面及以下C35，裙樓屋面以上C30。

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)》，本結(jié)構(gòu)單元包含扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、樓板不連續(xù)、高位收進(jìn)、塔樓偏置等4個(gè)超限項(xiàng)，屬于超限高層。

4 計(jì)算分析（超限結(jié)構(gòu)單元三）

4.1 小震計(jì)算分析

4.1.1 振型分解反應(yīng)譜法

本工程小震彈性分析選用中國(guó)建筑科學(xué)研究院編制的SATWE軟件（v2.2）和北京盈建科軟件股份有限公司編制的YJK軟件（1.8.2）進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果見表2。

由表2可知，兩種軟件的計(jì)算結(jié)果接近，絕大部分指標(biāo)相差均在10%以內(nèi)。這說明計(jì)算結(jié)果合理有效，計(jì)算模型符合結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀況。計(jì)算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)周期及位移符合規(guī)范要求，剪重比適中，構(gòu)件截面取值合理，結(jié)構(gòu)體系選擇恰當(dāng)。

表2 小震彈性計(jì)算結(jié)果匯總

4.1.2 彈性時(shí)程分析法

采用YJK軟件進(jìn)行多遇地震下的彈性時(shí)程分析。按地震波選取三要素（頻譜特性、有效峰值和持續(xù)時(shí)間），天然地震波選取Chi－Chi（Taiwan－04＿NO＿2721）、Chi－Chi（Taiwan－06＿NO＿3283）、Coyote Lake＿NO＿147、Irpinia（Italy－01＿NO＿283）、Whittier Narrows－01＿NO＿613等5條。人工地震波選取ArtWave－RH1TG035、ArtWave－RH4TG035等2條。地震加速度最大值為35 cm／s2。每條地震波均按主波方向，次波方向雙向輸入（地震加速度最大值比值1∶0.85），地震波持續(xù)時(shí)間約30～60 s。計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力與振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果對(duì)比見表3。由表3可得彈性時(shí)程分析結(jié)果滿足7條波平均基底剪力不小于振型分解反應(yīng)譜法結(jié)果的80%，每條地震波基底剪力不小于振型分解反應(yīng)譜法結(jié)果的65%的條件，故所選地震波滿足規(guī)范要求。經(jīng)分析比較，振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算出的底部剪力、樓層剪力及層間位移均可以包絡(luò)住彈性時(shí)程分析得出的平均值，不需要對(duì)地震力進(jìn)行放大。

表3 結(jié)構(gòu)底部剪力計(jì)算結(jié)果對(duì)比

4.2 中震、大震靜力分析

算參數(shù)見表4。在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行中震及大震的性能設(shè)計(jì)時(shí)，其計(jì)

表4 中震和大震計(jì)算參數(shù)

采用YJK軟件計(jì)算結(jié)構(gòu)在中震下的性能，得出以下結(jié)論：1）中震作用下，X、Y向的最大層間位移角分別為1／581、1／691，屬于輕微破壞，滿足中震可修的要求。2）所有豎向構(gòu)件均能滿足中震性能目標(biāo)要求，中震下塔樓兩側(cè)墻肢及核心筒電梯間部分墻肢配筋比小震增加，故上述剪力墻配筋采用中震計(jì)算結(jié)果包絡(luò)配筋。3）各框架梁及連梁滿足抗剪不屈服的要求。4）各墻肢和框架柱均未產(chǎn)生拉力，滿足結(jié)構(gòu)的豎向構(gòu)件抗拉要求。

采用YJK軟件計(jì)算結(jié)構(gòu)在大震作用下的性能，得出以下結(jié)論：1）大震作用下，關(guān)鍵構(gòu)件滿足抗剪、抗彎不屈服的性能要求。2）普通豎向構(gòu)件受剪截面滿足規(guī)范要求。

4.3 大震彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析

4.3.1 整體計(jì)算結(jié)果

采用PKPM－SAUSAGE軟件進(jìn)行罕遇地震（大震）作用下的彈塑性時(shí)程分析。通過多遇地震（小震）彈性時(shí)程分析，從PKPM軟件地震波庫中篩選出適合本工程計(jì)算使用的，且滿足規(guī)范要求的2條天然波和1條人工波。其中人工波選用RH1TG040，天然波選用TH047TG040和TH069TG040。

計(jì)算得各組地震波作用下彈塑性大震下的層間位移角如下：X方向?qū)娱g位移角最大值出現(xiàn)在3層或4層，分別為1／247、1／191、1／206；Y方向?qū)娱g位移角最大值出現(xiàn)在6層或7層，分別為1／181、1／144、1／166。X、Y方向?qū)娱g位移角最大值均小于規(guī)范限值1／100，說明結(jié)構(gòu)在罕遇地震下仍具有必要的整體剛度，滿足“大震不倒”的要求。

4.3.2 塑性損傷情況統(tǒng)計(jì)

