超高層寫字樓結構抗震設計分析

矯良健JIAO Liang-jian

（重慶市設計院有限公司，重慶 400000）

1 工程概況

金融城6 號項目位于重慶市江北嘴中央商務區(qū)A06號地塊，北面為建設中的高檔住宅江北嘴壹號院·東苑，南面為建設中的高檔寫字樓俊豪ICFC 金融中心，西面為已建成運營的江北嘴金融城3 號項目，東面為已建成運營的IFS國際金融中心。項目緊鄰江北城北大街及軌道六號線和九號線換乘站江北城站，并與軌道1#出口直接相連，地理環(huán)境優(yōu)越且交通便捷。

本文介紹其中3#塔樓，為高檔寫字樓，地上共44 層，建筑高度200 米。

2 3#塔樓針對性設計措施

2.1 塔樓柱加強措施

①3#塔樓下部1/4 高度的樓層，塔樓柱采用型鋼混凝土柱。

②外框柱，柱軸壓比按0.80 控制，配筋按一級構造措施控制。

③L1～L2 外框柱（通高11.2 米），柱軸壓比限制較規(guī)范減小0.1，按0.75 控制。體積配箍率不小于1.5%，全高加密，箍筋直徑不小于14。縱筋配筋率不小于1.5%。

④3#樓VIP 辦公區(qū)局部通高柱（通高9.6 米），體積配箍率不小于1.2%，全高加密，箍筋直徑不小于12，縱筋配筋率提高0.1%。

⑤屋面大跨處柱，全高加密，體積配箍率不小于1.2%，箍筋直徑不小于12，縱筋配筋率提高0.1%。

⑥凈高與柱寬之比小于4 的柱，體積配箍率不小于1.2%，并全高加密。

2.2 筒體加強措施

①筒體剪力墻軸壓比按0.55 控制。

②底部加強區(qū)，筒體四角約束邊緣構件配筋率按1.45%控制，其余外墻按1.35%控制，內墻按1.3%控制，配箍特征值0.24，外墻分布筋按0.4%控制，內墻按0.35%控制。

③其余區(qū)域，筒體四角均設置約束邊緣構件，其余區(qū)域設置構造邊緣構件，筒體四角配筋率按1.4%控制，配箍特征值0.2，其余外墻配筋率按1.2～0.9%控制（樓層往上逐步減小），內筒配筋率按1.1%～0.8%控制（樓層往上逐步減小）。外墻分布筋按0.4%控制，內墻按0.3%控制。

2.3 其他加強措施

①筒體內板厚120mm，配筋按雙層雙向拉通配置，最小配筋率為0.25%；

②塔樓平面四個角部采用雙向梁系，角部區(qū)域雙層雙向配筋，配筋率不小于0.3%，鋼筋直徑采用8，間距不大于150。

3 3#樓結構的單、多塔模型對比分析

3.1 振周期及振型特性

表1 3#樓塔樓周期（多塔模型與單塔模型）

3.2 樓層的位移和位移角

從計算結果可以看出，單塔和多塔的計算模型周期及位移結果吻合較好。3#塔樓裙房以上樓層在單，多塔模型的計算結果差異較小。

3.3 單多塔分析小結

從計算結果可以看出，單塔和多塔的計算指標結果（周期、位移等）結果吻合較好。可見塔樓裙房以上樓層在單，多塔模型的計算結果差異較小，可以滿足計算要求的。因此3#塔樓在后續(xù)超限分析中采用單塔模型為代表是可行的。在施工圖設計中，塔樓裙房以上采用單塔和多塔的計算結果包絡值作為配筋依據(jù)，裙房以下采用多塔整體模型進行設計。

