某超高層多塔結構性能化設計

劉金鳳，楊德圣

（中國中元國際工程有限公司，北京100089）

1 引言

近年來,多塔結構越來越多地被工程師采用，對于該類體型不規則超限高層結構，文獻[1]規定必須進行超限審查，其中，結構性能化設計是重要的組成部分。本文以具體工程為例，對此類工程的性能化設計進行總結，并給出具體的加強措施，為類似工程的設計提供參考。

2 工程概況和超限情況

本工程位于珠海市橫琴新區，由裙房和2 棟塔樓組成。地下共3 層，主要為設備用房和汽車庫；裙房8 層，處于塔樓之間，裙房和塔樓不設縫，主要為商業、辦公和宿舍；塔樓1、塔樓2 均為框架核心筒結構，層數分別為44 層和 38 層，高度分別為167.80 m 和 146.20 m。抗震設防烈度7 度，地震分組第二組，基本加速度0.10g，Ⅳ類場地，特征周期0.75 s，該工程存在樓板不連續、凹凸不規則、偏心布置、多塔樓、個別樓層轉換及穿層柱、個別樓層扭轉位移比超限共六項不規則，塔樓1、塔樓2 高度分別超出A 級高度限值29.07%和12.46%，為體型不規則的超高層建筑，具體結構模型如圖1 所示。

圖1 結構模型圖

3 抗震等級和性能目標

根據文獻[2]和文獻[3]，以及抗震等級（見表1），其中縮進部位屋面層及其上下層塔樓框架柱抗震等級及抗震構造措施等級均提高到特一級，為保證地震作用的可靠傳遞，1~6 層塔樓框架柱抗震構造措施提高到特一級以保證塔樓與底盤的整體工作。根據工程超限情況和文獻[2]及專家意見，性能目標定為C 級，具體如表2 所示。

表1 抗震等級

表2 性能目標

4 小震分析

本工程同時采用整體、塔樓1、塔樓2 模型進行分析，其中塔樓模型帶兩跨相關范圍。本工程位移角、位移比按照整體模型控制，周期比按照整體和塔樓模型分別控制，承載力為整體和塔樓模型包絡設計。采用ETABS 和YJK 對小震做對比分析，對結構的可靠性進行驗證，結果滿足規范要求，具體如表3 所示。

進行小震彈性時程分析補充計算，選取7 條地震波，每條時程曲線計算所得結構底部剪力均大于振型分解反應譜法計算結果的65%，多條時程曲線的平均值也大于反應譜法計算結果的80%，滿足規范規定[3]。時程分析法計算結果顯示，結構的反應特征、變化規律與反應譜法結果基本一致，結構無明顯的剛度突變層，由時程分析所得剪力結果和反應譜法計算的剪力結果可知無須對振型分解反應譜法剪力結果進行放大。

表3 小震計算結果

5 中震性能分析

本工程裙房高度內塔樓框架柱均為型鋼混凝土柱，上部為普通鋼筋混凝土柱，柱截面由底到頂逐段減小，核心筒墻體由底到頂逐段減薄，框架柱和剪力墻軸壓比均滿足規范要求。采用等效彈性法對結構中震下的承載力進行復核，1~3 層底部墻肢局部部位平均拉應力大于2ftk（ftk為混凝土的抗拉強度標準值），通過設置型鋼和增大墻體豎向鋼筋配筋率把拉應力降到與ftk相等；通過優化布置，調整構件截面確保關鍵構件、普通構件和耗能構件性能目標均滿足表2 的要求。

6 大震性能及大震動力彈塑性時程分析

采用等效彈性法對大震下結構的承載力進行復核，采用佳構軟件進行大震動力彈塑性時程分析。等效彈性法結果表明關鍵構件、普通構件、耗能構件性能目標均滿足表2 的要求。動力彈塑性時程分析結果顯示：（1）大震彈塑性和大震彈性基底剪力的比值介于0.565~0.867，結構有足夠的耗能能力；（2）X 和Y 向層間位移角最大值分別為1/140 和1/153，滿足規范規定；（3）剛度曲線下降較少，結構具有良好的抗震性能；（4）核心筒剪力墻僅底部幾層受到輕微的損傷，框架柱僅裙房局部受到輕微損傷；（5）塔樓范圍內梁出現中輕度損傷，裙房范圍內梁發生輕度損傷，個別梁出現嚴重損傷。綜上，本工程主體結構能夠滿足規范的彈塑性性能要求。

7 采取的加強措施

本工程加強措施：（1）加大塔樓周邊構件截面及配筋，增加整體性及抗側剛度，提高變形協調能力；（2）增加穿層柱上下端梁截面，加強其對穿層柱的約束，按照同層正常柱對穿層柱的承載力進行復核；（3）控制塔樓與裙房頂交接部位的層間位移角小于或等于1.15 倍的相鄰下部區段的層間位移角；（4）加厚體型收進處的裙房屋面板，并設拉通筋，確保單層單向鋼筋的配筋率不小于0.25%；（5）加厚裙房樓板開大洞部位的周邊板塊，復核該樓層設防地震樓板應力配筋；（6）提高轉換梁、轉換柱及斜撐得抗震等級至一級，并均設置鋼骨，并用Etabs對中震及大震下轉換梁、轉換柱和斜撐做有限元分析，保證其中震彈性及大震不屈服的性能目標；（7）保證底部加強區核心筒墻體分布鋼筋配筋率均大于或等于0.6%。

8 結語

該工程充分考慮概念設計，對中震及大震下各構件的性能目標進行驗算，并使用動力彈塑性時程分析法分析大震下各構件的損傷，對薄弱部位和關鍵構件進行加強，最終保證結構滿足性能目標C 的要求。