超高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

李志堅(jiān)

摘要：本文結(jié)合工程實(shí)際，介紹了結(jié)構(gòu)的超限設(shè)計(jì)，對超高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，以供類似工程參考。

關(guān)鍵詞：超高層;結(jié)構(gòu)方案;抗震設(shè)計(jì)

1?? 工程概況

項(xiàng)目為集商業(yè)、餐飲、辦公于一體的多功能建筑，設(shè)3層地下室，底板面標(biāo)高為-14.9m;地面以上53層，下部5層為裙樓，裙樓層高為 5.1～6m，標(biāo)準(zhǔn)層層高為4.2m，總建筑面積為 126560.42m2;結(jié)構(gòu)總高度237.8m，屬乙類超高層建筑。采用鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系。

根據(jù)規(guī)范[1，2]，工程結(jié)構(gòu)安全等級為一級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為 1.1，建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防類別為乙類，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級為甲級，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度為 8 度（0.20g），建筑場地類別為Ⅱ類，基本風(fēng)壓按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009—2001）取值，為 0.30 kN/ m2。

2?? 結(jié)構(gòu)方案需重點(diǎn)解決的問題及思路

2.1 結(jié)構(gòu)方案選擇

項(xiàng)目位于 8 度區(qū)，結(jié)構(gòu)高度達(dá) 237.8m，高寬比為 6.3，其核心筒高寬比偏大（核心筒 Y 向的高寬比為13.6）。如何控制結(jié)構(gòu)在地震作用下的最大位移處于規(guī)范[1，2]限值內(nèi)的同時(shí)，又使結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸、造價(jià)在可接受的范圍內(nèi)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。結(jié)構(gòu)方案從控制造價(jià)出發(fā)，優(yōu)先考慮鋼筋混凝土結(jié)構(gòu);從減少結(jié)構(gòu)剛度突變的不利影響考慮，應(yīng)盡量減少加強(qiáng)層的使用;另外也可減小結(jié)構(gòu)自重。為此，項(xiàng)目方案階段共做了 4 種方案比選。

方案一：鋼筋混凝土方案 1。其標(biāo)準(zhǔn)層典型梁高為 700mm，配合建筑平面功能及立面造型的需要，沿建筑外圍共布置了16根框架圓柱，其中23層及以下為型鋼混凝土柱，23 層以上為鋼筋混凝土柱，典型柱直徑為1600mm。

方案二：鋼筋混凝土方案 2。梁柱平面布置基本同方案一，但通過在設(shè)備層增設(shè)伸臂桁架，在滿足剛度要求的前提下，將結(jié)構(gòu)梁高減小。其標(biāo)準(zhǔn)層典型梁高為 500mm，典型柱直徑為 1 600mm。

方案三：混合結(jié)構(gòu)方案 1。梁柱平面布置基本同方案一，但梁采用鋼梁，柱采用鋼管混凝土柱。其標(biāo)準(zhǔn)層典型梁高為 700mm，典型鋼管混凝土柱直徑為 1 600mm。

方案四：混合結(jié)構(gòu)方案 2。梁柱平面布置基本同方案一，同樣采用鋼梁及鋼管混凝土柱，但通過在設(shè)備層增設(shè)伸臂桁架，并加大鋼管混凝土柱截面，在滿足剛度要求的前提下，將結(jié)構(gòu)梁高減小。其標(biāo)準(zhǔn)層典型梁高為 400mm，典型鋼管混凝土柱直徑為1 800mm。

各方案標(biāo)準(zhǔn)層造價(jià)比較見表 1，方案三、方案四因采用了鋼梁及鋼管混凝土柱，相應(yīng)構(gòu)件造價(jià)高于方案一、方案二，業(yè)主決定采用鋼筋混凝土方案，而加強(qiáng)層需進(jìn)一步比選其優(yōu)劣性。