在罕遇地震的三組地震波作用下，構(gòu)件損傷嚴(yán)重程度可分為“無損傷”“輕微損傷”“輕度損傷”“中度損傷”“重度損傷”及“嚴(yán)重?fù)p傷”。由計(jì)算可知，全樓框架柱的性能等級(jí)大部分控制在“輕度損傷”及以下，少數(shù)達(dá)到“中度損傷”，其中首層框架柱“無損傷”的比例為6.3%，“輕微損傷”的比例為35.7%，“輕度損傷”的比例為58.0%。全樓剪力墻的性能等級(jí)都能夠控制在“輕度損傷”及以下，其中首層剪力墻“輕微損傷”的比例為14.6%，“輕度損傷”的比例為85.4%。全樓框架梁的性能等級(jí)多數(shù)為“輕度損傷”及以下，少數(shù)達(dá)到“中度損傷”，其中二層樓面框架梁“無損傷”的比例為3.7%，“輕微損傷”的比例為85.2%，“輕度損傷”的比例為11.0%，“中度損傷”的比例為0.1%。全樓連梁的損傷程度相對(duì)較大，但50%以上處于“中度損傷”及以下，部分處于“重度損傷”，其中二層樓面連梁“輕度損傷”的比例為43.3%，“中度損傷”的比例為46.7%，“重度損傷”的比例為10%。上述構(gòu)件的損傷情況符合預(yù)先設(shè)定的抗震性能目標(biāo)。

4.3.3 塑性損傷發(fā)展順序

結(jié)構(gòu)構(gòu)件塑性變形的發(fā)展順序是判斷結(jié)構(gòu)抗震性能的重要依據(jù)。結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件塑性變形的發(fā)展順序見表5。由表可知，地震波作用的前5秒，波形振幅較小，地震作用較小，關(guān)鍵構(gòu)件和框架柱均處于彈性狀態(tài)，結(jié)構(gòu)塑性變形首先在個(gè)別連梁上出現(xiàn)；在地震波作用持續(xù)5～15 s是波形振幅最大的時(shí)間段，結(jié)構(gòu)樓層位移和層間位移角也在此時(shí)間段達(dá)到最大，框架柱和框架梁中度損傷數(shù)量增加，連梁屈服數(shù)量明顯增加；在地震波作用15～20 s時(shí)，地震波形趨于平緩，主要構(gòu)件的塑性變形均不再增加。結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下，塑性變形發(fā)展的順序是：連梁、框架梁→框架柱→剪力墻。

表5 結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件塑性變形的發(fā)展順序

4.3.4 小結(jié)

1）罕遇地震（大震）作用下結(jié)構(gòu)樓層剪力約為多遇地震作用下的3.0～3.86倍，均比兩者的最大加速度峰值倍數(shù)（220／35＝6.29倍）小，主要是罕遇地震考慮了結(jié)構(gòu)構(gòu)件的彈塑性行為，符合實(shí)際情況。

2）罕遇地震作用下，地震作用主方向?yàn)閄向、Y向時(shí)，結(jié)構(gòu)樓層最大層間位移角分別為1／191和1／144，均小于框架剪力墻結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角規(guī)范限值1／100，說明結(jié)構(gòu)整體剛度較大，能夠滿足整體結(jié)構(gòu)的預(yù)期性能目標(biāo)要求，滿足“大震不倒”的要求。

3）在罕遇地震的各組地震波作用下，關(guān)鍵構(gòu)件總體評(píng)價(jià)的性能等級(jí)達(dá)到了“輕度損傷”，整體符合預(yù)期。

4）結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下，塑性變形發(fā)展的順序是：連梁、框架梁→框架柱→剪力墻。各構(gòu)件的損傷情況符合預(yù)先設(shè)定的抗震性能目標(biāo)。

5 結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施（超限結(jié)構(gòu)單元三）

根據(jù)結(jié)構(gòu)單元三超限情況及計(jì)算結(jié)果，在設(shè)計(jì)中采用了如下加強(qiáng)措施：1）針對(duì)樓板開大洞的情況，開洞周邊樓板厚度不小于150 mm，雙層雙向配筋，配筋率不小于0.25%。2）針對(duì)高位收進(jìn)，高位收進(jìn)處的裙房屋面，板厚不小于150 mm，雙層雙向配筋，配筋率不小于0.25%。裙樓外周頂部?jī)蓪涌蚣苤八鞘者M(jìn)部位上下各兩層框架柱抗震等級(jí)提高至一級(jí)。3）針對(duì)局部穿層柱，穿層柱小震剪力按周邊相鄰相同截面的普通柱剪力計(jì)算，軸力按自身計(jì)算，考慮穿層柱的自身計(jì)算長(zhǎng)度進(jìn)行驗(yàn)算配筋，縱筋配筋率提高至不小于1.2%，箍筋全高加密。4）針對(duì)罕遇地震下底部加強(qiáng)部位剪力墻及框架柱損傷情況，首層至3層框架柱縱筋最小筋配筋率按規(guī)范要求提高0.1%，剪力墻配筋率提高至不小于0.40%。

6 結(jié) 語

1）采用兩個(gè)不同的軟件SATWE和YJK對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行小震作用下的分析計(jì)算，結(jié)果表明結(jié)構(gòu)各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)體系安全、合理。

2）中震作用下結(jié)構(gòu)各項(xiàng)性能均滿足預(yù)定的抗震性能目標(biāo)，部分豎向構(gòu)件配筋中震計(jì)算結(jié)果大于小震，應(yīng)按中震計(jì)算結(jié)果配筋。

3）用SAUSAGE軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大震作用下的彈塑性時(shí)程分析，結(jié)果表明，各結(jié)構(gòu)構(gòu)件均滿足抗震性能目標(biāo)的要求，關(guān)鍵構(gòu)件總體評(píng)價(jià)的性能等級(jí)達(dá)到了“輕度損傷”，符合預(yù)先設(shè)定的抗震性能目標(biāo)。

4）根據(jù)計(jì)算結(jié)果，提出了切實(shí)有效的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施。