高層鋼筋混凝土框架-核心筒結構抗震性能化分析

范俊俊

（安徽熙初建筑設計有限公司，安徽 合肥 230001）

1 工程概況

某項目建筑總高度為147.20m，地上30 層，地下2層，設2 個避難層（10 層和20 層），各標準層層高5.0m，避難層層高為3.6m。結構采用鋼筋混凝土框架芯管結構體系，基礎采用鉆孔樁基礎，工程設計參考年限50 年，設計壽命50 年，基本設計等級為A 級。中心管框架結構是高層建筑中最重要的結構形式。外框架和核心筒剪力墻形成的雙重抗側力體系具有良好的抗側剛度和抗傾覆能力[1]。

2 工程地質與地基基礎設計

場地位于抗震設防烈度Ⅶ度區，根據場區工程地質條件分析，場地地層較簡單，地貌類型較單一，其他不良地質現象，為抗震一般地段。根據本次勘察，場地覆蓋層厚度19.0～25.8m，建筑場地類別為Ⅱ類，場地特征周期值為0.35s。場地地基土自上而下分別為：雜填土層、粉質粘土層、中細砂層、圓礫。

采用樁基+承臺+防水板的基礎形式，采用鉆孔灌注樁，樁徑1200mm。選擇風化粉砂巖層為樁端持力層，標準值可以達到7000kPa，長度在22m 左右，樁端進入持力層超過2m。經過現場試樁，單樁豎向承載力特征值達12500kN。承臺的厚度主要有2800mm 和3000mm 兩種，防水板的厚度達到了500mm，混凝土等級為C40。

本工程屬于超限高層，布樁時特別注意減小樁中心與豎向荷載作用中心之間的偏差，同時考慮結構高寬比較大，確保大震作用下結構整體不傾覆，平面周邊相應樁基進行加強處理。對周邊樁按抗拔樁設計，確保在大震作用下基礎安全。

由于本工程Y 向高寬比較大，為保證結構大震不倒，需進行整體抗傾覆驗算，為安全起見，采取等效彈性方法計算大震傾覆力。本工程設有兩層地下室，抗傾覆驗算僅考慮地下室外延一跨計算。抗傾覆計算結果如表1 所示。

表1 抗傾覆計算結果

3 上部結構分析

本項目屬于超A 級高度不規則結構。超限高層建筑工程的抗震設防應采取有效的抗震措施，確保超限超限建筑工程達到規范規定的抗震設防目標。根據本項目超支情況及與業主溝通的結果，本項目抗震性能指標選定為《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 3—2010）3.11.1 中的C 級。結構抗震性能等級按《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 3—2010）第3.11.2 條選擇：在頻繁地震下滿足性能1 級要求，關鍵構件和豎向構件一般滿足3 級性能要求在設防地震下；至少滿足罕見地震性能4 級要求下的性能3 級要求。基于性能的設計必須實現多級抗震設計，而我國的標準現在普遍認為是三個等級的設防：小震不破壞、中震可修復、大震不倒塌[2]。

3.1 小震及風荷載作用下結構分析

結構工程師應采用2 個或2 個以上力學模型的空間計算分析軟件[3]，本工程采用SATWE 與YJK 軟件進行對比分析，各項整體計算結果吻合良好，表明兩個軟件的計算分析結果可靠。結構扭轉為主的第一自振周期Tt 與平動為主的第一自振周期T1 之比最大為0.51，表明結構的抗扭剛度較強。在考慮偶然偏心的地震作用下，樓層豎向構件的最大水平位移和層間位移與該樓層平均值的比值的最大值X 向為1.12，Y 向為1.12，小于1.2，滿足規范要求。在風荷載及地震力作用下的最大層間位移角兩個程序計算大值分別為X 向1/1548和Y 向1/1033，滿足規范限值要求。彈性時程分析表明少數樓層（上部樓層）時程曲線的最大樓層剪力平均值大于CQC 法計算的樓層剪力，在施工圖設計時，取兩者包絡設計以確保結構的抗震安全性。豎向不存在側向剛度不規則的情況，也不存在受剪承載力突變的情況。地震作用下，X、Y 向底部局部樓層地震剪力小于《高規》4.3.12 要求，程序計算時已按照規范要求放大地震剪力。該結構剛重比EJd/GH**2 大于1.4，滿足高規的整體穩定驗算要求，但Y 向小于2.7，需要考慮重力二階效應。本工程剪力墻最大軸壓小于0.5，滿足規范要求。經計算結構頂點順風向最大加速度amax=0.074m/s2，橫風向最大加速度amax=0.097m/s2，風振舒適度滿足規范要求。各構件均能達到多遇地震下的抗震性能目標。