表1? 各方案標(biāo)準(zhǔn)層造價(jià)比較

為進(jìn)一步比較加強(qiáng)層的敏感性，根據(jù)建筑功能需求及結(jié)構(gòu)受力要求，對可能采用的結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行了進(jìn)一步分析比較，各方案層間位移角比較見表 2。

表2? 小震作用下各方案層間位移角比較

注：方案二中 C 工況的剛度不滿足規(guī)范[1，2]要求，其他均滿足規(guī)范1/530的要求。

經(jīng)對比分析設(shè)加強(qiáng)層與不設(shè)加強(qiáng)層的小震計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不設(shè)加強(qiáng)層時(shí)，結(jié)構(gòu)仍能滿足規(guī)范[1，2]有關(guān)整體計(jì)算指標(biāo)，且避免了加強(qiáng)層帶來的剛度和內(nèi)力突變，故最后決定采用不設(shè)加強(qiáng)層的外框架 + 核心筒體系。主要框架梁采用截面為600mm×700mm 的框架梁。

2.2 結(jié)構(gòu)體系

為配合建筑平面功能及立面造型的需要，沿建筑外圍共布置了 16 根框架圓柱，其中23層及以下為型鋼混凝土柱，23層以上為鋼筋混凝土柱，框架柱直徑由底部的 1600mm 漸收至頂部的1400mm;中部的鋼筋混凝土核心筒沿建筑全高連續(xù)貫通布置，核心筒周邊剪力墻厚度由底部的1300mm（X向），1200mm（Y向）漸收至頂部的 500mm（X向），400mm（Y向）。外框柱與核心筒共同構(gòu)成兩道抗震防線，為結(jié)構(gòu)提供必要的重力荷載承載能力和抗側(cè)剛度。水平荷載作用下產(chǎn)生的剪力和傾覆力矩由外框架和核心筒兩道防線共同承受，其中核心筒承擔(dān)了結(jié)構(gòu)大部分剪力和彎矩。

3?? 結(jié)構(gòu)分析及計(jì)算結(jié)果

3.1 結(jié)構(gòu)超限類型

工程超限有兩項(xiàng)：1）扭轉(zhuǎn)位移比超過 1.2（最大值為 1.31），屬于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則;2）建筑高度超過了規(guī)范[1]中 B 級高度鋼筋混凝土高層建筑的最大適用高度，此項(xiàng)為本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和重點(diǎn)。針對本工程的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，參照規(guī)范[1]，設(shè)定結(jié)構(gòu)的抗震性能目標(biāo)為 C，不同地震水準(zhǔn)下的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震性能目標(biāo)見表 3。

表3? 結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震性能目標(biāo)

注：輕微損壞為稍加修理即可繼續(xù)使用，承載力按標(biāo)準(zhǔn)值復(fù)核;輕度損壞為一般修理后可繼續(xù)使用，承載力按極限值復(fù)核;中度損壞為修復(fù)或加固后可繼續(xù)使用，承載力達(dá)到極限值后能維持穩(wěn)定，降低少于 5%;比較嚴(yán)重?fù)p壞為需排險(xiǎn)大修，承載力達(dá)到極限值后能維持穩(wěn)定，降低少于 10%。

3.2 風(fēng)荷載和小震作用下的彈性分析按規(guī)范[1，2]要求，本項(xiàng)目采用 2 個不同力學(xué)模型結(jié)構(gòu)分析軟件（SATWE，ETABS）進(jìn)行小震作用下的結(jié)構(gòu)整體計(jì)算。結(jié)構(gòu)嵌固部位設(shè)在首層，整體計(jì)算時(shí)輸入地下室以考慮其對上部塔樓的影響。在規(guī)定水平力作用下，結(jié)構(gòu)底層（首層）框架和核心筒剪力墻承擔(dān)的剪力比例結(jié)果表明，工程各項(xiàng)整體指標(biāo)均能滿足相關(guān)規(guī)范[1，2]的要求;墻、柱的軸壓比和各構(gòu)件的強(qiáng)度及變形也均能滿足要求，完全能達(dá)到小震作用下“完好無損壞、變形小于彈性位移限值”的第一階段的抗震性能目標(biāo)。

