某不規則鋼框架—混凝土核心筒結構的設計分析

陳 璐 杰

(同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司，上海 200092)

1 工程概況

上海某區大型商業地塊中新建單體，地上11層，1層、2層為商業，3層以上為辦公，標準層層高為4.5 m，地下3層。

本工程抗震設防類別為乙類，設防烈度7度，設計基本地震加速度0.10g，地震分組第二組，場地類別Ⅳ類，特征周期0.9 s。

2 地基基礎設計

本工程采用鉆孔灌注樁，基礎類型為樁+承臺+筏板基礎形式。

采用柱下集中布置抗壓(兼抗拔)樁，樁徑為700～850，高層塔樓范圍內采用φ850樁，樁端進入⑦層粉砂層，有效樁長約為45 m。φ850樁估算抗壓承載力設計值Rd=3 350 kN，抗拔承載力設計值Rtd=2 150 kN。純地下室區域采用φ700樁，樁端進入⑤3-2層灰色粘質粉土層，有效樁長約為40 m，抗壓承載力設計值Rd=2 150 kN，抗撥承載力設計值Rtd=1 450 kN。高層塔樓核心筒范圍以內，基礎底板厚度1 700 mm，其余地下室范圍區域厚度900 mm。

核心筒下最大沉降量約25 mm，柱下沉降量約為11 mm，相鄰柱最大沉降差小于2‰，滿足規范要求[1]。

3 結構布置

單體總高度為49.35 m，地上11層，地下3層，平面尺寸59.6 m×35.8 m。采用鋼框架—混凝土核心筒結構體系，主樓嵌固層位于地下室頂板，主體結構體系見圖1。

由于建筑功能和效果的需要，在2層樓面上有大開洞，根據建筑平面及立面效果要求，整棟樓呈扭轉向上態勢，通過調整各個外框鋼立柱傾斜角度和方向實現。

結構布置如圖1所示。

4 不規則情況及主要應對措施

項目經初步計算后發現結構存在如下不規則項，主要有：1)二層樓板大開洞，局部有效寬度小于典型寬度的43%；2)考慮偶然偏心的扭轉位移比大于1.2；3)斜柱和躍層柱，工程屬于特別不規則結構[2]。

針對結構不規則項，采取以下措施：

1)通過兩種不同的程序，采用空間結構計算模型，計入扭轉影響，進行計算對比，結構平面布置時，盡量使得各層剛心和質心重合或靠近。

2)在開大洞樓層處，按考慮樓板變形影響的彈性板計算方法，對樓板進行有限元分析；適當加厚洞口周邊或凸出部分連接處樓板厚度及配筋，在洞口角部集中配置斜向鋼筋。

3)對局部躍層柱在構造上確保躍層柱受力的連續性，復核躍層柱的計算長度，并保證躍層柱中震彈性。

4)斜柱及頂層和底層與斜柱相連梁抗震等級提高一級，并保證斜柱中震彈性設計。

5)斜柱處樓板進行應力分析，加強樓板配筋，有效傳遞斜柱產生的水平分力。

6)進行彈性時程分析補充計算。

5 結構分析與計算

5.1 小震彈性分析和中震驗算

分別采用YJK(1.9.1.0)和Midas building(2017V2.0)兩個空間分析程序按相同假定進行分析計算。分析時，考慮偶然偏心的影響，采用剛性樓板假定，阻尼比4%，周期折減系數0.85。主要結果如表1所示。

由表可見：1)前3階模態的振動周期和模態如表1所示，兩個程序的計算結果比較接近，周期比小于0.9，振型參與有效質量比值均大于98%；2)層間位移角小于1/800，扭轉位移比小于1.4；3)抗側剛度比值最小1.44；4)各層受剪承載力比值最小為0.99；5)兩種程序計算結構主要指標基本一致，分析結果可靠。

