某超限高層建筑的抗震性能分析

賴偉強， 張 堃

(四川省建筑設計研究院有限公司, 四川成都 610000)

1 工程概況

本工程位于成都市區西北三環外，總建筑面積約90 016 m2。地下3層，其中地下1層局部夾層，地下室建筑功能主要為人防、車庫、設備用房和酒店后勤用房；塔樓地上41層，結構大屋面標高為172.7 m，裙房地上3層，屋面標高為18.3 m，建筑功能主要為酒店(典型層高3.6 m)、酒店配套用房和酒店式公寓(典型層高4.2 m)，塔樓共設置9 F、22 F和33 F共3個避難層(典型層高4.2 m、6.0 m)。建筑整體效果圖見圖1。

圖1 建筑效果圖

采用抗震縫將塔樓與裙房脫開，塔樓采用雙重抗側力體系的鋼筋混凝土框架-核心筒結構，裙房采用鋼筋混凝土框架結構。本文僅介紹塔樓的抗震能力分析。

塔樓核心筒尺寸約為13 m×31 m，核心筒外圍墻厚由底部800～1 000 mm逐步縮小至大屋面400～500 mm；塔樓框架柱柱網尺寸主要為13.5 m、12.1 m和10.55 m，22 F以下為型鋼混凝土柱，22 F以上為鋼筋混凝土柱；塔樓標準層的外框梁和與核心筒相連的框架梁高為800 mm；塔樓標準層酒店和公寓區域板厚100～110 mm，核心筒內板厚120 mm，設備層、避難層及其上一層板厚為150 mm；典型結構平面布置圖見圖2。

圖2 結構典型平面布置

2 設計準則

本工程設計基準期為50 a，設計使用年限為50 a，建筑結構安全等級為二級；所在地區地面粗糙度為B類， 50 a一遇基本風壓為0.3 kN/m2，構件承載力計算式取1.1 倍，阻尼比0.05；舒適度計算取10 a一遇基本風壓為0.2 kN/m2，阻尼比0.02；本工程抗震設防烈度為7°(0.1g)，設計地震分組為第二組，場地類別為III類，設計特征周期Tg=0.45s，阻尼比0.05。塔樓抗震設防類別為標準設防類(丙類)，根據GB 50011-2010《建筑抗震設規范》以下簡稱《抗規》[1]和JGJ 3-2010《高層建筑混凝土結構技術規范》以下簡稱《高規》[2]，塔樓核心筒和框架柱的抗震等級均為一級。

3 超限情況和抗震性能目標

根據建質[2015]67號《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》[3]和DB 51/T5058-2014《四川省抗震設防超限高層建筑工程界定標準》[4]，塔樓超限情況如下：

(1)結構高度172.7 m，超過A級高層建筑最大使用高度130 m，但未超過B級高層建筑最大使用高度180 m，無豎向收進情況，長寬比約為1.35，高寬比約為4.89小于7，屬于B級高度超限高層建筑。

(2)扭轉不規則。在考慮偶然偏心影響的規定水平地震力作用下，樓層豎向構件的最大位移比大于1.2。

根據《高規》[2]第3.11節及其條文說明，保證該超限高層滿足“小震不壞、中震可修大震不倒”的抗震設防目標，本工程抗震性能目標選用C-、D+級(介于C～D之間)，各水準下的抗震性能要求見表1。

表1 抗震性能設計目標

4 結構整體計算分析

4.1 小震彈性反應譜分析

本工程分別采用SATWE和ETABS兩種軟件，采用振型分解反應譜法(CQC法)進行結構整體計算，周期折減系數0.9，連梁剛度折減系數0.6，考慮雙向地震及偶然偏心。整體計算結果對比見表2，對比結果顯示：兩種軟件的主要計算控制指標均比較接近且均滿足規范要求，計算結果合理準確；前兩二周期均為平動周期(T2/T1>0.8)，第三周期為扭轉周期，且T3/T1<0.85、扭轉位移比<1.4，說明結構兩個方向的動力特性接近且具有較好的抗扭剛度。

建質[2015]67號《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》第11條規定，“超高的框架-核芯筒結構，其混凝土內筒和外框之間的剛度宜有一個合適的比例，框架部分計算分配的樓層地震剪力，除底部個別樓層、加強層及其相鄰上下層外，多數不低于基地剪力的8 %且最大值不宜低于10 %，最小值不宜低于5 %”。

圖3～圖5反映框架部分的剪力分布及比例：(1)大部分樓層框架承擔的剪力占本層剪力的10 %～30 %，規定水平力作用下結構底部框架部分在X向、Y向承擔的傾覆彎矩占比27.8 %、21.3 %，介于10 %～50 %，表明框架與核心筒的剛度比例適中，為典型的框架-核心筒結構；(2)框架承擔的剪力最大值大于底部剪力的10 %，但部分樓層框剪承擔的剪力小于底部剪力的20 %，表明框架和核心筒部分能夠形成有效的雙重抗側力體系，且框架部分需按照規范要求進行0.2V0調整，以保證其作為二道防線的抗側能力。

表2 多遇地震下的CQC法計算結果對比

圖3 框架承擔的剪力分布

圖4 框架剪力與本層剪力的比例分布(Vf/Vi)

圖5 框架剪力與底部剪的比例分布(Vf/V0)