通過SATWE軟件，采用振型分解反應(yīng)譜（CQC）法和時(shí)程分析法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行小震作用下的彈性時(shí)程分析。結(jié)果表明，在多遇地震作用下，CQC 法的計(jì)算結(jié)果大于 7 條波時(shí)程分析結(jié)果的平均值。在進(jìn)行施工圖設(shè)計(jì)時(shí)，按 CQC 法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)。

3.3 中震分析及結(jié)構(gòu)抗震性能評價(jià)

根據(jù)規(guī)范[1]，綜合考慮抗震設(shè)防烈度、結(jié)構(gòu)體型規(guī)則性、超限程度等因素，本工程采用相對簡化的等效彈性方法進(jìn)行中震作用下的性能分析，分析時(shí)結(jié)構(gòu)阻尼比取 0.06，連梁剛度折減系數(shù)取 0.4。采用 SATWE 軟件計(jì)算，荷載及承載力均采用標(biāo)準(zhǔn)值，不考慮與抗震等級有關(guān)的最大系數(shù)和承載力抗震調(diào)整系數(shù)。中震分析的地震動參數(shù)按規(guī)范[1，2]取值：αmax= 0.45，Tg= 0.45s。中震作用下的最大層間位移角計(jì)算結(jié)果見表4。

表4? 中震作用下的最大層間位移角

中震驗(yàn)算結(jié)果表明，其最大層間位移角滿足所設(shè)定的性能目標(biāo)要求，標(biāo)準(zhǔn)層除部分連梁出現(xiàn)受彎屈服（受剪不屈服），進(jìn)入“中度損壞”外，其他大部分連梁以及豎向構(gòu)件和框架梁均能達(dá)到不屈服，滿足“輕微損壞”的要求;經(jīng)復(fù)核，墻、柱未出現(xiàn)拉力。故抗震構(gòu)件能滿足表 3 中所設(shè)定的性能目標(biāo)要求。

3.4 大震動力彈塑性分析及結(jié)構(gòu)抗震性能評價(jià)

采用 PERFORM-3D 軟件進(jìn)行動力彈塑性時(shí)程分析，構(gòu)件性能水準(zhǔn)參考美國 FEMA 的相關(guān)規(guī)定。通過各組地震波下結(jié)構(gòu)主要整體計(jì)算指標(biāo)，可見最大層間位移角為 1/128，小于表 3 中預(yù)設(shè)的性能目標(biāo)（1/110）。

由大震作用下動力彈塑性分析結(jié)果可知：

（1）結(jié)構(gòu)的基底剪力和能量耗散表明，結(jié)構(gòu)在大震作用下基本處于中等的非線性狀態(tài)。

（2）在滯回耗能中，剪力墻約占 20%，連梁及框架梁約占 80%，柱基本不參與耗能。可見連梁是主要的耗能構(gòu)件。

（3）有大量的連梁或者框架梁出現(xiàn)彎曲塑性鉸，并達(dá)到“中度損壞、部分比較嚴(yán)重?fù)p壞”的程度，滿足表 3 中預(yù)先設(shè)定的抗震性能要求。連梁先行屈服形成鉸機(jī)制有重要意義，其進(jìn)入塑性狀態(tài)后，一方面使整體結(jié)構(gòu)剛度退化，有效地降低了整體結(jié)構(gòu)和剪力墻所承受的地震作用，另一方面又通過自身的塑性變形耗散了較大部分的地震能量，實(shí)現(xiàn)了其作為第一道設(shè)防體系來消能和保護(hù)墻肢的目的，是其“保險(xiǎn)絲”功能得以實(shí)現(xiàn)的體現(xiàn)。

