怡方都會大廈T1塔樓結構抗震設計

黃揚湛

（廣州市設計院集團有限公司，廣東 廣州510620）

1 工程概況

怡方都會大廈是香港巴馬丹拿設計事務所的中標方案，初步設計和施工圖由廣州市設計院完成。總建筑面積17.6萬m2，包括2層地下室和3棟塔樓，使用功能包括辦公、地下車庫及其他配套功能。其中T1塔樓地面以上31層，主屋面高度141.25m，建筑平面近似三角形，典型平面圖如圖1所示。

2 結構體系及主要參數

結合建筑外形及功能布置要求，T1塔樓采用鋼筋混凝土框架—核心筒結構體系。設計使用年限為50年，安全等級為二級，抗震類別為標準設防類，設防烈度為Ⅶ度，基本地震加速度為0.1g，水平地震影響系數最大值為0.08，設計地震分組為第一組，建筑場地類別為III類，場地特征周期為0.45s，結構阻尼比在多遇地震下取0.05，在設防地震下取0.055，在罕遇地震下取0.07。計算嵌固端設置在地下室頂板，地面以上剪力墻及框架抗震等級均為一級。

3 結構超限情況

根據《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010）、《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 3—2010）和住建部關于《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》（建質〔2015〕67號）有關規定，以及程序計算結果，工程結構超限情況如下：

3.1 高度超限判別

設防烈度為Ⅶ度、鋼筋混凝土框架—核心筒結構高度超過130m時，將判定為高度超限。T1塔樓的主屋面結構高度為141.25m，為B級高度。

3.2 平面不規則檢查

考慮結構扭轉不規則時，應考慮5%偶然偏心的影響。當最大水平位移和層間位移分別大于結構兩端水平位移和層間位移平均值的1.2倍時，結構存在扭轉不規則；如上述比值超過1.5，結構存在嚴重扭轉不規則。

塔樓最大扭轉位移比計算結果YJK為1.28，ETABS為1.299，結構存在扭轉不規則。

經過全面分析，結構不存在其他方面的超限項。

工程超限判別結論為：存在1項扭轉不規則的B級高度超限高層建筑。

4 抗震性能目標

針對該工程的超限情況，根據抗震設防“小震不壞、中震可修、大震不倒”的三個水準目標以及結構抗震性能設計的相關規定，綜合考慮結構的安全性、經濟性，設定結構抗震性能目標為C級。即要求多于地震、設防烈度地震及預估的罕遇地震作用下結構抗震性能分別對應1、3、4性能水準，構件抗震性能目標見表1。

表1 構件抗震性能目標

5 結構抗震性能計算分析

計算多遇地震時，工程主要采用YJK2.0.3進行分析，并采用ETABS2018進行驗證計算；進大震彈塑性時程分析時，采用SAUSAGE2018進行計算。由于沒有安評譜數據，該工程所需地震動均采用規范譜。

根據框架及剪力墻的布置方向，工程采用兩組方向分別建模進行計算，即[0°，90°]和[60°，150°]，如圖1所示。根據兩組模型的基底剪力、基底傾覆彎矩、層間位移角的計算結果，可以得出方向為[60°，150°]的模型更為不利，因此采用[60°，150°]方向的模型做進一步分析，模型3D效果圖如圖2所示。

圖1 計算方向示意

圖2 計算模型3D效果

5.1 模態分析

工程前三周期及振型如表2所示。

表2 結構主要周期

5.2 多遇地震下結構性能分析

5.2.1 彈性反應譜分析

YJK及ETABS模型計算的首層底部剪力與傾覆彎矩的對比情況如表3所示。兩個模型計算結果差異不大，多遇地震作用下樓層剪力及傾覆彎矩沿高度變化的曲線符合力學規律。

表3 首層基底剪力與傾覆彎矩

在多遇地震作用下，結構層間位移角沿高度的分布如圖3所示。YJK計算的60°向和150°向的最大層間位移角分別為1/968和1/846，ETABS計算的60°向和150°向的最大層間位移角分別為1/1034和1/911，均滿足1/800的規范限值要求。

圖3 層間位移角

在考慮偶然偏心影響的規定水平力作用下，YJK計算的樓層豎向構件最大位移與平均位移的比值最大值為60°=1.14（1層）、150°=1.28（1層）；樓層豎向構件最大層間位移與平均層間位移的比值最大值為60°=1.14（1層）、150°=1.28（1層）。ETABS計算的樓層豎向構件最大位移與平均位移的比值最大值為60°=1.160（1層）、150°=1.285（1層）；樓層豎向構件最大層間位移與平均層間位移的比值最大值為60°=1.160（5層）、150°=1.258（1層）。位移比均小于1.4。

本工程60°向和150°向的剛重比YJK計算結果為2.619和2.120，ETABS計算結果為2.513和1.963，滿足規范整體穩定要求，但應考慮重力二階效應的不利影響。

根據表2結構第一、第二平動周期和《高規》4.2.12條，通過插值計算，可得60°向和150°向剪重比的規范限值為：YJK計算結果對應0.0130和0.0142，ETABS計算結果對應0.0133和0.0147。兩種軟件的計算結果表明均需對各樓層的剪力進行調整。

由圖4可以看出，樓層受剪承載力與上部樓層的比值均大于0.75，滿足《高規》3.5.3條的要求。由圖5可以看出，樓層側向剛度比滿足《高規》3.5.2條的要求。由圖6可以看出，在規定水平力作用下YJK計算的底層框架柱承擔的傾覆力矩大于10%小于50%；ETABS計算的底層框架柱承擔的傾覆力矩在60°向為37.69%，150°向為38.53%。由圖7可以看出，各樓層框架柱承擔的地震剪力均大于10%，滿足《高規》9.1.11條的要求。對不滿足《高規》9.1.11.3條規定的樓層需進行框柱剪力調整，如圖8所示，以保證作為第二道防線的框架具有一定的抗側力能力。