3.2 中震作用下的結構承載力復核

本工程在中震作用下的抗震性能目標：關鍵構件（底部加強部位）：受彎不屈服，受剪彈性；普通豎向構件：受彎不屈服，受剪彈性；耗能構件：受剪不屈服。

中震不屈服條件設定：調整地震影響系數最大值αmax=0.23 按中震取值（按規范取值）；取消組合內力調整（強柱弱梁，強剪弱彎）；荷載作用分項系數取1.0（組合值系數不變）；材料強度取標準值；抗震承載力調整系數γrE 取1.0；連梁剛度折減0.5；結構阻尼比取0.06；不考慮風荷載參與組合；周期折減系數為1.0；中梁剛度增大系數：按規范計算取值。

中震彈性條件設定：調整地震影響系數最大值αmax=0.23 按中震取值（按規范取值）；取消組合內力調整（強柱弱梁，強剪弱彎）；荷載分項系數按規范取值；材料強度取設計值；抗震承載力調整系數按規范取值；連梁剛度折減0.6；結構阻尼比取0.05；不考慮風荷載參與組合；周期折減系數為0.9；中梁剛度增大系數：按規范計算取值。本工程剪力墻中震均可滿足規范要求。在中震作用下，在核心筒中部分墻肢出現受拉，除個別小墻肢外，單肢墻拉應力均小于混凝土抗拉強度標準值。但考慮組合墻作用后，所有墻肢均滿足拉應力小于混凝土抗拉強度標準值。中震出現小偏拉的墻體設置型鋼。施工圖階段對于出現拉應力的墻肢通過提高豎向縱筋配筋率以抵消受拉墻肢的拉力，同時受拉墻肢的抗震等級按特一級進行設計。綜上所述各構件均能達到中震下抗彎不屈服、抗剪彈性驗算的抗震性能目標。

3.3 大震不屈服等效彈性法承載力復核

本工程在大震作用下的抗震性能目標：關鍵構件（底部加強部位）：受剪不屈服；普通豎向構件：滿足受剪截面控制條件；耗能構件：允許部分發生嚴重破壞。

大震不屈服設計方法（等效彈性法）：調整地震影響系數最大值：αmax=0.5；取消組合內力調整（強柱弱梁，強剪弱彎）；荷載作用分項系數：1.0（組合值系數不變）；材料強度取標準值；抗震承載力調整系數γre：1.0；連梁剛度折減：0.3；結構阻尼比取：0.07；不考慮風荷載參與組合。周期折減系數取：1.0。中梁剛度增大系數：1.0。

根據《高層建筑混凝土技術規程》（JGJ 3—2010），按公式（3.11.3-4）（3.11.3-5）進行大震作用下底部加強部位及沿豎向歷次變截面位置墻體的受剪截面驗算。大震結果采用規范反應譜進行計算分析結果，提取典型墻體，分析樓層的剪壓比變化情況。計算結果表明，剪力墻能滿足大震下的最小受剪截面要求（剪壓比小于0.15）。

3.4 大震作用下結構動力彈塑性時程分析

《高規》第5.1.13 條：“B 級高度的高層建筑、混合結構和復雜高層建筑結構，宜采用彈塑性靜力或彈塑性動力分析方法補充計算”。本工程采用YJK-EP 軟件進行罕遇地震下的動力彈塑性時程分析，選用與規范反應譜在統計意義上比較接近的三組地震波，采用兩組地面設計譜加速度時程記錄、一組地面設計譜人工波加速度時程記錄進行雙向分析。梁柱采用纖維束單元、墻單元采用基于混凝土損傷本構理論的平板殼單元。單軸應力－應變曲線取《混規》附錄C.2 條中提出的混凝土模型。鋼筋采用理想彈塑性材料本構關系。地震波選取情況如表2 所示。

表2 地震波選取

分析表明，結構各層間彈塑性位移角均小于規范的相關極限要求，結構抗側向力主要構件破壞不嚴重，局部構件屈服但不引起局部變形。倒塌或危及結構整體安全，且結構整體性好，能滿足“大震不倒”的抗震性能目標要求。

