某超限高層結構分析

榮 帆

(太原理工大學建筑設計研究院，山西 太原 030024)

1 工程概況

某超限高層，建筑場地總用地面積4 806.12 m2，總建筑面積114 946.72 m2，其中辦公部分52 944.86 m2；酒店部分62 001.86 m2。地下3層，地上為1號塔樓26層，2號塔樓22層，塔樓之間裙樓5層。1號酒店塔樓總高度為110.40 m，2號辦公樓塔樓總高度為99.60 m，1號塔樓為B級高層，2號塔樓為A級高層。1號，2號塔樓地上部分通過5層裙房連接，形成雙塔結構體系。各建筑出入口無室內外高差，建筑效果圖見圖1。

2 設計條件

2.1 樓面、屋面恒載及活荷載

本工程常用結構荷載按GB 50009—2012建筑結構荷載規范取值，特殊設備荷載由相關方提供，詳見表1。

表1 荷載取值

2.2 風荷載及雪荷載

基本風壓取0.45 kN/m2(由于超A級高度，基本風壓按100年重現期的風壓值采用)，地面粗糙度為C類。對于整體結構分析，風載體型系數采用1.3。

基本雪壓取0.35 kN/m2。

2.3 地震作用

根據GB 50223—2008建筑工程抗震設防分類標準，該區段內的使用人數不超過8 000，其抗震設防類別為標準設防(丙類)。根據巖土工程勘察報告，該場地為Ⅲ類，應按8度抗震烈度進行設防，設計地震分組第一組，根據GB 50011—2010建筑抗震設計規范，場地的特征周期為0.45 s，設計基本地震加速度值為0.20g。水平地震影響系數最大值采用0.16(多遇地震)，結構阻尼比取0.05。

2.4 結構形式

1號塔樓采用框架—核心筒鋼筋混凝土結構，框架的抗震等級為一級，抗震墻的抗震等級為特一級。

2號塔樓采用框架—核心筒鋼筋混凝土結構，框架的抗震等級為一級，抗震墻的抗震等級為一級。

裙樓為框架結構，框架等級為特一級。

3 結構體系與布置

3.1 抗側力體系

1)本建筑為框架—核心筒結構體系，核心筒及塔樓框架柱通高設置，裙樓區域3層宴會廳范圍內抽取部分框架柱。

2)抗側力構件均采用HRB400級鋼筋，型鋼采用Q345級鋼材,混凝土強度C55～C30。

3)豎向構件截面。

1號塔樓主要豎向構件截面：核心筒外墻：600 mm～400 mm；框架柱：1 300 mm×1 300 mm～800 mm×800 mm；

2號塔樓主要豎向構件截面：核心筒外墻：500 mm～400 mm；框架柱：1 200 mm×1 200 mm～800 mm×800 mm。

3.2 樓(屋)蓋體系

本建筑采用鋼筋混凝土現澆樓板，樓面板100 mm厚，屋面板120 mm厚；核心筒連接部位及裙樓大開洞周圈樓板采用180 mm厚；裙樓頂板及上下各一層樓板采用150 mm厚。裙樓6層頂采用鋼結構屋蓋體系。樓板開洞情況詳見結構初設圖紙。樓板鋼筋采用HPB300級、HRB400級，混凝土強度較相應樓層豎向構件降低兩個標號。

4 結構超限判定及應對措施

塔樓采用鋼筋混凝土框架—核心筒結構體系，各塔樓涉及超限內容如下(依據為山西省抗震設防超限高層建筑工程界定規定—晉建質字[2011]221號)。

4.1 酒店(1號)塔樓判定

1)采用鋼筋混凝土框架—核心筒結構體系，建筑總高度為110.40 m，規范規定的其高度限制(A級高度)為100 m，本塔樓超過規范限制10.4%。

2)三項及三項以上不規則的內容：a.扭轉不規則：考慮偶然偏心大的位移比大于1.2。X向占27%，最大值1.22。Y向占100%，最大值1.37。b.組合平面：本塔樓平面布置屬于細腰型。c.尺寸突變：本塔樓屬于多塔結構。d.局部樓層穿層柱。