（4）框架柱出現(xiàn)彈塑性變形：對于軸彎受拉，塔樓范圍內(nèi)的柱均未超過輕微損壞，裙樓范圍內(nèi)的少量柱進(jìn)入中度損壞;對于軸彎受壓，局部柱達(dá)到輕度損壞，混凝土沒有壓碎;對于抗剪，柱沒有出現(xiàn)脆性剪切破壞，通過對薄弱部位進(jìn)行加強(qiáng)配筋，可滿足抗剪不屈服的要求;而且中度損壞的柱主要為裙樓頂層的柱，主要原因?yàn)槠漭S力小、彎矩大，受力情況基本類似于梁，實(shí)質(zhì)上也可看作耗能構(gòu)件。施工圖設(shè)計(jì)時(shí)擬對裙樓頂層柱截面及配筋適當(dāng)加強(qiáng)。因此，框架柱基本可達(dá)到表 3 中設(shè)定的“輕度損傷”的性能目標(biāo)。

（5）剪力墻出現(xiàn)彈塑性變形：對于軸彎，墻端受拉最大超過了輕微損壞，但均沒超過輕度損壞，墻端受壓除底層個別兩片墻肢外均沒有超過輕度損壞;對于抗剪，剪力墻的剪力均未超過抗剪截面限制條件，通過對剪應(yīng)力較大部位的相應(yīng)加強(qiáng)，可使剪力墻在大震作用下滿足抗剪不屈服的性能要求。因此剪力墻能達(dá)到表 3 中設(shè)定的“輕度損傷”的抗震性能目標(biāo)。

（6）動力彈塑性時(shí)程分析顯示結(jié)構(gòu)能夠滿足大震性能目標(biāo)。

3.5 抗震加強(qiáng)措施

抗震的主要加強(qiáng)措施有：1）核心筒剪力墻的抗震等級均按特一級，外框架地下 1 層～地上 20 層為特一級，20 層以上為一級;2）23 層以下采用型鋼混凝土柱，以提高框架柱的抗震延性;3）地下 2 層 ～地上 5 層采用型鋼混凝土剪力墻筒體，加強(qiáng)底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻的延性;4）加強(qiáng)剪力墻的構(gòu)造配筋，以保證剪力墻在大震作用下不率先出現(xiàn)剪切破壞，并具有良好的延性。

4?? 結(jié)論

（1）在小震作用下，結(jié)構(gòu)的周期比、側(cè)向剛度、豎向規(guī)則性、扭轉(zhuǎn)位移比等指標(biāo)均符合現(xiàn)行規(guī)范[1，2]的相關(guān)要求，能達(dá)到“小震完好”的性能目標(biāo);在中震作用下，結(jié)構(gòu)能滿足“重要和一般構(gòu)件不屈服，僅耗能連梁少量屈服”的抗震性能目標(biāo);在大震作用下，結(jié)構(gòu)能滿足“不嚴(yán)重破壞”的抗震性能目標(biāo)，因此可以認(rèn)為本工程的結(jié)構(gòu)體系在遭遇地震作用時(shí)，結(jié)構(gòu)整體能達(dá)到性能 C以上的抗震設(shè)防目標(biāo)。

（2）因本工程屬位于高烈度區(qū)的超高層建筑，為提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，23層以下采用型鋼混凝土柱，以提高框架柱的抗震延性，地下2層～地上 5層采用型鋼混凝土剪力墻筒體，加強(qiáng)底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻的延性。

（3）本工程雖然屬于高烈度區(qū)的超高層建筑，結(jié)構(gòu)高度達(dá)到 237.8m，但通過細(xì)致的分析及結(jié)構(gòu)布置，達(dá)到使用普通的結(jié)構(gòu)形式即滿足各項(xiàng)性能目標(biāo)的效果，有效地節(jié)約了工程造價(jià)。

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