4.2 小震彈性時程分析

彈性時程補充分析時，選取2條人工波和5條天然波，地震波峰值加速度35 cm/s2，雙向輸入。7條地震波主方向的地震響應系數曲線如圖6所示，結構前三階振型的周期點在各條地震波曲線對應的地震影響系數平均值誤差分別為-2.33 %、0.41 %和-5.54 %，均不超過20 %，滿足規范要求。

彈性時程分析結果見表3、圖7、圖8。單條地震波下的底部剪力和層間位移角均在CQC結果的65 %～135 %之間，多條地震波下的底部剪力和層間位移角平均值在CQC結果的80 %～120 %以內，且最大層間位移角均小于1/706，滿足規范要求。此外，樓層剪力結果顯示：CQC法底部剪力與彈性時程分析法底部剪力平均值相當，但在結構上部1/4～1/3高度范圍內，彈性時程分析的樓層剪力大于CQC法的樓層剪力，表明結構高階振型會影響結構地震響應，故需對振型分解反應譜法的地震效應放大，放大系數取樓層剪力比值。

圖6 多遇地震反應譜曲線比較

表3 彈性時程分析結果

圖7 彈性時程分析的樓層剪力

圖8 彈性時程分析的層間位移角

4.3 中、大震等效彈性反應譜分析

等效彈性分析分別采用“中震彈性”、“中震不屈服”、“大震不屈服”計算模型[5]。

中、大震底部剪力分別為小震結果的2.6～2.7倍、5.5～5.7倍；中震層間位移角分別為X向-1/291、Y向-1/371，均不大于1/282(2.5倍彈性層間位移角限值)，大震層間位移角分別為X向-1/130，Y向-1/169，均不大于1/111(0.9倍彈塑性層間位移角限值)；配筋計算結果顯示：關鍵構件和普通豎向構件均滿足“中震抗剪彈性、抗彎不屈服”、關鍵構建滿足“大震抗剪、抗彎不屈服”、普通豎向構件滿足“大震抗剪不滿足剪壓比”，結構構件既定抗震性能目標。

中震下的剪力墻軸拉比統計見圖9(荷載組合取1.0DL+0.5LL+1.0Eh)，統計結果表明：塔樓部分剪力墻僅在頂部、底部局部樓層出現小偏拉現象，但軸拉比均小于1.0，根據《超限高層建筑工程抗震設防專項審查要點》(2015版)[3]第十二條規定，小偏拉剪力墻抗震構造等級按特一級且無需設置型鋼。

圖9 設防地震下的剪力墻軸拉比μt

大震下的剪比統計見圖10(荷載組合取1.0DL+0.5LL+1.0Eh)，統計結果表明：剪力墻、框架柱的剪壓比均不超過0.15，說明豎向構件的抗剪截面尺寸滿足剪壓比要求，不會發生脆性剪切破壞。

(a)剪力墻剪壓比

4.4 大震彈塑性時程分析

彈塑性動力時程分析方法是考慮結構的彈塑性性質，旨在反映結構在罕遇地震下的損傷情況、復核結構是否滿足彈塑性變形要求。選取1條人工波和2條天然波，地震波峰值加速度220 cm/s2，選用SAUSAGE[6]軟件，雙向輸入，同時考慮幾何非線性和材料非線性。分析結果如下：

(1)最大層間位移角θx=1/108，θy=1/141，根據《抗規》[1]換算得到的最大層間位移角為：θx=1/127，θy=1/122，均小于1/111，滿足 “大震不倒”的既定抗震性能目標；同時，彈塑性與彈性最大層間位移角樓層基本對應，表明罕遇地震作用下結構的樓層抗側剛度相對大小關系基本保持一致。

(2)連梁首先屈服而后開始出現損傷，損傷逐漸增大至大部分重度損壞～嚴重損壞；剪力墻絕大部分無損壞～輕度損壞，極少數中度破損～重度損壞且僅出現在中上部樓層。框架柱在頂部樓層輕微破損；框架梁大部分無損壞～輕度損壞，部分中度損壞，極少部分重度損壞～嚴重破壞且僅在端部。損傷情況表明結構抗震性能滿足既定的抗震性能目標要求。關鍵構件在大震下的性能水平見圖11。

圖11 罕遇地震下的關鍵構件性能水平

(3)結構的損傷發展順序表明結構具有明顯的雙重抗側力體系(即：核心筒首先屈服耗能，為第一道防線；外框架隨后屈服耗能，為第二道防線且符合“強柱弱梁”的抗震概念設計，保證結構在大震下有一定的安全儲備)，與反應譜分析結果一致，符合預期目標。

5 結論

(1)多遇地震作用下，SATWE和ETABS兩種軟件分析的各項指標基本一致，說明計算程序合適、假定正確，計算結果可靠；SATWE 彈性時程分析與彈性反應譜分析結果一致，結構處于彈性階段，承載能力和變形能力均能滿足現行規范要求。

(2)設防地震、罕遇地震作用的下等效彈性反應譜分析和罕遇地震下的動力彈塑性分析結果表明：結構層間位移角和構件的性能水平均可滿足預定的抗震性能目標，層間位移角滿足規范限值要求，結構整體滿足既定的抗震性能目標。

(3)損傷情況表明結構具有明顯的雙重抗側力體系，具有“強柱弱梁”的特點，滿足抗震概念設計。

本工程具有B級高度、扭轉不規則等特點，通過超限判斷、抗震性能化設計以及彈塑性分析，保證結構的安全可靠且滿足規范要求，給類似工程提供參考。