5.2 彈性時程分析

根據規范[3]的規定，選用兩組天然波和一組人工波來模擬加速度時程曲線，對本工程進行彈性時程分析。在地震加速度時程曲線的選擇時，主要考慮所選擇的曲線滿足本工程場地地震動的頻譜特性、有效峰值和持續時間三要素的要求。選用Ⅳ類場地上的兩條實測地震波P1—Landers_NO_850,Tg(0.90)，P2—(SHW7_NGA_2723CHICHI04.CHY059,Tg(0.9))，以及一條人工地震波P3—SHW2_AW-NGA_760LOMAP.MEN,Tg(0.9)，計算結果如表2所示。

表1 兩個軟件主要計算結果對比

表2 彈性時程分析與CQC結果對比

三組時程曲線的平均地震影響系數曲線滿足規范要求的前提下，時程法計算結果與反應譜法計算結果基本吻合，每條時程曲線計算所得的底部剪力大于陣型分析反應譜法的75%，平均值大于80%，滿足規范要求；此外時程分析方法顯示結構的反應特征(位移角等)與前述振型分解反應譜法分析基本一致，可以取時程分析法的包絡值和反應普法的較大值進行設計。

5.3 靜力彈塑性分析

為實現大震不倒的設防目標，采用EPDA&PUSH程序計算時，采用倒三角和等加速度加載方式，分別沿結構X向和Y向進行計算、分析，將大震層間位移角控制在規范規定范圍內。

X向和Y向在性能點時的塑性鉸分布圖如圖2，圖3所示。

在PUSHOVER分析中，塑性鉸首次分別出現在了局部樓層的連梁梁端，繼而各層連梁梁端出現塑性鉸的范圍逐漸擴大，當達到性能點時，塑性鉸在各層的連梁梁端已經有了很大范圍的分布，連梁塑性發展較充分，體現了較好的耗能能力，局部框架梁也出現了塑性鉸。雖然塑性鉸分布范圍較多，但是均出現在梁端，此后隨著加載的繼續進行，框架梁端的塑性鉸大量增多，最終在底層柱端出現塑性鉸后結構到達目標位移，推覆結束。性能點時剪力墻的損傷分布如圖所示，從整體上看混凝土剪力墻部分處于開裂狀態，小部分底部墻體破壞，結構出現開裂而未進入屈服狀態，大部分損傷出現在剪力墻底部加強區，符合剪力墻作為第一道抗震防線先出現破壞的特征，體現出結構較好的抗震能力。

計算結果和分析表明：1)在X向罕遇地震作用下，層間位移角為1/310，小于1/100；在Y向罕遇地震作用下，層間位移角為1/326，小于1/100；2)在罕遇地震作用下，結構側向位移較小，仍具有較好的剛度，且具有足夠的塑性變形能力，在性能點時仍然具有一定的承載能力及延性，達到大震不倒的抗震設防目標；3)整個結構的塑性發展和損傷機制較為合理，破壞順序體現結構滿足強柱弱梁，剪力墻作為第一道防線的要求。

5.4 樓板應力分析

采用盈建科軟件進行樓板應力分析，采用彈性模假定。典型樓板應力如圖4所示。

5.5 斜柱與躍層柱相關承載力分析

單體全樓斜柱，斜柱最大斜率1∶7，作為整個結構的關鍵構件，構件需進行加強設計。對斜柱進行中震彈性計算，控制斜柱的應力比，計算結果表明，斜柱在中震彈性地震作用下應力比最大為0.95，結構安全。

部分梁屬于壓彎構件，需要對梁穩定性進行分析。根據多遇地震樓板厚度為0的梁內力計算結果，選取斜柱斜率最大處的梁，進行整體穩定驗算，結果表明，鋼梁的強度及整體穩定滿足規范要求。

選取內力最大的梁，對強度和平面內外穩定性進行計算，計算結果如表3所示。

表3 鋼梁應力計算

可見，即使在樓板開裂不起作用的情況下，框架梁強度和穩定性仍足夠安全。

6 結語

本工程屬于特別不規則高層建筑，結構設計過程中根據重要性及不規則程度對不同構件選擇相對應的合理的抗震性能目標，通過兩個程序計算比對，用彈性時程分析補充驗算，且用靜力推覆分析結構在罕遇地震作用下的性能表現，對薄弱部位做了相應加強處理，結構整體上具有良好的抗震性能，能滿足規范的各項指標。