在罕見地震波輸入過程中，結構的破壞模式可描述為以下3 種情況：①在罕見地震作用下，結構連梁首先出現塑性鉸，一般先于框架梁進入彎曲屈服狀態，但不會發生剪切屈服。具有良好的多線防御系統和能量消散。②大部分框架柱處于第一屈服工作狀態，沒有隨著時間的推移而發展，沒有一個具有剪切屈服。框架梁柱破損不嚴重，梁破損大于柱破損，結構具有良好的“強柱弱梁”體系，具有良好的第二道防線。③中心管剪力墻底部配筋區域處于受彎屈服狀態，表明結構呈現“梁鉸破壞”機制，滿足“強墻柱、弱耦合”的延性設計要求梁”。

結構在三波作用下的最大層間彈塑性位移角為X方向1/244，Y 方向1/221，滿足規范限值1/110 的要求。總體上，結構在罕見地震輸入下的彈塑性響應和破壞機制滿足結構地震工程的概念設計要求。

4 針對結構超限的抗震加強措施

（1）使用不同力學模型的兩個空間分析程序SATWE和YJK 進行計算，將兩個程序得出的不利結果用于施工方案設計中的結構構件設計。在計算小地震時，考慮了扭轉耦合和偶發的5%偏心率和雙向地震的不利組合。

（2）本項目采用彈性時程分析法進行補充計算。計算結果表明，除部分樓層外，所選地震波的平均值和現場波計算結果均小于采用標準方法分解現場振型響應譜得到的結果，表明項目使用安全可行。然而，根據SATWE 程序的模態形狀分解反應譜方法，需要根據結構某些樓層反應譜結果的時程分析結果對地震力進行放大和調整。調整后的地震力滿足規范的剪重比要求。

（3）將剪力墻底部加筋部分在中等地震應力下的抗震等級提高到特殊等級，將剪力墻底部未加筋部分提高到一級。設計中，下部配筋區墻體橫向和縱向分布配筋的最小配筋率提高到0.35%，其他部位剪力墻的最小配筋率提高到0.3%。

（4）對于結構的重要構件，如下剪力墻，根據規定的抗震性能目標，采用小地震和中地震計算結果中的最大值進行構件設計。例如，在下筋區發生大地震時，不滿足剪壓比要求的墻柱采用鋼截面放置，地震中偏心應力較小的墻體為放置與鋼部分。

（5）在約束邊緣構件層與上部構造邊緣構件層之間設置1 層過渡層。

（6）對于少數剪力過大的連梁，應適當增加連梁的周向比和腰部配筋，并按《高規》9.3.8 的要求，內管連梁應設置斜筋對角線。跨高比小于2，高比小于1 的連梁采用交叉支撐，滿足強剪弱彎抗震概念設計要求。

（7）對于薄弱部位和重要構件，采用比規范更嚴格的加固結構，提高結構在罕見地震作用下的抗震能力，嚴格控制豎向構件的軸壓比，提高結構的最小抗壓比.剪力墻約束鋼筋邊緣構件，最小體積環比。

（8）中心管外跨度走廊樓板應采取加固措施：樓板厚度不小于130mm，雙層雙向加固，各方向配筋率不小于0.25%，在局部應力較大的地方應根據計算結果增加配筋。并控制鋼筋的拉力，確保地震時樓板剪力得到有效傳遞，提高結構的整體抗震性能。

（9）對結構進行彈塑性動力分析，得到的最大層間位移角滿足規范限值要求，發現結構體系相對薄弱的部位。在施工圖階段，對局部破壞整體剛度的墻體單元，加強約束邊緣單元的加固和墻體單元的豎向和水平分布。

5 結語

總而言之，受到地震作用與風荷載的影響，采用軟件分析方式，使各式指標保持一致，框架—核心筒結構構建保持在彈性階段，其承載能力和變形能力可以滿足建筑規范的要求。在頻繁地震和風荷載作用下，PKPM 和YJK 兩款軟件分析的指標基本一致；結構構件處于彈性階段，承載能力和變形能力滿足現行規范要求。在設防烈度地震作用下，下部配筋部位的剪力墻和柱處于不撓曲狀態，可以滿足“中震可修”的抗震性能指標。在罕見地震作用下，結構層間彈塑性位移和位移角滿足規范限值要求，結構主要抗側力構件未受到嚴重破壞；能達到“不遭受大地震”的抗震性能指標。可見，該結構在抗震性能指標設定的規定地震動下，滿足各等級抗震性能的要求，安全、可靠、合理，符合規范要求。