圖4 受剪承載力比值

圖5 樓層側向剛度比

圖6 框柱傾覆力矩百分比

圖7 框柱地震剪力比

圖8 框柱剪力調整系數

根據以上分析結果，結構模型合理，剛度適宜，結構體系合理。

5.2.2 彈性時程分析

選取兩條人工波和五條天然波對塔樓進行時程分析，并將得到的基底剪力和基底傾覆力矩與反應譜法比較。從計算結果可知，七條地震波計算的基地剪力與反應譜法的比值在60°向分別為1.04、0.92、0.83、0.84、0.93、0.98、0.94，在150°向分別為1.01、0.86、0.99、0.93、0.85、0.95、1.12，每條波所得的樓層底部剪力大于反應譜法的0.65且小于1.35，七條波所得的樓層剪力平均值為反應譜法的0.93和0.96，滿足《高規》4.3.5條的要求。

通過對比各樓層剪力的計算結果可知，各條波時程平均反應25層以下均小于反應譜結果，25層以上比振型分解法略大。對這些樓層，將振型分解法的地震力適當放大，使其能包絡時程法的平均值。

5.3 設防地震下結構性能分析

根據表1的抗震性能目標，剪力墻及框架柱需滿足中震作用下抗剪彈性。針對結構受力特點和截面變化位置，選取有代表性樓層的。計算結果表明，大部分剪力墻水平筋、柱抗剪箍筋由小震控制，所有構件抗剪均未出現超筋，中震作用下豎向構件的抗剪承載力滿足中震彈性的性能目標。

根據表1的抗震性能目標，剪力墻及框架柱需滿足中震作用下抗彎不屈服，框架梁及連梁需滿足中震作用下抗剪不屈服，抗彎可部分屈服。計算結果表明，大部分柱豎向鋼筋為構造配筋，部分剪力墻豎向鋼筋由中震控制。大部分框架梁、連梁抗剪箍筋由小震控制，個別由中震控制。在中震作用下，所有豎向構件抗彎和水平構件抗剪均未出現超筋，所有框架梁和連梁均未出現抗彎屈服。中震作用下，豎向構件的抗彎承載力滿足中震抗彎不屈服的性能目標，水平構件的抗彎和抗剪承載力滿足中震抗剪不屈服、抗彎可部分屈服的性能目標。

5.4 罕遇地震下結構性能分析

5.4.1 等效彈性法

采用等效彈性法對結構進行大震不屈服及抗剪截面驗算，驗算時不考慮偶然偏心、構件地震力調整、荷載分項系數、抗震調整系數，不考慮風荷載組合，阻尼比取0.07，材料強度采用標準值。

計算結果表明，在大震作用下，60°向和150°向的基底剪力分別為75400kN和75384kN，分別為小震基底剪力的4.95倍和5.08倍，明顯小于水平地震影響系數之比6.25，表明結構在罕遇地震作用下塑性發展，結構剛度下降，地震輸入能量部分進入塑性階段的構件耗散。在大震作用下，60°向和150°向的層間位移角分別為1/133和1/123，滿足《高規》3.7.5框架-核心筒結構不小于1/100的層間彈塑性位移角限值的要求。底部加強區剪力墻水平筋按小震與大震等效彈性包絡設計，可達到剪力墻抗剪大震不屈服的性能目標。通過分析剪力墻和框柱剪壓比計算結果，可知在大震作用下，豎向構件抗剪承載力滿足《高規》3.11.3-4的要求。

5.4.2 彈塑性時程分析

結構總體性能目標為：在彈塑性時程分析最終狀態下，結構不倒塌，結構最大層間位移角小于規范限值1/100。為評價結構在罕遇地震下的抗震性能，工程采用SAUSAGE軟件進行彈塑性時程分析，選擇一組人工波和兩組天然波，地震波峰值加速度取220.0cm/s2，按主方向∶次方向=1：0.85雙向輸入。

計算結果表明，三條波主方向基底剪力在60°向和150°向分別 為50227kN、73167kN、48513kN和63169kN、79908kN、58835kN，與多遇地震基底剪力比值在3.2～5.5倍，基本在合理范圍之內。三條波主方向最大層間位移角包絡值在60°向和150°向分別為1/167和1/120，滿足規范1/100的限值要求，結構達到預設的性能目標。

6 抗震加強措施

針對本項目的超限情況，主要采取了以下措施：①采用ETABS2018及YJK（V2.0.3版）兩個不同力學模型的三維空間分析軟件對結構進行整體分析；②合理確定結構布置，控制不規則項，本項目僅扭轉不規則且扭轉位移比小于1.3，從抗震概念上保證結構具有良好的抗震性能；③采用彈性時程分析進行補充驗算，更準確地評估地震作用，確保結構的響應可以滿足設計要求；④根據性能目標對結構進行中震及大震作用下的驗算，分析其抗震性能，并采取相應加強措施；⑤采用SAUSAGE軟件進行罕遇地震作用下的動力彈塑性分析，確保結構能滿足大震下的抗震性能目標。

7 結論

通過概念及性能化設計，進行小震、中震及大震作用下計算分析，對關鍵構件進行適當加強，結果表明結構可滿足規范的有關要求，能達到C級抗震性能目標，結構抗震可行且是安全的。