某超限高層結構性能化設計與分析

唐家俊 劉春霞

（1.中海油山東化學工程有限責任公司 ； 2.山東潤昌工程設計有限公司，山東 濟南 250101）

某超限高層結構性能化設計與分析

唐家俊1劉春霞2

（1.中海油山東化學工程有限責任公司 ； 2.山東潤昌工程設計有限公司，山東 濟南 250101）

本工程為B級高度的框架-核心筒結構，本文介紹了工程特點與結構體系的選擇，設計中按彈性時程分析法和CQC法包絡進行設計，采用SATWE和ETABS有限元軟件進行計算分析，底部加強區按中震不屈服設計，計算結果表明結構在地震作用下的反應和破壞機制均能滿足預期性能目標。

超限高層 框架-核心筒 中震不屈服 性能設計

1 工程概況

本工程位于濟南市歷下區。本建筑由兩棟塔樓組成,地下四層，半地下一層，地上35層，總建筑高度148.15米。地下一～地下四層為地下停車庫、設備用房及金庫等，半地下層和地上一～四層為門廳、營業廳、廚房、餐廳、后勤服務用房和貴賓停車區等，五～三十五層主要為辦公及銀行家俱樂部，其中五、十八、三十二層為避難層，十九層為設備層。

2 主要地震參數及抗震性能目標

由于本工程的重要性，項目組委托濟南市地震安評工程研究院進行場地地震安全性評價，場地地震影響系數標準形式如式1所示。

分別為周期為T時的反應譜值、反應譜周期、峰值加速度、衰減系數。為反應譜拐點周期。

采用上面的公式分別對工程場地地表50年不同超越概率阻尼比為5%的計算地震動加速度結果進行擬合，得到相應的設計譜。

綜合考慮抗震設防類別、設防烈度、場地條件、建筑物功能、結構的特征、構件的部位和重要程度，依據《高層建筑混凝土結構技術規程》和《建筑抗震設計規范》選定本結構的抗震性能目標為C級。

3 結構體系與結構布置

本工程采用鋼筋混凝土框架-核心筒結構，樓蓋采用鋼筋混凝土梁板式樓蓋。利用豎向交通的樓、電梯的位置設置核心筒，底部越層位置核心筒角部設置型鋼，增加筒體延性；剪力墻厚度隨建筑高度逐步變薄。由于六層以上南北方向外圍的柱向內有2度傾斜，為有效控制柱、梁截面尺寸，控制斜柱部分產生的水平力問題且保證結構具有良好的剛度和延性，沿全高設置型鋼柱、型鋼梁，框架柱含鋼率控制在5%左右，框架梁含鋼率控制在2%左右。

4 結構計算與分析概述

結構計算分析主要從彈性和彈塑性兩個階段進行，彈性階段的計算分析主要采用了振型分解反應譜法（CQC），采用PKPM(SATWE)軟件進行計算，并采用ETABS軟件進行驗證，底部加強區豎向構件按中震彈性性能目標進行設計，并進行罕遇地震作用下的結構彈塑性變形驗算，大震變形驗算采用中國建研院的PUSH＆EPDA軟件中的靜力推覆分析（Pushover）方法。

5 多遇地震彈性分析

5.1 振型分解反應譜法

根據安評報告和規范反應譜進行了小震CQC計算對比，結果見表2.

底層地震剪力 Y 8278KN 8625KN X 7665KN 7571KN X(風) 1/2457（22F） 1/2184（19F）Y(風) 1/2764（19F） 1/2895（16F）最大層間位移角X(地震) 1/2295（22F） 1/2193（18F）Y(地震) 1/2941（21F） 1/3195（18F）最大扭轉位移比 Y 1.27 1.22 X 1.31 1.27

從表中計算結果對比可以看出，兩種不同軟件計算得出的結構整體參數指標均比較接近，控制指標出現樓層位置也比較接近，各項指標均滿足規范要求。

5.2 彈性動力時程分析

根據《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ3-2010）第5.1.13條規定，B級高度高層建筑結構和復雜高層建筑結構，應進行彈性動力時程分析。以找出結構薄弱層和側向剛度突變層，并對反應譜法樓層剪力小于彈性時程分析結果的部位進行地震力放大。采用SATWE軟件進行彈性時程分析，根據場地的頻譜特性、加速度的有效峰值和時程曲線的有效持續時間這三要素，選用了兩組天然波TH3TG045、TH4TG045和一條人工波—RH3TG045。地震波加速度峰值按場地安評報告取為27gal。按照規范要求進行雙向地震波輸入，主、次方向峰值加速度最大值按1：0.85的比例調整。三條波計算下，塔樓底部剪力均大于CQC法的65%，三條地震波分析所得底部剪力平均值大于CQC法的80%，均滿足規范要求。從位移曲線來看，無明顯的拐點，結構豎向剛度基本均勻。

6 設防地震作用下結構性能分析

根據性能目標要求，采用SATWE程序進行中震彈性分析，計算模型和多遇地震計算模型相同。中震彈性分析用于驗算底部加強區框架柱和剪力墻，驗算中不考慮內力調整，荷載組合為基本組合且風荷載不參與內力組合，材料強度取標準值，抗震承載力調整系數同多遇地震計算。計算結果表明中震彈性計算得出的底部加強部位剪力墻和框架柱的配筋值均滿足規范要求，其配筋值和小震配筋值的結算結果是一致的，說明結構能滿足性能目標要求。

中震不屈服分析用于驗算非加強區框架柱和剪力墻，并驗算中震不屈服位移角是否滿足C級性能目標最大層間位移角限值 1/400.計算中不考慮內力調整，荷載取標準組合但風荷載不參與內力組合，材料強度取標準值，不考慮抗震承載力調整。驗算結果表明中震不屈服計算得出的最大層間位移角為1/786(X)、 1/956(Y)，均小于最大層間位移角限值1/400,說明結構能滿足性能目標要求。

7 罕遇地震作用結構性能分析

為了解結構在罕遇地震作用下的層間彈塑性位移角是否滿足抗震規范要求以及塑性鉸的分布情況，在彈性分析的基礎上，采用Pushover程序進行靜力推覆補充分析。經計算結果得出層間彈塑性位移角限值分別為1/265(X)、1/316(Y),滿足抗震規范1/150的規定，達到“大震不倒”的抗震設防目標。從對應X、Y向需求的層間位移角時塑性鉸出現位置來看，塑性鉸主要出現在核心筒外圍的連梁上，主要剪力墻肢未出現大面積受壓損傷，其他位置也沒發現明顯薄弱部位，滿足罕遇地震下的抗震性能目標。

8 結論

根據以上分析，本工程采用的兩種不同力學模型計算程序的計算結果比較吻合，對罕遇地震作用下結構的彈塑性分析進行補充計算，結構整體反應、結構耗能損傷情況滿足C級性能目標要求，能達到“小震不壞、中震可修、大震不倒”的三水準目標。根據分析結果，建議在下一步設計采取以下措施：

1）本工程底部加強區域按中震彈性要求進行配筋設計，以保證結構達到預期的抗震性能目標；

2）在柱子出現傾斜的樓層框梁以及樓板進行加強，使水平力在柱及筒體間進行重分配時樓板具有足夠的剛度和變形能力。

[1]徐培福。復雜高層建筑結構設計[M]. 北京：中國建筑工業出版社，2005

[2]高層建筑混凝土結構技術規程（JGJ3-2010）。北京：中國建筑工業出版社，2010

TU7

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1007-6344（2015）03-0142-01

唐家俊，工程師，山東菏澤人，出生于1981年5月，國家一級注冊結構工程師。