廈門某超限高層框-筒結構抗震設計

陳國春

(中元(廈門)工程設計研究院有限公司，福建 廈門 361004)

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廈門某超限高層框-筒結構抗震設計

陳國春

(中元(廈門)工程設計研究院有限公司，福建 廈門 361004)

摘要：以廈門某國際廣場超限高層框架核心筒結構抗震設計為例，采用SATWE進行了3種墻柱截面設計方案的比選，用SATWE和PMSAP兩種軟件對所選方案在水平荷載作用下進行了計算和對比分析，兩軟件計算結果基本吻合，分析結果表明,所選方案滿足規范要求。

關鍵詞：超高層； 框架核心筒結構； 抗震設計； 方案比選

沿海發達城市中超出我國現行《高層建筑混凝土結構技術規程》[ 1 ]限值的百米以上建筑越來越多。由于其所受的水平荷載和豎向荷載均遠高于一般的高層建筑，特別是存在大空間、設置轉換層和樓層開洞等對抗震不利的問題，如何發現結構的薄弱部位并于設計中給予加強，確保結構安全與經濟，給設計師帶來了一系列新的挑戰。本文以廈門某國際廣場超限高層建筑結構抗震設計為例，通過對比分析闡述了超限高層建筑結構的抗震設計思路，供同行參考。

1　工程概況

該工程項目位于廈門市新規劃的湖里區高林片區商務區內。辦公樓總高度141.5 m，總建筑面積 63 088 m2，主樓地上34層、地下3層。建筑平面接近矩形，其標準層平面尺寸為46.6 m × 40.2 m，開間尺寸除C-D軸大堂入口為12.2 m外其余為 9.0 m，跨度11.3 m且每邊各挑出2.0 m，高寬比3.8。標準層平面圖和剖面圖見圖1。

2　結構設計

2.1結構選型

根據建筑內部功能布局特點，結構設計時將豎向交通樞紐的中心區作為核心筒，圍繞核心筒四周輔以相應的梁和柱，使豎向結構在平面布置上基本對稱均勻，形成沿豎向貫通落地的剪力墻結構和四周大跨度的鋼筋混凝土框架-核心筒結構體系。筒體尺寸為20.9 m(X向)×15.3 m(Y向)，

圖1　建筑剖面圖Fig.1　Section of out-of-codes high rise building at Xiamen International Plaza

核心筒最大高寬比為8.9。外框架基本柱網為9.00 m ×11.3 m。在設計的過程中，考慮到甲方對層高要求較高，結構設計時將影響層高的框架梁設計成寬扁梁，從而增加建筑樓層的凈高。標準層結構平面布置見圖2 。

圖2　標準層結構布置圖(單位：mm)Fig.2　Typical storey structure layout(unit：mm)

2.2結構設計參數

工程結構設計參數見表1。

2.3結構特點及存在問題

1)采用現澆鋼筋混凝土框架-核心筒結構體系，主體建筑高度超過了《高層建筑混凝土結構技術規程》規定中的A級高度130 m，少于B級高度180 m；

2)二層存在樓板開洞面積超過樓面面積30%的情況，有38%框架柱為穿層柱，存在樓板不連續、長短柱共同受力的情況；

表1　結構設計參數表Tab.1　Parameters of structure design

3)框架開間最大12.2 m，且跨度為11.3 m，均較大，外圍框架剛度小，扭轉位移比偏大。

2.4結構材料及截面尺寸的選定

工程位于7度區，基本地震加速度0.15g，基本風壓為0.80 kPa，地面粗糙度B類，地震作用與風荷載均較大，其受力和變形有可能受地震或風荷載的控制。由于核心筒面積大且高寬比達3.8，因此，合理選擇框架柱截面的尺寸和材料，以滿足框剪比的要求是結構優化的關鍵。

基于工程特點及重要性，抗震性能目標定為D級。底部加強區剪力墻抗剪承載力按中震彈性、抗彎承載力按中震不屈服設計；底部加強區框架柱抗彎和抗剪承載力均按中震彈性設計，其余框架柱的抗剪承載力按中震彈性、抗彎承載力按中震不屈服設計。在綜合考慮安全、經濟合理和滿足建筑功能的各方因素后，對結構的主要構件選擇見表2。采用高層建筑結構分析軟件SATWE進行初步計算，計算結果見表3、4和5，3種方案各樓層框剪比曲線圖見圖3。對比結果表明,選擇方案1其框剪比大于10%的樓層占了97%以上，周期比小于0.85，均可滿足抗震規范要求，同時還符合建筑功能要求，且造價最合理。