4 3#樓小震彈性振型分解反應譜法計算結構的主要控制指標

4.1 3#樓周期和振型

分別計算3#塔樓結構的前27 個周期振型，列出塔樓結構的前6 個振型的周期值和振型描述：

如表2 所示，兩個軟件計算的周期振型接近，第一扭轉周期Tt 與第一平動周期的比值Tt/T1 滿足《高規(guī)》（JGJ 3-2010）的要求。

表2 3#樓周期振型統(tǒng)計表

可以看出二者計算結果相近，規(guī)律性一致。根據(jù)抗震規(guī)范（GB50011-2010）5.2.5 條，剪重比應達到0.64%（X向），0.67%（Y 向）。而計算剪重比分別為0.59%（X 向），0.62%（Y 向）。配筋設計時，各樓層地震剪力相應放大以滿足規(guī)范剪重比要求。

4.2 3#樓水平作用下結構的位移

表3 3#樓樓層層間位移角結果

由以上結果可知，地震作用下，樓層豎向構件最大位移（或層間位移）與平均值之比，在裙房以上樓層最大1.20。兩個方向最大層間位移角滿足規(guī)范限值（1/1000）。

4.3 3#樓樓層剛度比，抗剪承載力比

從計算結果可知，YJK 和Midas 計算的樓層側向剛度的分布規(guī)律一致，各層側向剛度與相鄰上層側向剛度的比值均滿足規(guī)范要求。抗剪承載力比值，均大于0.75，滿足規(guī)范要求。除轉換層及屋頂電梯機房部位外，結構各層抗剪承載力沿高度變化均勻，無明顯薄弱部位。

4.4 3#樓振型分解反應譜法計算總結

采用YJK 及MIDAS兩軟件進行對比計算。兩者小震反應譜計算結果十分接近，規(guī)律相同。各計算結果數(shù)值上滿足規(guī)范要求。由于層高及墻肢變化的原因，局部樓層剛度及受剪承載力有波動。底部加強部位剪力墻設為關鍵部位，設計將進行加強。后續(xù)設計將以YJK 計算結果為依據(jù)。

5 3#樓結構小震彈性時程反應分析

5.1 3#樓地震波選取

按《建筑抗震設計規(guī)范》（GB50011-2010）的規(guī)定，時程分析所采用的加速度時程曲線，“其平均地震影響系數(shù)曲線應與振型分解反應譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計意義上相符”，根據(jù)本工程結構周期，場地類別以及本工程的抗震設防標準，選出5 條天然地震波和2 條人工地震波。彈性時程分析采用YJK 進行計算分析。從對比結果中可以看到，7 條地震波平均地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應說是譜法所用的地震影響系數(shù)曲線相比，在在前三階振型的周期點上相差不大于20%，統(tǒng)計意義上相符，滿足規(guī)范要求。

5.2 3#樓結構小震彈性時程分析總結

在進行彈性時程分析的階段中，主要是采取7 條地震波開展計算的。待計算環(huán)節(jié)通過相關的參數(shù)比分析，相關的平均底部的剪力和振型分解產生的計算結構均達到的相關標準要求。時程分析表明：1#樓在X 向7 條時程波計算的樓層底部剪力平均值能夠在一定的范圍上對計算值反應出來，其計算值為89%；在Y 向計算的樓層底部剪力平均值分別為反應譜的計算值98%。

在進行施工圖設計的過程中，考慮到結構穩(wěn)定性，針對地震作用的效應振型分解反應普法以及7 條波時程法計結果，則需要按照包絡值進行設計。

6 3#樓大震動力彈塑性時程分析

本報告通過大震作用下的動力彈塑性分析，擬達到下述目的：

①對整體結構的相應情況進行評價。采取基底等參數(shù)，對其塑性的開展程度進行評價；

②對計算結構的整體變化情況進行分析，對結構中存在的測量變形情況進行評價；對結構層的變化情況進行全面計算，針對軟弱層與薄弱層進行評價（根據(jù)結構層位移的角度進行比較）；

