框架-核心筒結構抗震性能化設計

金奇峰

(北京維拓時代建筑設計股份有限公司, 北京 100025)

深圳冰雪酒店項目位于深圳市寶安區南環路南側，其總面積為4.90萬m2。地下2層為辦公區和設備用房，地下1層為酒店廚洗區域及部分設備用房；地上共計24層，建筑物主要屋面高度99.8 m，首層為酒店大堂及會所門廳，2～5層分別設計酒店的核心筒、酒店宴會廳及廚房、家具房、會議、KTV、健身、水療及一系列酒店機房；6～23層為酒店客房標準層；24層為會所層，會所層上層屋面為酒店所用機房及水箱，酒店效果圖如圖1所示。該結構有多向不規則，屬于超限結構。為滿足結構的安全性，參照國內類似工程，并考慮結構的經濟學，設定本工程抗震性能目標。根據超限情況，提出加強措施，通過大量計算分析，探究了該結構在地震作用下的抗震性能。

1 結構方案

1.1 結構主要設計參數

結構抗震設防烈度為7度(0.10g)，設防類別為丙類，安全等級為二級，設計地震分組為第一組，III類場地，設計基準期為50a。嵌固端為地下一層頂板，底部加強區為首層和2層，地下2層結構抗震構造措施對應的抗震等級為三級，地下1層及上部結構抗震等級為框架與剪力墻均為二級，轉換構件抗震等級為一級。地面粗糙度A類，基本風壓為w0=0.75 kN/m2，進行承載力設計時采用1.1倍的基本風壓，體型系數1.3，風振系數按規范規定取值，地基基礎設計等級為甲級。

1.2 結構布置

酒店結構形式為框架-核心筒結構體系，抗側力體系由核心筒和框架2個部分組成。酒店與周圍裙房商業分開，建筑平面呈長方形，結構主體的平面尺寸為48.8 m×31.8 m，主體結構高寬比2.05；核心筒部分的平面尺寸為25.7 m×8.7 m，核心筒的高寬比為8.68。酒店部分結構計算模型如圖1所示，客房標準層結構平面布置圖如圖2所示。6層至頂層外框架梁為500 mm×800 mm，內部梁高為750 mm；2～5層外框梁高為900～950 mm，內部梁高800～900 mm；首層外框梁高為1 300 mm，內部梁高900 mm～950 mm。結構的核心筒外墻厚自下而上由500 mm減小至300 mm。外圍框架柱變截面設計，自下而上由900 mm×1 600 mm減小至600 mm×900 mm。

圖1 酒店部分結構計算模型

圖2 酒店準層結構平面布置

2 超限情況及抗震性能目標

7度(0.1g)區框架-核心筒結構A級最大適用高度為130 m，故酒店高度不超限。酒店部分結構高寬比為2.05，滿足規范要求，高寬比未超限。首層辦公大堂根據建筑功能需要結構樓板開洞，有效樓板寬度小于該層樓板寬度的50%，超過規范限制，且局部形成越層柱。結構地上6層有豎向轉換，上下柱不連續，屬于超限。且結構有2層層高修正的側向剛度比值小于0.9，不滿足規范要求，形成剛度突變。綜上分析，結構有3項不規則，故判定為超限結構[1]。

針對超限情況，采取應對措施：

(1)提高轉換柱的抗震等級，混凝土柱軸壓比不超過0.75，通過對軸壓比的限制來提高柱的延性。同時轉換柱采用箍筋直徑不小于12 mm，采用井字復合箍，箍筋全高加密，間距不大于100 mm，箍筋肢距不大于200 mm。

(2)嚴格控制底部加強區剪力墻軸壓比不超過0.5，以此來提高底部加強區剪力墻的延性。

(3)核心筒的連梁及抗剪超筋的連梁配置對角斜向鋼筋。

(4)樓蓋外角按規范要求配置雙層雙向鋼筋，范圍不小于3 m和外框架至內筒外墻中距的1/3，而且單層單向配筋率不低于0.3%，對于斜柱轉換部位及相鄰上下層的樓板加厚至180 mm，并提高樓板配筋率。