表2　構件截面選用方案Tab.2　Scheme of member section

表3　各方案水平荷載作用下主要計算結果Tab.3　The main calculation result of each scheme under horizontal loads

圖3　各方案框架柱剪力比曲線圖Fig.3　The shear ratio of frame to corewall of each scheme

從3個方案的計算結果可以看出：

1)3種方案均能滿足規范要求；

2)框架柱中添加型鋼能改善結構的性能，提高框架柱的延性，并減少框架柱的尺寸；

3)只在底部四層柱采用型鋼混凝土柱的方案1對結構性能的改善效果雖然不及全部框架柱均采用型鋼混凝土柱，但相對于方案2已有明顯的改善且用鋼量遠小于方案3；

4)雖然廈門地區的基本風壓值達0.8 kPa，但對于接近150 m的超高層建筑其水平荷載作用下的內力與變形仍小于7度抗震設防下地震作用效果。

據此選擇方案1作為本工程最終方案。

表4按框架剪力比劃分的樓層數比例

Tab.4The percentage (ratio of the number) of storey divided by frame’s shear ratio

方案所占樓層比例/%>8>10>15197.197.168.62100.094.380.0394.385.728.6

表5各方案用料量統計結果

Tab.5Statistical result of materials amount used in each scheme

方案混凝土用量總量/m3單方用量/(m3·m-2)鋼筋用量總量/t單方用量(kg·m-2)型鋼用量總量/t單方用量/(kg·m-2)1230800.353429265.63455.32231430.354431966.03225830.345413763.2164525.1

3　設計軟件與參數的選用

按規定，復雜高層建筑結構需要2種計算軟件校核設計，PKPM系列軟件中的SATWE與PMSAP由兩隊開發人員獨立完成。PMSAP側重考慮各種復雜情況，在結構分析和設計方面兩款軟件的功能基本相當，兩軟件均可與PMCAD接口，因而可避免重復繁瑣的建模，減少因建模錯誤給對比工作帶來麻煩。PUSH&EPDA軟件是完全基于空間模型編制的，計算模型可較真實地模擬結構受力狀態，盡可能避免因模型帶來的計算誤差。EPDA程序提供了計算3向地震功能，可為用戶提供不同特征周期3個方向地震波庫。另外，PUSH&EPDA還提供了動力彈塑性時程分析功能和靜力彈塑性分析功能。因此，工程選用中國建筑科學研究院PKPM工程部的SATWE(2010年9月版) 、PUSH&EPDA(2010年9月版)及PMSAP進行結構分析計算。取地下一層頂板作為嵌固端，重力荷載代表值由附加荷載和軟件自動計算的自重組成。其余靜荷載和活荷載以面荷載、線荷載或點荷載的形式施加。根據《建筑結構荷載規范》[ 2](GB 50009-2012)、《混凝土設計規范》[3](GB50010-2010)和《建筑抗震設計規范》[4](GB50011-2010)中規定的荷載組合進行構件承載力設計和變形驗算。SATWE和PMSAP主要分析多遇地震下的結構響應，PUSH&EPDA對罕遇地震下彈塑性動力性能進行分析。

梁扭矩折減系數取0.4，計算時考慮雙向地震扭轉效應，梁端彎矩調幅系數為0.85，連梁剛度折減系數為0.6，反應譜分析時均取18階振型，質量參與系數均超過90%，驗算時樓層水平地震剪力按抗震規范5.2.5條調整。

4　計算結果對比分析

4.1多遇地震作用下的計算分析

幾款空間分析軟件整體結構的主要計算結果及相互對比見表6～9所示。

表6結構剪重比與有效質量系數

Tab.6Structural shear ratio and efficient mass coefficient

計算軟件結構總重G/t剪力系數Vx/GVy/G有效質量系數XYSATWE949130.02470.02490.9530.940PMSAP946230.02550.02500.9570.945

表7周期、平動和扭轉系數

Tab.7Period, translational coefficient and torsional coefficient

振型號振動周期/sSATWEPMSAP平動系數SATWEPMSAP扭轉系數SATWEPMSAPI3.2063.2131.001.000.000.0023.1163.1281.001.000.000.0032.6452.6450.010.010.990.99

