綠地中央廣場T2塔樓超限高層結構抗震設計綜述

劉明

摘要：本文基于工程實例，對超限高層建筑結構的抗震設計與分析方法進行探討，采用基于性能的抗震設計方法對結構進行設計。通過兩種計算軟件對結構進行小震彈性設計和中震性能設計，最后對結構進行罕遇地震下的靜力彈塑性分析，研究結構的薄弱環節和大震下屈服變形情況。

關鍵詞：高層建筑超限；抗震性能設計；靜力彈塑性

一、工程概況

本工程由三棟高層塔樓及相應的裙樓、地下室組成。1#塔樓主要用作辦公，地上共24層，總高108m，標準層層高4.2m。2#塔樓主要用作酒店，地上共50層，總高198m，標準層層高分別為3.6m、4.2m。3#塔樓主要用作辦公，地上共33層，總高148m，標準層層高4.2m。裙樓，地上共4層，總高23.6m；地下室共4層，建筑底板標高約為-17.6m。

該工程建筑結構安全等級為二級，建筑抗震設防類別為丙類，工程抗震設防烈度為6度（0.05g），III類場地，設計地震分組為第三組，根據安評報告，場地特征周期為0.4s，多遇地震影響系數為0.063，基本風壓為0.50kN/m2（采用100年重現期取值），地面粗糙度為B類。

本文主要介紹T2塔樓的結構設計，其中主要包括小震彈性分析，中震彈性及中震不屈服分析，以及大震下的推覆分析。

二、結構體系

（一）結構形式

本項目T2塔樓地上50層，建筑高度200.15米（結構主屋頂高度198米），屬于B級高度的超限結構。塔樓采用由中央核心筒和外圍框架組成的框架-核心筒結構抗側力體系，典型平面布置見圖2.1，整體模型見圖2.2。核心筒是比較有效的抗震、抗風的抗側力體系，而外框架不僅能提供抗側力作用，同時能夠配合建筑復雜立面的要求。核心筒材料采用鋼筋混凝土，外框架柱在底部采用型鋼混凝土柱，上部鋼筋混凝土柱，外圍梁采用鋼筋混凝土梁，樓面為鋼筋混凝土梁板體系。

樓面采用混凝土梁板體系，外框架梁沿徑向搭到中部核心筒上，典型梁跨度為10.2米左右。

（二）主要超限內容

本工程主要超限內容有：

1.高度為198m，超過《高規》規定的A級建筑最大適用高度；

2.扭轉不規則，考慮偶然偏心的扭轉位移比大于1.2；

3.樓板不連續，有效寬度小于50%，開洞面積大于30%；

4.其他不規則；局部的穿層柱、斜柱。

（三）結構抗震設計的預期目標

由于該結構屬于抗震設防超限高層建筑，設計時采用了基于性能的抗震設計方法。設定的抗震設計的預期性能目標見表2.1，結構抗震性能目標整體達到《抗規》性能3的要求。

三、結構整體彈性分析計算

（一）結構的模態分析

建立了SATWE模型對結構整體進行了分析計算，并建立了ETABS模型進行對比分析，經過軟件分析，得到結構周期的計算結果如表3.1所示。

（二）振型分解反應譜法和彈性時程分析

整體彈性分析主要采用SATWE和ETABS兩個不同力學模型的程序進行比較計算。小震作用下根據振型分解反應譜法計算得到的彈性分析結果如下表。

按照《建筑抗震設計規范》的要求，彈性時程分析采用2條天然波和1條人工波進行多遇雙向地震分析，并與反應譜分析進行對比，進一步驗證彈性分析結果的正確性、及結構安全、可行性。在小震作用下，根據安全評估報告給出的三條地震波進行彈性時程分析，其中一條人工波，兩條天然波，三條波的峰值加速度取值均為25cm/s2。

從以上的計算分析，可以得出以下結論：

1.ETABS及SATWE兩種軟件分析的各項指標基本一致，表明使用的軟件是可行的，模型的計算結果是可信的

2.時程分析結果表明，每條時程曲線計算所得結構底部剪力不小于振型分解反應譜法計算結果的65%，多條時程曲線計算的結構底部剪力的平均值不小于振型分解反應譜法計算結果的80%。從而說明時程波選取是合適、滿足規范的。

