建筑結(jié)構(gòu)超限設(shè)計(jì)可行性分析之中震性能分析
——以蘿崗?qiáng)W園廣場(chǎng)H-6號(hào)樓為例

全良

（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院 廣東廣州 510010）

1 工程概況

蘿崗?qiáng)W園廣場(chǎng)項(xiàng)目基地位于廣州廣州蘿崗區(qū)，基地北靠香雪大道、東臨開蘿大道、南臨開創(chuàng)大道、西臨香雪八路。其中本文以超限辦公塔樓H-6為例來展開說明，本工程用地面積為52914m2，總建筑面積為286172m2，其中，地下建筑面積為73759m2，地上建筑面積為212413m2，包含了兩層地下室，一棟34層塔樓及其綜合商業(yè)裙樓。建筑物的主要功能：裙房部分為商業(yè)；塔樓部分為辦公、商鋪、避難層等；地下室部分為停車庫(kù)和設(shè)備用房等，地下一層局部為商業(yè)，地下二層為核六級(jí)及核五級(jí)人防地下室。塔樓外包尺寸為36.5×36.5，主要層高為5.0/4.2m，長(zhǎng)寬比為1.0，高寬比為 4.0。

本工程建筑剖面圖見圖1，結(jié)構(gòu)整體電算模型三維圖見圖1及圖2。

圖1 建筑立面圖

圖2 結(jié)構(gòu)模型三維圖

2 設(shè)計(jì)條件

2.1 設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB50068-2001），本工程的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年，結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限為50年。本工程建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)；地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)。

2.2 地震作用

（1）本工程抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度，II類場(chǎng)地，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.1g，特征周期0.35s（規(guī)范值）、0.35s（安評(píng)值）。

（2）根據(jù)建筑提供的建筑面積和人數(shù)，本工程綜合商業(yè)區(qū)商業(yè)面積為3.2萬m2，營(yíng)業(yè)面積為2.9萬m2，商業(yè)區(qū)人流約1.1萬人；高層塔樓的辦公建筑面積2.8萬m2，辦公經(jīng)常使用人數(shù)5000人。根據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》第6.0.5條、6.0.11條及《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）第3.1.1條，裙房屋面（5層樓面）以上的高層辦公塔樓抗震設(shè)防分類為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類，裙房屋面以下的部分抗震設(shè)防分類為重點(diǎn)設(shè)防類。

2.3 工程場(chǎng)地安全性評(píng)價(jià)

根據(jù)廣東省地震工程勘測(cè)中心提供的《工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告》，有關(guān)結(jié)論如下：

本工程場(chǎng)場(chǎng)地存在飽和砂層和淤泥類軟弱土層，但由于場(chǎng)地位于地震烈度Ⅵ度區(qū)，可不考慮砂土液化的影響和軟土震陷的影響，場(chǎng)地地震穩(wěn)定性良好，適宜新建本工程。

3 結(jié)構(gòu)布置、選型

3.1 結(jié)構(gòu)體系

本工程塔樓采用框架－核心筒結(jié)構(gòu)體系，核心筒尺寸約為16.7m×16.5m，筒體外壁厚由底部650mm向上逐步收至400mm。應(yīng)甲方要求，外圍框架柱全部采用普通鋼筋混凝土柱，由底部直徑1700mm、1550mm向上逐步收至1300mm、1200mm。塔樓高寬比4.0，核心筒高寬比9.0。

塔樓南側(cè)大堂位置因?yàn)榻ㄖ臻g要求，形成四層通高的穿層柱，穿層柱按實(shí)際長(zhǎng)度計(jì)算長(zhǎng)細(xì)比進(jìn)行穩(wěn)定驗(yàn)算，適當(dāng)加強(qiáng)穿層柱周圍柱的抗震措施。

3.2 樓蓋體系

根據(jù)結(jié)構(gòu)體系特點(diǎn)、使用要求和施工條件，本工程均采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板體系，整體性良好。各層樓蓋的主要布置原則如下：

（1）地下室底板采用平板結(jié)構(gòu)，板厚h＝500mm。

（2）地下室負(fù)一層除塔樓區(qū)域外，其余均采用帶柱帽的無梁樓蓋，板厚h=350mm（六級(jí)人防區(qū)）、250mm（非人防區(qū)）。塔樓范圍為采用梁板結(jié)構(gòu)，板厚h=150mm。主要梁截面：400×800。

（3）首層（地下室頂板），塔樓及裙樓范圍采用梁板結(jié)構(gòu)，板厚h=150mm。其余位置采用無梁樓蓋，板厚h=400mm。

（4）首層以上塔樓商業(yè)和辦公位置采用梁板結(jié)構(gòu)，板厚主要為150mm（核心筒內(nèi)部）、120（其余區(qū)域）。

（5）屋面層板厚h=150mm。

3.3 計(jì)算嵌固層的確定

本工程由于結(jié)構(gòu)地下一層相關(guān)部位樓層側(cè)向剛度小于地上一層的側(cè)向剛度的2倍，因此地下室頂板不作為嵌固端，工程計(jì)算嵌固層確定為地下室負(fù)一層樓面。