表8水平荷載作用下基底剪力及傾覆力矩

Tab.8Base shear and overturning moment under horizontal loads

計算軟件作用方向地震力基底剪力/kN傾覆力矩/kN風荷載基底剪力/kN傾覆力矩/kNSATWEX234001870567158411338203Y236501838630176141485810PMSAPX241071892792157731335468Y236851841002176141483168

表9水平荷載作用下結構的位移角、位移比

Tab.9Structural displacement angle and displacement ratio under horizontal loads

計算軟件作用方向最大層間位移角/rad地震力風荷載規定水平力作用下最大扭轉位移比SATWEX1/9301/15611.16Y1/8211/12181.32PMSAPX1/10391/19371.17Y1/8241/13321.33

4.2多遇地震作用下的彈性時程分析

根據《建筑抗震設計規范》[4](GB 50011—2010)規定，本工程應采用時程分析法進行多遇地震下的補充計算，選取兩條天然波和一條人工波，選用T634和TH3TG045作為天然波，RH4TG045作為人工波進行計算。PMSAP和SATWE彈性時程分析與反應譜分析基底剪力及最大層間位移角比較分別見表10、11，時程分析得到的樓層剪力、樓層層間位移角等與反應譜分析(CQC法)結果進行對比，如圖4、5所示。表10表明，兩種軟件計算的結構底部剪力均不小于振型分解反應譜法計算結果的65%，3條時程曲線計算所得結構底部剪力，其平均值不小于振型分解反應譜法計算結果的85%；由表11可得，層間位移的時程分析計算結果與反應譜分析結果基本相同，且滿足規范1/800的要求；從圖4和5可以看出，X和Y方向反應譜分析結果基本上大于時程分析計算所得的結果，只有頂部幾層略小于時程分析，采取地震力放大辦法的設計值，反應譜分析的地震影響系數曲線偏于安全，且從以上分析可以看出該結構無薄弱層，PMSAP與SATWE兩種軟件時程分析計算結果非常接近，表明計算參數及建模是合理正確的。

圖4　樓層剪力包絡圖Fig.4　Storey shear envelope diagram

表10　彈性時程分析與反應譜分析基底剪力Tab.10　Base shear via elastic time-history analysis and spectrum response analysis

表11　彈性時程分析與反應譜分析最大層間位移角Tab.11　The biggest structural displacement angle of elastic time-history analysis and spectrum response analysis

圖5　最大層間位移角Fig.5　The biggest storey structural displacement angle

4.3罕遇地震作用下靜力彈塑性分析

靜力彈塑性(Pushover)分析主要從層間位移角和損傷性分析兩個角度進行。

4.3.1罕遇地震下位移分析

從圖6的分析可以看出，能力曲線與需求曲線交點所對應的層間位移角為1/110和1/148，均不超過規范所規定的層間彈塑性位移角限值1/100，且最大層間位移角分別位于17層和22層，于上部1/3 樓層高度，滿足“大震不倒”性能水準。

圖6　能力需求曲線

4.3.2主要受力構件彈塑性損傷分析

X向加載至第17步時，15～21層1/D軸的2/2～1/3軸段連梁開始出現塑性鉸，往后其它層和部位連梁大面積出現塑性鉸；第20步，一層1/2軸剪力墻出現裂縫，到78步時底部5層出現裂縫；第75步，位于15層A軸4～5軸段外框架梁開始出現塑性鉸，往后其它層和部位外框架梁大面積出現塑性鉸；第130步，一層的1/D交1/4軸角部剪力墻出現塑性鉸；到性能點第165步時，連梁大面積出現塑性鉸，一層的1/4軸兩端小剪力墻出現塑性鉸，大部分框架梁出現塑性鉸，框架柱均未出現塑性鉸。

Y向加載至第18步時，底層1/B軸的1/2～2/2段墻出現裂縫；第25步時，13～19層1/4軸靠近1/B軸底部的連梁開始出現塑性鉸，往后其它層和其它部位連梁大面積出現塑性鉸；第53步，一層1/B交1/2軸處剪力墻開始出現塑性鉸；第57步，底部3層剪力墻出現塑性鉸，22～25層1軸的框架梁開始出現塑性鉸；到性能點第60步時，連梁大面積出現塑性鉸，1～3層剪力墻出現塑性鉸，局部框架梁出現塑性鉸，框架柱均未出現塑性鉸。

