大底盤雙塔超限高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計(jì)

古寶鋮

摘 要：某大底盤雙塔超限高層建筑，建筑結(jié)構(gòu)高度190.5米，主要采用剪力墻結(jié)構(gòu)體系。綜合建筑功能、場(chǎng)地條件、設(shè)防類別、結(jié)構(gòu)類型和不規(guī)則性等，設(shè)定抗震性能目標(biāo)為C級(jí)，應(yīng)用SATWE和YJK進(jìn)行整體分析，PUSH&EPDA;和STRAT進(jìn)行彈塑性分析補(bǔ)充論證。分析結(jié)果顯示，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)體系合理，加強(qiáng)措施可行，滿足抗震設(shè)防目標(biāo)要求。

關(guān)鍵詞：大底盤雙塔；超限高層；抗震性能化設(shè)計(jì)；彈塑性分析

中圖分類號(hào)：TU973 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）14-0093-03

Abstract： A large-chassis double-tower ultra-limit high-rise building， with a building height of 190.5 meters， mainly adopts the shearwall structure system. By synthesizing the building function， site condition， security category， structure type and irregularity， the seismic performance target is set as grade C， and the whole analysis is carried out by SATWE and YJK， and an elastoplastic analysis is made using PUSH & EPDA and STRAT. The results show that all the indexes meet the requirements of the current code， the structure system is reasonable， the strengthening measures are feasible， and the requirements of seismic fortification target are met.

Keywords： double tower with large chassis； ultra-limit high-rise； aseismic performance design； elastic-plastic analysis

引言

基于性能的抗震設(shè)計(jì)是建筑抗震設(shè)計(jì)的發(fā)展方向，文章以實(shí)際工程為案例，進(jìn)行抗震性能化設(shè)計(jì)，采取多種分析方法對(duì)結(jié)構(gòu)體系和構(gòu)件進(jìn)行分析計(jì)算，并提出加強(qiáng)措施，使得建筑物達(dá)到“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)。

1 工程概況和設(shè)計(jì)參數(shù)

項(xiàng)目位于佛山市南海區(qū)，建筑物由1座（45層）、2座（44層）和大底盤裙樓（4層）組成的產(chǎn)業(yè)及配套用房用途公共建筑，地下兩層車庫(kù)，兩棟單塔以裙樓中軸為對(duì)稱布置，總建筑面積約16.8萬(wàn)m2。1座和2座建筑結(jié)構(gòu)高度190.5m，裙樓為21.6m。

本工程正負(fù)0至裙樓屋面部位為重點(diǎn)設(shè)防（乙類），其余部位為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防（丙類）。抗震設(shè)防烈度7度，II類場(chǎng)地，設(shè)計(jì)地震第一組，地震加速度值0.1g，特征周期0.35s，設(shè)計(jì)使用年限50年，安全等級(jí)二級(jí)，重要性系數(shù)1.0，地基基礎(chǔ)甲級(jí)。風(fēng)荷載基本風(fēng)壓0.5kN/m2，地面粗糙度B類，體形系數(shù)1.4。

2 結(jié)構(gòu)體系和基礎(chǔ)選型

建筑物高寬比為6.4，結(jié)合建筑功能用途，選用鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)體系，其中裙樓部分為框架結(jié)構(gòu)，局部存在框支轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)和大跨度框架結(jié)構(gòu)，樓蓋選用鋼筋混凝土梁板體系，典型結(jié)構(gòu)布置見(jiàn)圖1和圖2。計(jì)算嵌固層選定為地下室頂板。

場(chǎng)地地基巖土種類復(fù)雜、不均一，起伏變化大，通過(guò)對(duì)各勘探孔進(jìn)行土層厚度分析，結(jié)合超高層墻柱底荷載大的情況，選用旋挖成孔混凝土灌注樁基礎(chǔ)，以微風(fēng)化巖（frp=15MPa）為樁端持力層。

圖2 典型標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)布置圖

3 結(jié)構(gòu)超限情況及抗震性能目標(biāo)

根據(jù)文獻(xiàn)[2]及[3]的有關(guān)規(guī)定，本工程屬于高度超限建筑（超B級(jí)高度限值），存在樓板不連續(xù)、尺寸突變、構(gòu)件間斷和穿層柱等不規(guī)則項(xiàng)。綜合建筑結(jié)構(gòu)體系和超限情況，結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)選定為C級(jí)（1、3、4），各構(gòu)件抗震性能目標(biāo)見(jiàn)表1。結(jié)構(gòu)層間位移角限值為：小震彈性1/1000，大震彈塑性1/120。

