在施階段超高層建筑地震響應及核心筒領先層數研究*

張 茅，郭浩霆，徐 平，翁邦正，龐 拓，張田慶

(1.中國建筑第二工程局有限公司西南分公司，重慶 400024； 2.重慶大學土木工程學院，重慶 400045； 3.重慶大學山地城鎮建設與新技術教育部重點實驗室，重慶 400045)

0 引言

框架-核心筒結構是目前超高層建筑常用的結構體系，混凝土強度和外形處于不斷變化狀態，且由于核心筒施工速度快過外框架和筒內樓板施工速度，使在建框架-核心筒結構中的核心筒有一定領先層數。在建結構處于核心筒領先狀態時會影響結構承載力及抗震性能，因此JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結構技術規范》建議核心筒領先層數為4～8 層[1]。針對該現象，已有不少學者對核心筒領先施工的施工方法進行研究。2005年，張堅等結合工程實踐經驗，提出使用經驗層數法、簡單估算法和整體計算法確定核心筒領先層數[2]。2013年，朱川海等考慮施工期間結構體系、材料特性和荷載作用的時變性，引入施工階段基于性能的結構設計(PBSD)方法，分析處于不同施工階段的結構狀態，解決超高層建筑施工過程分析與控制問題，提出核心筒超前外框架施工層數的合理分析方法[3]。2015年，虞終軍等分析比較各施工工況下的結構整體和構件強度、變形和穩定性，提出解決頂層墻肢局部穩定性不滿足要求的施工控制建議[4]。2016年，周康研究施工速度與領先層數對結構的影響，提出各結構部分不同最優領先層數，確定伸臂桁架合理的安裝時序[5]。2017年，陳保勛等考慮墻肢實際支撐條件，重新計算數值模擬中的計算長度系數，得到實際計算長度系數，與最大超前施工層數[6]。

雖然不少學者對超高層結構的核心筒領先層數進行研究，但對超高層結構施工階段的抗震性能分析卻鮮有探討。本文以西山萬達寫字樓為工程背景，探討核心筒領先層數對在建框架-核心筒結構抗震性能的影響。

1 工程概況

本文以昆明西山萬達廣場項目北塔樓為例，北塔樓地面以上建筑67層，總高度為296.7m。工程抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度為0.20g，抗震設防為乙類，設計地震分組為第3組，場地類別為Ⅲ類；多遇地震影響系數為0.16，特征周期0.65s，阻尼比為0.04，罕遇地震影響系數為0.90。

2 有限元模型建立

本文在ETABS平臺上分別建立整樓及4種工況的有限元模型。施工分區如圖1所示。整樓模型采用鋼管混凝土柱+鋼梁-型鋼混凝土核心筒結構體系，利用建筑避難層設置4道結構加強層。結構主要抗側力體系為核心筒，外框架及結構加強層協同作用，以提供結構足夠抗側及抗扭剛度。由于本工程抗震設防烈度高，特征周期較長，地震內力很大，為提高豎向抗側力構件的側向剛度，核心筒墻厚為400～1 300mm，鋼管柱直徑為1 300～2 400mm，外框梁根據各樓層受力特點分別為1 000mm×950mm，800mm×950mm，600mm×950mm，1 000mm ×1 200mm 規格的箱形鋼梁等 ，并在 34，46，58層設置伸臂桁架，在22，34，46，58層設置腰桁架[7]。

圖1 施工分區

施工過程中，結構屬于時變體系，根據超高層建筑施工進度計劃，建立4種工況的核心筒不同領先層數模型，考慮核心筒提前施工，核心筒內梁板應與外框架樓板同時施工?？紤]材料特性及實際受力情況，由于框架柱采用相同建筑材料且受力情況接近，因此柱與柱間的軸向變形較小。但混凝土內筒和框架柱材料的不同層次及不同受力情況，會產生較明顯的軸向變形差，如在施工初期便將核心筒和鋼管混凝土柱間相互作用的伸臂桁架作剛性連接，導致伸臂桁架需承擔額外的變形作用力[8]。為避免伸臂桁架產生不必要的變形作用力，施工初期伸臂桁架將采用后連接方法，允許伸臂桁架于施工期較后時間連接，直至主體結構施工完成后及大量軸向變形差產生后才連接伸臂桁架。因此，使用ETABS進行施工過程中的彈性及彈塑性時程分析時，不考慮伸臂桁架對結構的影響。

3 地震響應

3.1 地震波選取

由結構基本參數及GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》[9]得到地震影響系數曲線如圖2所示。

圖2 地震影響系數曲線

在地震記錄中，強地震動是緩慢衰減的，存在長周期高能脈沖。近斷層地震動的運動特征主要表現為上盤效應、破裂前向性效應和滑沖效應。上盤效應指上盤強地震動衰減慢于下盤，強地震動分布面積大，主要分布在上盤?；瑳_效應和破裂前向性效應共同導致長周期脈沖。所選地震記錄的加速度時程曲線經調幅后如圖3所示。

圖3 地震波加速度時程曲線

3.2 時程分析輸入最大地震動加速度取值

時程分析輸入最大地震動加速度如表1所示。任意t年內，地震烈度i的分布符合極值Ⅲ型分布[10-11]，如下式所示：

(1)

表1 時程分析輸入最大地震動加速度 m·s-2

根據建筑施工周期推算施工階段的設計使用年限T1，由地震危險性分析可知某個地區以年超越概率p(I>i)表示的地震危險性；根據式(2)可得使用年限為50年內超越概率0.1的地震烈度，進而求出該地區的地震烈度分布形狀參數K。

p(I>i|T)=1-[1-p(I>i)]T

(2)