各加載步的桿端塑性角發展情況分析表明：

1)大震下結構仍保持直立，且平均層間位移角均滿足要求，滿足了結構“大震不倒”的設防水準要求；

2)框筒結構連梁最早出現塑性鉸，到性能點時大部分連梁發生損傷現象，起到了較好的耗能作用；

3)底部剪力墻出現裂縫較早，應給予充分重視，避免剪力墻剛度大幅削弱，過早退出工作；

4)大震時剪力墻底部受損嚴重，應給予加強；

5)框架柱在大震作用下整體性能良好，底部加強區以上柱不加型鋼也能滿足性能要求。

5　主要構造措施

為了達到D級抗震性能設計目標，除采用型鋼混凝土柱來減小構件截面和提高結構的延性性能外，結構設計方面還應在重要區域采取相應的構造措施，例如提高底部加強區剪力墻水平和豎向配筋率，增強剪力墻抗裂能力，底部加強區的混凝土筒體四角墻內及墻-墻相交處增設型鋼柱，提高剪力墻塑性變形能力。所有框架柱均采用箍筋加強設計，確保第二道抗震防線。二層樓板開洞大，除加大樓板厚度外，采用雙層雙向配筋并增加其配筋率。外圍型鋼混凝土柱要求其含鋼率不小于4%，縱向鋼筋配筋率不小于0.8%等。

6　結語

1)對于接近150 m的超高層結構且位于福建廈門風荷載較大的地區，當高寬比較小時，其7度設防的地震荷載起控制作用。

2)框-筒結構抗震設計中，結構的剛度及外框剪力分擔比是方案選擇的關鍵因素。

3)框-筒結構的框架柱采用鋼筋混凝土柱與型鋼混凝土柱的方案均可行。型鋼混凝土柱的方案抗震性能最好但造價最高，鋼筋混凝土柱的方案造價最低，但抗震性能最差，同時因柱截面較大會影響建筑的空間使用。

4)選擇底部部分樓層采用型鋼混凝土柱其余為鋼混凝土柱的方案，既可滿足抗震規范要求，改善結構的抗震性能，又可節約用鋼量，即以較小的投入代價換來較大的抗震性能改善。

5)在選定方案后應選用兩種以上的高層建筑結構分析軟件進行詳細計算和對比分析，并在結構薄弱處采取相應的構造措施，以確保設計滿足小震不壞，中震可修，大震不倒的設計原則。同時最大限度減少了因對計算機和計算軟件的依賴所帶來結構設計隱患。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.高層建筑混凝土結構技術規程：JGJ3—2010[S]．北京：中國建筑工業出版社，2010．

[2] 中華人民共和國住房和城鄉建設部，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.建筑結構荷載規范：GB50009-2012[S]．北京：中國建筑工業出版社，2012．

[3] 中華人民共和國住房和城鄉建設部，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.混凝土設計規范：GB50010-2010[S]．北京：中國建筑工業出版社，2010．

[4] 中華人民共和國住房和城鄉建設部，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.建筑抗震設計規范：GB50011—2010[S]．北京：中國建筑工業出版社，2010.

(責任編輯： 陳雯)

Aseismatic design for an out-of-codes high-rise frame-corewall structure in Xiamen

Chen Guochun

(IPPR (Xiamen) Engineering Design and Research Institute Co., Ltd., Xiamen 361004, China)

Abstract：The sectional designs of three frame-corewall structure schemes of out-of-codes high-rise building at an international plaza in Xiamen were compared via SATWE.The main parameters of the selected scheme under horizontal loads were calculated and analysed with SATWE and PMSAP.The results indicate that the selected scheme can meet the standard requirements and the calculation results via the two softwares are essentially coincident.

Key words：out-of-codes high-rise building; frame-corewall structure; aseismatic design; scheme selection

doi:10.3969/j.issn.1672-4348.2016.04.002

收稿日期:2016-08-10

作者簡介：陳國春(1966- )，男，福建龍海人，高級工程師，研究方向：建筑結構設計。

中圖分類號：TU398.7

文獻標志碼：A

文章編號：1672-4348(2016)04-0311-07