③對抗側構建的損傷分布進行評價（包含了框架梁柱、剪力墻損傷信息與發(fā)展程度的信息），對抗側力在遇到作用時其性能水準是否達到要求。

分析軟件：選用YJK 軟件對結構進行彈塑性動力時程分析。基于鋼筋混凝土結構額單元參數(shù)需要按照彈性計算的結構與相關的規(guī)范要求進行鋼筋配置。

模型簡化：因彈塑性動力時程分析時間長，計算工作量大，對計算模型做了適當?shù)暮喕幚恚簞h除了裙房部分。

3#樓地震波的選擇：

《高規(guī)》第5.5.1 條第6 款規(guī)定：進行動力彈塑性計算時，地面運動的加速度時程的選取、預估罕遇地震作用時的峰值加速度取值以及計算結果的選用應符合該規(guī)程

4.3.5 條的規(guī)定。

第4.3.5 條主要要求有：

①選擇3 組或是選擇7 組地震波進行。

②針對地震波產生的“有效持續(xù)時間”不能夠小于于周期的5 倍，且時間不能超過15 秒。

③分析可知，相關多組地震時曲線的平均地爭影響曲線值與采取的統(tǒng)計方法相同。相關條文中對統(tǒng)計意義的解析方向為：相對于結構主要的振周期位置點相差值≤20%

按照上述選擇出來的資料進行分析，各個組波的彈性參數(shù)值均存在一定的特征值。相關剪力參數(shù)見表4 中分析。

表4 1#樓各條地震波彈性時程剪力與彈性振型分解反應譜的剪力對比表

7 3#樓罕遇地震彈塑性時程分析主要計算結果

大震彈塑性時程與彈性時程計算基底剪力對比如表5。

表5 大震彈塑性時程與彈性時程計算基底剪力對比表

以人工波為例，對比基底剪力的彈性與彈塑性時程曲線，如圖1、圖2 所示。

圖1 X 向底部剪力時程曲線

圖2 Y 向底部剪力時程曲線

以人工波為例，對比頂點位移的彈性與彈塑性時程曲線，如圖3、圖4 所示。

圖3 X 向屋面位移時程曲線

圖4 Y 向屋面位移時程曲線

計算結果顯示，罕遇地震作用下，結構周期有一定程度的增長，結構剛度出現(xiàn)部分退化。結構底部彈塑性地震剪力較彈性地震剪力有一定減少，說明罕遇地震作用下因為上部塔樓部分構件的屈服，發(fā)生塑性變形，有效的耗散了地震能量，結構彈塑性剪力出現(xiàn)滯后現(xiàn)象。隨著地震的作用，兩主方向下結構彈塑性位移時程比彈性時程從基本重合到有明顯的滯后，表明結構的損傷逐漸發(fā)展導致結構變柔，周期延長的現(xiàn)象。

X 向地震作用時的樓層最大層間位移角為1/201（29層），Y 向地震作用時的樓層最大層間位移角為1/221（29層），滿足規(guī)范大震下彈塑性位移角不大于1/133 的限值，而且也滿足水準4 性能目標1/163 的限值。

夠形成較好的耗能機制。綜合結構層位移及層間位移角指標，驗證了在大震下，結構整體塑性發(fā)展程度有限，無明顯薄弱層，結構體系中的各構件均能達到性能目標的要求。

人工波1 的總內能、框架柱內能、框架梁內能及墻柱內能曲線如下圖，從圖中可以看出，梁從開始到最后所占耗能比例最高，其次是墻柱、框架柱。說明結構在地震作用下，主要是連梁耗能，耗能受力機制合理，滿足抗震設計原則要求。

8 價值結果

本項目1～7#為超高層結構，采用了框筒結構體系。并針對結構特點采取了一系列抗震計算及抗震構造加強措施，同時采用兩個有效的程序進行計算，其計算結果可信且滿足規(guī)范要求。利用動力彈塑性時程分析驗證了結構在地震作用下有良好的抗震性能，達到了預期的抗震性能目標。