4 計(jì)算分析及結(jié)果

根據(jù)性能目標(biāo)，分別采用不同軟件和不同的計(jì)算方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析論證。以SATWE為主要計(jì)算主程序進(jìn)行小震、中震和大震等效彈性分析，采用YJK進(jìn)行小震彈性校核對(duì)比和彈性時(shí)程補(bǔ)充分析，同時(shí)補(bǔ)充了大震作用下的PUSH&EPDA;靜力推覆和STRAT動(dòng)力彈塑性分析論證。

4.1 小震彈性分析

本工程進(jìn)行了多塔和單塔的彈性分析計(jì)算，考慮偶然偏心地震作用、雙向地震作用、平扭耦聯(lián)及施工模擬3等主要參數(shù)。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，剪重比在底部部分樓層不滿足，通過(guò)增加計(jì)算振型數(shù)和放大地震剪力系數(shù)調(diào)整后可滿足要求，其余各主要指標(biāo)均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

根據(jù)文獻(xiàn)[2]的要求，選取了5組天然波和2組人工波補(bǔ)充彈性時(shí)程分析。地震波有效峰值加速度（36cm/s2）和持續(xù)時(shí)間（結(jié)構(gòu)基本自振周期的5～10倍，且大于15s）均滿足規(guī)范要求，且前三個(gè)周期的平均地震影響系數(shù)與反應(yīng)譜結(jié)果相差不超過(guò)20%。每條地震波計(jì)算的結(jié)構(gòu)底部剪力不小于反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果的65%，七條波計(jì)算的結(jié)構(gòu)底部剪力平均值不小于反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果的80%。時(shí)程分析的剪力、彎矩、位移和位移角曲線與反應(yīng)譜計(jì)算所得的曲線相似，指標(biāo)結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

4.2 中、大震作用下彈性和不屈服分析

按性能目標(biāo)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行中、大震作用下的等效彈性計(jì)算。隨著地震力增大，構(gòu)件塑性鉸陸續(xù)開(kāi)展，計(jì)算時(shí)適當(dāng)考慮結(jié)構(gòu)阻尼比增加和連梁剛度折減，不考慮與抗震等級(jí)有關(guān)的構(gòu)件內(nèi)力調(diào)整系數(shù)。彈性分析和不屈服分析時(shí)，材料強(qiáng)度分別為設(shè)計(jì)值和標(biāo)準(zhǔn)值。

由計(jì)算分析可見(jiàn)：（1）中震作用下，關(guān)鍵構(gòu)件和普通豎向構(gòu)件均滿足抗彎不屈服和抗剪彈性，耗能構(gòu)件抗彎和抗剪均不屈服。其中部分剪力墻的抗彎計(jì)算配筋和抗剪計(jì)算配筋比小震時(shí)要大，部分框架梁和連梁的抗剪計(jì)算配筋比小震時(shí)要大。（2）大震作用下，底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻可滿足抗剪不屈服，其余剪力墻滿足抗剪截面，框支轉(zhuǎn)換梁和轉(zhuǎn)換柱均滿足抗彎不屈服和抗剪不屈服，耗能構(gòu)件大部分屈服。其中部分剪力墻的抗剪計(jì)算配筋比小震和中震時(shí)要大。（3）剪力墻的剪應(yīng)力滿足性能目標(biāo)要求。（4）中震不屈服作用下，局部墻肢出現(xiàn)拉應(yīng)力。

4.3 大震彈塑性分析

采用PUSH對(duì)單塔進(jìn)行靜力推覆分析，結(jié)果見(jiàn)表3，在結(jié)構(gòu)性能點(diǎn)處最大層間位移角均滿足限值1/120，可實(shí)現(xiàn)“大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)。經(jīng)查小、中、大震性能點(diǎn)處的結(jié)構(gòu)損傷分布圖，小震時(shí)保持彈性工作狀態(tài)，中、大震時(shí)部分耗能構(gòu)件的塑性鉸陸續(xù)開(kāi)展。由表3基底剪力對(duì)比分析可見(jiàn)，大震作用下結(jié)構(gòu)體系通過(guò)構(gòu)件屈服進(jìn)入彈塑性階段的屈服，起到較好的耗能作用，表明本結(jié)構(gòu)體系具有一定的延性。底部結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換處，轉(zhuǎn)換梁、轉(zhuǎn)換柱在小、中、大震性能點(diǎn)均處于彈性狀態(tài)，無(wú)損傷。