(5)首層頂開洞部位板厚增大至130 mm，采用雙層雙向配筋，配筋率控制為不低于0.25%。

依據本工程的超限特點，結合結構概念設計[2]，考慮社會和經濟等因素，并參照國內類似項目，設定本項目的抗震性能目標。結構抗震性能目標總體定為D級[3, 4]，相應的抗震性能在多遇、設防、罕預地震下分別為1、4、5水準，抗震性能目標以及性能水準設定如表1所示。

表1 抗震性能目標與性能水準

3 結構計算分析

3.1 計算程序及計算假定

結構整體計算采用PMSAP與YJK 2種分析程序進行多遇地震分析，同時采用YJK對結構在多遇地震下進行彈性時程分析，該結構在大震作用下的彈塑性時程分析采用了SAUSAGE分析軟件。結構整體指標計算分析過程中采用剛性樓板假定；周期折減系數取為0.90，振型參與質量系數控制大于90%，阻尼比取為為0.05，采用考慮扭轉耦連的CQC法，計算結果如表2所示。

表2 計算結果對比

通過計算結果對比可以看出，YJK和PMSAP在多遇地震下的分析結果基本一致，說明采用的分析模型得到的結構特性是正確的，采用的模型能夠準確分析結構性能。

3.2 多遇地震下的彈性時程分析

結構在多遇地震下的彈性時程分析[5]程序采用YJK，選取5組真實地震加速度記錄與2組與規范反應譜符合的人工模擬加速度時程，地震加速度的最大值35 cm/s2，2方向加速度時程峰值的比為1∶0.85。表3為進行彈性時程分析所得到的結構基底剪力。

由分析結果可知，每組波作用下的基底剪力均大于反應譜法所得基底剪力的65%，并且7組波的平均值不小于反應譜法的80%，地震波的選取滿足JGJ3-2010《高層建筑混凝土結構技術規程》(以下簡稱《高規》)的要求。

結構彈性時程分析得到的層間位移角見圖3。X向的最大層間位移角平均值是1/1913，Y向是1/1805，均小于規范限制1/800。分析所得的結構樓層剪力如圖4所示，彈性時程分析所得的層間剪力平均值小于CQC法計算結果，故本工程無需對CQC法計算結果進行放大。

3.3 設防地震及罕遇地震下結構構件驗算

采用YJK軟件對結構進行中震抗彎抗剪不屈服(關鍵構件)和中震滿足剪壓比要求(普通豎向構件)計算分析。 分析模型與多遇地震所用模型一致，采用等效彈性分析方法，荷

表3 多遇地震下的基底剪力

圖3 層間位移角曲線

圖4 最大樓層剪力曲線

載分項系數取值為1.0，材料強度采用標準值，不考慮風荷載組合，連梁剛度折減系數取為0.3，周期折減系數1.0，結構阻尼比取為0.06，地震作用影響系數取值為0.23。

分析結果顯示：結構關鍵構件的抗震承載力滿足《高規》式(3.11.3-3)的要求，關鍵構件在中震時滿足抗彎抗剪不屈服的性能目標；結構普通豎向構件的斜截面滿足《高規》式(3.11.3-4)的要求，說明普通豎向構件在中震時滿足剪壓比限制條件。

采用YJK軟件對結構進行罕遇地震作用下分析，采用等效彈性分析方法，大震分析時不進行地震內力調整，材料強度采用標準值，荷載分項系數取值為1.0，不考慮風荷載組合，連梁剛度折減系數0.3，周期折減系數1.0，結構阻尼比0.07，地震作用影響系數取值為0.5。

分析結果顯示：底部加強區剪力墻和框架柱的承載力滿足《高規》式(3.11.3-3)的要求，關鍵構件在大震時滿足抗彎抗剪不屈服的要求。普通豎向構件斜截面滿足《高規》式(3.11.3-4)的要求，說明普通豎向構件在大震時符合剪壓比限制條件。