5.按反應譜計算時，結構X、Y向的最大層間位移角分別為1/1916和1/1106，小于規范框筒結構最大層間位移角1/800的要求。小震作用下，結構滿足規范要求。

4.結構X向、Y向的最大位移比分別為1.16和1.21，滿足規范要求。

5.各種計算結果表明，Y向結構剛度相差較小，在該方向上風力作用與地震作用相當，是結構整體指標的控制因素。

6.從線彈性分析結果來看，結構具有合適的剛度，滿足規范各種指標的控制要求。兩種計算軟件分析結果，兩種程序的反應譜分析結果之間具有一致性和規律性，符合工程經驗及力學概念所做的判斷，結構是合理的，計算結果均滿足現行國家規范及規程的要求。

四、中震彈性分析和中震不屈服分析計算

中震彈性即結構在中震作用下，結構承載力滿足彈性設計要求，計算時不考慮地震內力調整，采用與小震時相同的作用分項系數、材料分項系數和抗震承載力調整系數，不考慮風荷載作用。中震不屈服、不屈曲即結構在中震作用下，結構承載力滿足不屈服、不屈曲設計要求，計算時不考慮地震組合內力調整，荷載作用分項系數取1.0，材料強度取標準值，抗震承載力調整系數取1.0，不考慮風荷載作用。

根據設定的抗震設計性能的預期目標， 不同構件需按不同抗震性能水準復核承載力， 除進行多遇地震彈性分析外， 部分構件尚需進行中震彈性、中震不屈服設計和驗算。經復核驗算， 相應的構件滿足其設定的預期性能目標。

剪力墻在中震作用下抗剪彈性及抗彎不屈服驗算：

底部加強區剪力墻滿足V/Vu≤1.0時，剪力墻在中震作用下保持抗剪彈性；非加強區剪力墻滿足V/Vuk≤1.0時，剪力墻在中震作用下保持抗剪不屈服。endprint

壓彎破壞判別：剪力墻在中震作用下的P-M-M包絡線應小于所對應的截面承載力包絡圖Pu-Mu1-Mu2。如下式：

（P-M-M）/（ Pu-Mu1-Mu2）≤1.0

剪力墻在中震作用下抗剪彈性及不屈服驗算如下表：

計算結果表明，加強區剪力墻在中震作用下滿足抗剪彈性的要求，非加強區剪力墻在中震作用下滿足抗剪不屈服的要求。

剪力墻在中震作用下抗彎不屈服驗算如圖所示，計算結果表明，剪力墻在中震作用下能滿足抗彎不屈服的要求。

中震作用下剪力墻N-M曲線圖如下：

通過中震分析和判斷可以得出結論：

加強區剪力墻抗剪滿足彈性要求，其余剪力墻滿足中震抗剪不屈服要求，加強區和非加強區剪力墻均滿足中震抗彎不屈服的要求。

五、靜力彈塑性分析

（一）單元模型和分析方法

本工程中對X ， Y 兩個方向分別進行了Pushover 分析。注意到結構分別沿X 向、Y 向的第一、二振型的振型參與質量成分很大，而且結構沿豎向分布均勻，因此，在進行Pushover 分析時，采用層剪力加載方式進行側推，同時進行水平目標位移控制的位移控制法。

（二）分析結果

靜力彈塑性分析反映塑性鉸的開展情況，對于大震下的構件驗算是個很好的參考和補充。在大震性能點步驟下，兩個方向的彈塑性層間位移角均小于規范要求限值1/100，說明結構具有足夠變形能力儲備和內力重分布的能力，而不至于被破壞到臨界倒塌極限狀態。因此，結構整體抗震性能滿足大震不倒塌的抗震性能目標，故可判斷為結構“大震不倒”。

塔樓在罕遇地震作用下，在性能點處層間位移角如表5.2所示。

大震下，部分連梁開裂，出現塑性鉸；框架梁在兩個方向出現少量塑性鉸；柱和墻體沒有出現塑性鉸。在施工圖階段有針對性的對出鉸部位進行加強。通過結構在大震下的變形和塑性鉸出現位置及發展狀態，可以確定設計是安全的。

六、結語

該工程屬于超限高層結構，框架-核心筒結構是一種很好的抗側力構件體系，設計中采用了基于性能的抗震設計方法，通過對超高層進行彈性、彈塑性分析，實現了預期的性能目標和規范要求，并且對重要構件作了適當加強， 對受力復雜的部位進行了補充驗算分析，實現了“小震不壞，中震可修，大震不倒”的設計思想。

參考文獻

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

[2]. 呂西林，超限高層建筑工程抗震設計指南（第2版），上海：同濟大學出版社2009endprint