為清晰揭露大底盤雙塔的整體抗震受力狀況，還采用STRAT對(duì)多塔進(jìn)行了動(dòng)力彈塑性分析，模型分析中梁柱墻采用纖維單元，樓板采用分層殼纖維單元，由基本纖維的拉壓非線性本構(gòu)特性（單向/二維），實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的非線性性能及整體結(jié)構(gòu)的非線性性能。選取了2組天然波和1組人工波進(jìn)行分析計(jì)算，所選地震波滿足文獻(xiàn)[2]及[3]的要求。

計(jì)算結(jié)果顯示：（1）X方向最大層間位移角為1/196（塔1）和1/235（塔2）；Y方向最大層間位移角為1/188（塔1）和1/149（塔2）。大震作用下結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)，滿足“大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)。（2）結(jié)構(gòu)在X、Y方向基底剪力最大值為182343kN和193914kN，對(duì)應(yīng)的剪重比為5.94%和6.32%。（3）X、Y兩個(gè)方向頂點(diǎn)位移的平均值分別為0.63m（塔1）和0.72m（塔1）、0.47m（塔2）和0.80（塔2）。大震下整體響應(yīng)指標(biāo)滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

通過(guò)時(shí)程波歷時(shí)過(guò)程分析可見(jiàn)：（1）核心筒連梁屈服出

現(xiàn)早、范圍大、程度深，有效耗能；框架梁大面積屈服，有效耗能。（2）核心筒底部墻肢，局部輕微抗彎屈服。（3）外圍剪力墻底部，局部輕微抗彎屈服。（4）外框柱柱底均未出現(xiàn)拉力。（5）框支轉(zhuǎn)換梁端出現(xiàn)輕微損傷，框支轉(zhuǎn)換柱無(wú)損傷。（6）裙樓屋頂大跨度部位結(jié)構(gòu)梁柱未見(jiàn)損傷。（7）裙樓樓板應(yīng)力局部較大，局部部位屈服。

4.4 樓板應(yīng)力分析

裙樓結(jié)構(gòu)平面尺寸約為52m×142m，裙樓中部未設(shè)分縫，應(yīng)用PMSAP程序按彈性板6進(jìn)行分析，揭露大底盤裙樓樓板在中震不屈服作用下的應(yīng)力分布。同時(shí)，考慮由溫度變化（溫差絕對(duì)值為20℃）而引起裙樓樓板的應(yīng)力變化情況，裙樓屋面25.2米雙向大跨度結(jié)構(gòu)在重力作用下的樓板應(yīng)力情況。

由分析結(jié)果可見(jiàn)：（1）在中震不屈服作用下，在開(kāi)洞角部、塔樓核心筒角部、塔樓框架柱部位樓板明顯應(yīng)力集中。（2）在溫差變化工況作用下，在建筑邊角部、開(kāi)洞角部、塔樓核心筒角部、塔樓框架柱部位樓板明顯應(yīng)力集中。其中裙樓中部樓板在溫升工況作用下出現(xiàn)局部壓應(yīng)力，樓板應(yīng)力水平不高；在溫降工況作用下出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，樓板應(yīng)力水平較高。中部結(jié)構(gòu)梁和結(jié)構(gòu)柱配筋，在溫升和溫降工況作用下均在性能目標(biāo)小震彈性計(jì)算結(jié)果包絡(luò)以內(nèi)。（3）重力作用下大跨度部位樓板的壓應(yīng)力值較高，而受大跨度結(jié)構(gòu)影響的兩端相鄰跨部位出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力。