根據式(1)可求t年內超越概率為0.632的地震烈度，及設計使用年限50年時超越概率為0.632的地震烈度差值。將差值帶入式(3)可確定任意t年與50年設計基準期水平地震最大影響因素比值，進而求出對應使用年限的地震作用。

(3)

按照上述方法，當T=10年，求得時程分析時輸入的地震加速度最大值應調整如表1所示。

3.3 不同施工階段彈性及彈塑性時程分析

根據《建筑抗震設計規范》，選擇Cape Mendocino地震波，使用SeismoMatch程序調整時程分析地震動峰值加速度(peak ground acceleration, PGA)為0.74，1.48m/s2。對建筑施加速度峰值x∶y=1∶0.85的雙向地震波，分別進行如下彈性和彈塑性時程分析。

1)PGA為0.74m/s2時，整樓模型和4區模型層間位移角如圖4所示。

圖4 整樓和4區位移角

4區施工階段模型在某一滿足頻譜特性地震波下，從核心筒領先部位第1層(52層)開始，層間位移角增長顯著。說明核心筒領先部分的側向剛度明顯小于外框架施工完成部分，在地震作用下產生明顯的結構響應突變。對比整樓模型，4區模型的層間位移角隨樓層增加逐漸加大，在核心筒領先部分中的上升速度較外框架施工完成部分更快，其中最大層間位移角(1/476)出現在59層。而整樓模型的最大層間位移角出現在47層，47層往上層間位移角隨樓層上升而減小。

2)PGA為0.74m/s2時，2區施工階段不同領先層層間位移角如圖5所示。

圖5 2區不同領先層層間位移角

2區領先層數不同，整體層間位移角出現較大變化。其中領先20層時最大層間位移角(1/473)是領先15層時最大層間位移角(1/733)的1.55倍。領先15層時的最大層間位移角是領先10層時最大層間位移角(1/989)的1.35倍。當超過18層后，最大層間位移角超過規范限值，因此在2區施工條件下，極限領先層數為18層?？梢园l現，34層的層間位移角突變明顯，說明避難層在核心筒領先部分的側向剛度較小。施工完成樓層中，最大層間位移角隨領先層數的增加顯著增加，施工完成部分的響應隨之增大，由此可見施工完成樓層數較低時，核心筒領先部分對全部已建樓層響應產生較大影響。

3)不同分區的核心筒領先部分和外框架施工完成樓層層間位移角對比如圖6所示。

圖6 不同分區的層間位移角

核心筒領先模型中，外框架施工完成樓層的響應在施工初期隨已建層數的增加顯著增大，在3區施工階段后，結構響應隨施工階段的推進逐漸減小，其中4區施工階段模型的外框架施工完成樓層(0～20層)最大層間位移角較2區同樓層減少約18.7%。說明隨著整體抗側力體系的完善，結構在地震作用下的響應趨于穩定。主要層間位移角增幅體現在核心筒領先部分。1～4區施工階段的核心筒領先部分與外框架施工完成樓層的層間位移角差值分別為1區1/6 098，2區1/1 230，3區1/611，4區1/1 686。說明隨著施工階段的推進，核心筒領先部分的結構響應突變開始顯著，直到抗側力體系逐漸完善后，該結構響應突變現象有所緩和。

4)當PGA為0.74m/s2時，2,4區的領先層層間位移角對比如圖7所示。

圖7 2,4區模型層間位移角對比

由圖7可知，4區施工階段模型(領先15層)的領先層部分與施工完成部分最大層間位移角差值為1/1 686，而2區施工階段模型(領先15層)的領先層部分與施工完成部分最大層間位移角差值為1/3 096。說明隨著施工階段推進，領先層部分的結構響應逐漸突出。

5)遭遇罕遇地震作用，PGA為1.48m/s2時，1～4區的層間位移角對比如圖8所示。1～4區的核心筒領先部分最大層間位移角與施工完成部分最大層間位移角的差值為1區1/1 570，2區1/402，3區1/365，4區1/452。相比PGA為0.74m/s2時的彈性階段，核心筒領先部分的結構響應更突出，且隨著施工階段的推進響應逐漸增大。側向剛度較小的薄弱層層間位移角與相鄰層差異更顯著，說明在罕遇地震作用下，側向剛度不均勻帶來的影響會被進一步放大。

圖8 罕遇地震作用下不同分區的層間位移角對比

4 結語

1)施工過程中遭遇地震荷載時，結構層間位移角隨施工階段的推進呈先增長后減小的趨勢。當結構體未能形成較完整的抗側力體系時，隨著樓層增高，核心筒領先部分的結構響應會增大。當施工到一定階段，在建結構體擁有較完整的抗側力體系后，核心筒領先部分響應突變才趨于緩和。因此結構樓層超過50層后，應嚴格控制核心筒領先層數在9層以內。

2)當核心筒領先高度達到一定程度后，會產生較大的核心筒結構響應突變，施工過程中應嚴格控制核心筒領先極限高度。當存在避難層等側向剛度較低的樓層時，為防止過大的結構響應出現突變。

3)在罕遇地震作用下，核心筒領先部分的結構響應更加顯著，相較于PGA為0.74m/s2時，罕遇地震下核心筒領先部分的結構響應與其余部分結構響應的比值突出約30%，薄弱層在罕遇地震作用下的增長幅度更是巨大。因此，高烈度地區的核心筒領先施工需提前做好施工安全風險評估。