4.2 辦公(2號)塔樓判定

1)一項不規則的內容：無。2)三項及三項以上不規則的內容：a.組合平面：本塔樓平面布置屬于細腰型。b.尺寸突變：本塔樓屬于多塔結構。c.局部樓層穿層柱。

5 計算參數

5.1 抗震性能目標

抗震性能目標為C級，即：多遇地震、設防地震、罕遇地震分別對應性能水準1、性能水準2、性能水準3。

5.2 抗震計算參數

1)設防烈度8度，場地類別為Ⅲ類，采用《建筑抗震設計規范》所規定的反應譜函數和特征周期。

2)振型分解反應譜法計算結構響應，振型數取為18個(不少于2倍的塔樓數量)，各振型貢獻按CQC組合，周期折減系數為0.90。

3)偶然偏心(計算控制位移比)和雙向地震扭轉效應組合工況。

4)分析時樓板假定為剛性。裙樓頂板作為彈性樓板單獨分析。

5)連梁剛度折減系數為0.75。

6)X，Y兩個方向的風力計算時，風荷載的體型系數按規范采用，取1.3。

7)施工加載：按模擬施工方式3加恒載。

6 多遇地震結構分析

反應譜法結構地震響應計算結果見表2。

表2 反應譜法結構地震響應計算結果(雙塔)

7 設防地震結構分析

本工程在設防地震作用下的性能目標設計原則為：關鍵構件(墻、柱)滿足抗彎不屈服、抗剪彈性；部分豎向構件以及大部分耗能構件(剪力墻連梁)進入屈服狀態。

中震彈性計算時，計算模型地震影響系數按多遇地震2.8倍取值(0.45)；內力調整系數取為1；其余參數參照多遇地震作用取值。

中震不屈服計算時，計算模型地震影響系數按多遇地震2.8倍取值(0.45)；荷載分項系數取為1；內力調整系數取為1；抗震調整系數取為1；材料強度采用標準值；其余參數參照多遇地震作用取值。

通過計算結果表明：在中震作用下，塔樓底部加強區剪力墻、框架柱抗彎與抗剪均能保證彈性狀態，部分連梁及少數框架梁抗彎進入屈服狀態；裙樓部分豎向構件均能保證彈性狀態；在豎向剛度突變部位(裙樓頂部)剪力墻、框架柱依然能夠保證彈性狀態，滿足性能目標要求。

8 罕遇地震結構分析

8.1 罕遇地震分析

1)計算參數。

抗震設防類別為丙類，設防烈度為8度(第一組)，設計基本地震加速度為0.20g，場地類型為Ⅲ類，結構阻尼取0.05(參照GB 50011—2010建筑抗震設計規范)。罕遇地震下場地特征周期為0.50 s。

2)計算模型仍采用彈性分析階段(SATWE)所建立的模型。由于PUSH-OVER計算中需求譜和能力譜須通過等效單自由度體系得出，故將雙塔模型拆分為兩個單塔模型分別進行計算分析。

3)通過計算，可了解結構在大震作用下的抗倒塌性能、位移角及塑性鉸的分布情況。

4)PUSH-OVER分析中分別對結構的X，Y兩個方向進行水平加載，在水平加載前均進行了重力加載。根據規范，本工程大震反應譜曲線中αmax=0.9，Tg=0.5 s。

8.2 罕遇地震計算結果

1)經過PUSH-OVER分析后，主要抗側力構件沒有發生嚴重破壞，多數連梁屈服耗能，但不至于引起局部倒塌和結構整體安全，大震結構性能滿足“大震不倒”的要求。

2)在罕遇地震分析過程中，結構破壞形態為連梁首先出現塑性鉸，連梁損傷并伴隨結構框架梁進入塑性階段參與結構整體塑性耗能，結構柱部分進入塑性階段。底部加強區核心筒外墻在罕遇地震作用下出現少量塑性鉸，結構未出現整體垮塌。

3)罕遇地震作用下，絕大部分筒體剪力墻滿足抗剪彈性的設防要求，未出現剪力墻全截面損傷。罕遇地震下結構樓層位移角滿足1/100的抗震設防要求，整體看，結構在罕遇地震下的彈塑性反應及破壞機制，符合結構抗震工程的性能設計要求。

4)地震力主方向的結果指標見表3。

表3 PUSH結果指標

9 結語

根據以上分析陳述，本項目存在扭轉不規則、剛度突變、高度超限等情況，但通過結構布置的優化、薄弱部位及重要構件的加強、以性能目標為基準的構件截面設計、對鋼筋配置等構造措施加強后，可滿足“小震不壞、中震可修、大震不倒”三水準抗震設計要求。