4.5 大跨度屋面舒適性分析

裙樓屋面25.2米雙向大跨度處，上部設(shè)置游泳池，為保證其舒適性使用，采用了STRAT進(jìn)行舒適度分析。選用豎向地震反應(yīng)譜和人行加速度時(shí)程波輸入，經(jīng)分析：（1）在豎向地震反應(yīng)譜作用下，最小頻率3.8Hz。（2）采用時(shí)程分析計(jì)算，其加速度最大值0.018m/s2。（3）在恒載和活載作用下，大跨度結(jié)構(gòu)梁在長(zhǎng)期剛度下的撓度最大值為24mm，撓度與跨度比值1/1050。主要指標(biāo)均滿足規(guī)范限值要求。

4.6 穿層柱分析

本工程存在主要受力結(jié)構(gòu)柱首～二層穿層的情況。應(yīng)用Midas Gen2014進(jìn)行模擬分析，選擇相應(yīng)的穿層柱，在柱頂端施加單位集中力，求得穿層柱屈曲模態(tài)，再得出相應(yīng)臨界荷載系數(shù)值。然后，應(yīng)用歐拉失穩(wěn)公式Pcr=π2EI/（μL）2，反算出計(jì)算長(zhǎng)度μL，以此求得穿層柱的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)。將各穿層柱的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)輸入整樓模型中，進(jìn)行大震作用下考慮P-Δ作用效應(yīng)的驗(yàn)算，驗(yàn)算結(jié)果顯示，強(qiáng)度和穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

5 主要加強(qiáng)措施

通過(guò)上述論證分析，本工程結(jié)構(gòu)能滿足豎向荷載和風(fēng)荷載作用下的有關(guān)指標(biāo)，且能滿足抗震設(shè)防目標(biāo)。結(jié)合各構(gòu)件性能目標(biāo)要求和薄弱部位的加強(qiáng)方向，采用如下加強(qiáng)措施：（1）剪力墻底部加強(qiáng)區(qū)提高墻身分布筋最小配筋率至0.50%。（2）轉(zhuǎn)換梁和轉(zhuǎn)換柱構(gòu)件內(nèi)設(shè)置型鋼加強(qiáng)構(gòu)件的承載能力和延性性能。（3）提高中震不屈服作用下受拉墻肢的墻身豎向分布筋最小配筋率至0.5%，提高暗柱的縱向配筋率，滿足墻肢受拉力要求。（4）裙樓二～五樓板板厚加強(qiáng)至

150mm，配置雙層雙向10@150，裙樓屋面25.2米雙向大跨度結(jié)構(gòu)梁及相連結(jié)構(gòu)柱均設(shè)置型鋼，相鄰跨部位延伸2/3跨范圍內(nèi)均設(shè)置鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)梁，加強(qiáng)其強(qiáng)度和剛度。

6 結(jié)束語(yǔ)

大底盤多塔超限高層建筑，功能使用要求高，結(jié)構(gòu)體系應(yīng)用種類多，通過(guò)基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算分析論證，使得建筑物滿足抗震設(shè)防要求。針對(duì)此類項(xiàng)目，在設(shè)計(jì)概念和方法論上可以歸納如下：（1）選用合理的結(jié)構(gòu)體系，清晰判斷結(jié)構(gòu)超限類別和不規(guī)則程度，提出適宜的抗震性能目標(biāo)。（2）針對(duì)設(shè)定的性能目標(biāo)要求，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)整體分析，存在薄弱和軟弱部位補(bǔ)充更深層次的論證分析，并對(duì)提出相應(yīng)的加強(qiáng)措施。（3）具體分析考慮不同工況組合，以揭露最不利狀況的實(shí)際受力，避免盲目的全工況考慮包絡(luò)或僅單工況考慮不周。（4）復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系應(yīng)采用多種不同程序進(jìn)行分析，對(duì)比分析論證結(jié)果，以保證分析結(jié)論的可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1]GB 50011-2010.建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（2016年版）[S].中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2016.

[2]JGJ 3-2010.高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

[3]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.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)[2015]67號(hào)[S].2013.

[4]韓小雷，季靜.基于性能的超限高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)[M].中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2013.

[5]錢國(guó)楨，孫宗光.倪一清.超限高層建筑抗震設(shè)計(jì)應(yīng)用技術(shù)[M].中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2015.

[6]錢學(xué)林.復(fù)雜超限高層建筑抗震設(shè)計(jì)指南及工程實(shí)例[M].中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2014.

[7]婁宇，黃健，呂佐超.樓板體系振動(dòng)舒適度設(shè)計(jì)[M].科學(xué)出版社，2012.