3.4 主要構(gòu)件尺寸

3.4.1 剪力墻

塔樓位置剪力墻，除電梯井道剪力墻厚度為200～300mm，筒體外圍墻厚 650～400mm。

3.4.2 框架柱

地下室及裙樓采用鋼筋混凝土柱，主要截面：600×1200、600×1000、600×600。

塔樓采用鋼筋混凝土柱，由底部φ1700mm、φ1550mm向上逐步收至φ1300mm、φ1200mm。

3.4.3 框架梁

采用鋼筋混凝土梁，塔樓框架梁主要截面為400mm×800mm。

4 結(jié)構(gòu)的中震驗(yàn)算

4.1 性能目標(biāo)

本工程主塔樓結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)選C級(jí)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件實(shí)現(xiàn)抗震性能要求的層間位移角指及結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力設(shè)計(jì)要求以《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）第3.11章節(jié)規(guī)定為標(biāo)準(zhǔn)。

本工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能設(shè)計(jì)目標(biāo)要求為：關(guān)鍵構(gòu)件（塔樓核心筒剪力墻、塔樓外圍框架柱）、普通豎向構(gòu)件（裙樓框架柱）及耗能構(gòu)件（塔樓核心筒剪力墻連梁、樓面框架梁）在多遇地震（水準(zhǔn)1）層間位移角要求1/800，結(jié)構(gòu)整體性能完好無損，仍處彈性階段；設(shè)防地震（水準(zhǔn)3）中，關(guān)鍵構(gòu)件及普通豎向構(gòu)件抗剪無損壞（彈性），抗彎輕微損壞并不屈服，耗能構(gòu)件抗剪輕微損壞并不屈服，抗彎輕度損壞允許部分屈服，；罕遇地震（水準(zhǔn)4）要求層間位移角為1/100，整體性能為中度損壞。

4.2 計(jì)算參數(shù)

采用SATWE軟件對(duì)設(shè)防烈度地震（中震）作用下，除普通樓板、次梁以外所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力，根據(jù)其抗震性能目標(biāo)，結(jié)合《高規(guī)》中“不同抗震性能水準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)要求”的相關(guān)公式，進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能計(jì)算分析。本工程的框架柱、核心筒剪力墻等關(guān)鍵構(gòu)件的正截面承載力以及其他構(gòu)件的承載力驗(yàn)算按中震彈性和中震不屈服的計(jì)算方法計(jì)算，中震計(jì)算參數(shù)如表1。

表1 中震計(jì)算參數(shù)

4.2.1 中震驗(yàn)算的整體計(jì)算結(jié)果

按按彈性樓板計(jì)算的簡(jiǎn)要計(jì)算結(jié)果如表2。

表2 中震計(jì)算簡(jiǎn)要結(jié)果

塔樓中震作用下部分耗能構(gòu)件（框架梁、連梁）的屈服分布如圖3～4所示（圖中畫圈的地方）（節(jié)選）。

4.2.2 中震作用下構(gòu)件破壞情況

（1）采用中震彈性方法計(jì)算，所有豎向構(gòu)件的抗剪配筋均未出現(xiàn)超筋的情況，屬抗剪彈性。

（2）采用中震不屈服驗(yàn)算時(shí)，核心筒剪力墻、塔樓鋼筋混凝土框架柱和裙房框架柱均未出現(xiàn)正截面承載力不足的情況，底部加強(qiáng)區(qū)的剪力墻配筋較小震作用下并無明顯增大，其他剪力墻和框架柱的配筋也未出現(xiàn)明顯增大情況，能實(shí)現(xiàn)“抗彎不屈服”的性能目標(biāo)。

（3）中震不屈服計(jì)算結(jié)果下，塔樓和裙樓的框架梁滿足抗剪截面驗(yàn)算，部分樓層框架梁出現(xiàn)正截面承載力不足。與小震下框架梁配筋相比，中震下框架梁的配筋增加顯著，框架梁支座底筋增大約10%，支座面筋增大約50～150%，箍筋無明顯增大。

圖3 第4層中震作用下梁屈服分布圖

（4）中震不屈服計(jì)算結(jié)果下，連梁滿足抗剪截面驗(yàn)算，中低區(qū)部分樓層連梁出現(xiàn)屈服。與小震下連梁配筋相比，中震下連梁的配筋增加顯著，框架梁縱筋增大約50～150%，箍筋增大約50～100%，具體如表3。

5 結(jié)論

綜上所述，本工程雖然屬于B級(jí)高層建筑，但結(jié)構(gòu)形式比較簡(jiǎn)單、體型規(guī)則，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中充分利用概念設(shè)計(jì)方法，對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件設(shè)定抗震性能化目標(biāo)。同時(shí)在抗震設(shè)計(jì)中，采用多種程序?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了彈性、彈塑性計(jì)算分析，除保證結(jié)構(gòu)在小震下完全處于彈性階段外，還補(bǔ)充了關(guān)鍵構(gòu)件在中震的驗(yàn)算，計(jì)算結(jié)果表明，多項(xiàng)指標(biāo)均表現(xiàn)良好，基本滿足規(guī)范的有關(guān)要求。根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果和概念設(shè)計(jì)方法，對(duì)關(guān)鍵和重要構(gòu)件作了適當(dāng)加強(qiáng)，以保證在地震作用下的延性。因此，可以認(rèn)為本工程除能滿足“中震下主要構(gòu)件不屈服、震后可以修復(fù)”的抗震設(shè)防目標(biāo)，該結(jié)構(gòu)是可行且安全的。

[1]《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3-2010）.

[2]《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》（建質(zhì)[2010]109號(hào)）.

[3]《廣東省超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查實(shí)施細(xì)則》（粵建市函[2011]580號(hào)）.