4 罕遇地震下結構彈塑性時程分析

采用SAUSAGE軟件對結構進行大震作用下的彈塑性時程分析，進而來研究結構在大震下的破壞模式和結構特性。

為計算罕遇地震作用，重新選擇3條地震波，其中1條為人工波，2條為天然波。輸入主方向加速度峰值為2.20 m/s2，次方向為1.87 m/s2，按照加速度2.20 m/s2對結構進行彈性時程分析分析，結果表明：3條波的平均值不小于反應譜法的80%，并且每條波作用下的基底剪力均大于CQC法所得到基底剪力的65%，選波滿足規范要求。

4.1 阻尼耗能

SAUSAGE彈塑性時程分析的基底剪力如表4所示，罕遇地震的峰值加速度與多遇地震的峰值加速度之比為6.28，罕遇地震下動力彈塑性時程分析的基底剪力與多遇地震下CQC法計算的基底剪力之比，在X向及Y向最大值分別為4.2和3.99，均明顯小于6.29，表明結構中的部分構件剛度退化[6]；罕遇地震作用下的附加阻尼比與能量曲線如圖5～圖7所示，結構彈塑性變形的阻尼比均值約為2.3%，綜上可知，罕遇地震下作用下，結構發生塑性變形，結構中的部分構件剛度退化，結構阻尼比隨之增大，耗散了地震輸入的部分能量。

表4 罕遇地震與多遇地震下(CQC法)基底剪力對比

圖5 天然波- TH121-附加阻尼比與能量曲線

圖6 天然波- TH057-附加阻尼比與能量曲線

圖7 人工波- RH1-附加阻尼比與能量曲線

4.2 結構損傷

罕遇地震作用下結構損傷情況如圖8所示，底部加強區以上筒體較多的輕微或輕度損壞，底部加強區筒體發生輕微損壞，框架柱基本無損壞，多數框架梁端部形成塑鉸，發生中度損壞；連梁損壞損壞比較嚴重；結果表明，罕遇地震作用下，連梁受彎屈服耗能，合理設置一定數量的連梁，有利于保護豎向承重構件，核心筒能更好地發揮第一道抗震防線[8]的作用；框架梁端部形成塑性鉸，耗散了部分地震輸入的能量，框架柱基本處于彈性狀態，外框架發揮了二道防線的作用。結構形成多道防線，關鍵構件和普通豎向構件滿足性能化目標的要求，結構抗震性能良好，結構布置合理。

圖8 框-筒結構損傷圖

4.3 層間位移角

結構在罕遇地震作用下最大彈塑性層間位移角值為：X向是1/156，Y向為 1/154，均小于大震作用下彈塑性層間位移角限值 1/110，結構設計符合規范限值要求。

5 重要構件補充分析

穿層柱2層或多層通高，側向約束弱，計算長度比其他柱大，為結構的關鍵部位。本項目首層大堂為2層通高，形成穿層柱，如圖9所示。根據穿層柱周圍相似的非穿層柱的地震剪力與該穿層柱地震剪力的比值，得到剪力放大系數K，在YJK前處理中單獨指定穿層柱的剪力系數，使得穿層柱剪力合理放大，根據計算結果可以對穿層柱配筋，箍筋全高加密，縱筋和箍筋需通長范圍內配置。

圖9 首2層穿層柱

6 結論

本工程屬于超限結構，通過不同地震作用下的分析，可以看出，結構布置合理，結構采用的抗震加強措施有效。在多遇地震作用下，結構尚處于彈性狀態，結構整體指標符合的規范限值要求；在設防地震作用下，結構的關鍵構件滿足抗彎抗剪均不屈服的要求，同時普通豎向構件滿足剪壓比限值要求；罕遇地震下結構彈塑性層間位移角符合規范限值要求，關鍵構件和普通豎向構件滿足大震下的性能目標；綜上所述，結構薄弱部位的加強措施有效，結構可以滿足預先設定的性能目標，抗震性能良好，結構設計合理。