南昌某超限高層建筑結構設計與分析

蔣波，劉凱，許秋華，洪成，符凱

（1.江西省建筑設計研究總院集團有限公司, 南昌330099；2.南昌工程學院，南昌330099；3.江西省土木建筑學會，南昌330099）

1 工程概況

本工程總建筑面積93 996.5 m2。 地上總建筑面積75 568.13 m2，地下建筑面積18 428.37 m2。建筑總高度（室外地面至大屋面）為37.050m，為高層塔樓，建筑層數6 層，為A級高度的高層建筑。 設計使用年限為50 年， 基本風壓為0.45 kN/m2，基本雪壓為0.45 kN/m2，結構阻尼比取5%。 本工程采用框架-剪力墻結構體系。 建筑效果圖見圖1。

圖1 建筑效果圖

2 結構布置情況

建筑主樓通過設置抗震縫將分為A 塔、B 塔和C 塔3 個獨立的結構抗震單元。 其中，A 塔和C 塔是鋼筋混凝土結構，B 塔為鋼結構。 本文以C 塔為例。 剖面圖如圖2 所示。

圖2 C 塔剖面圖

C 塔塔樓結構外圍尺寸99 m×61 m， 平面形狀接近矩形，結構采用框架-剪力墻結構體系。 主樓C 塔的柱距較為均勻，除局部位置外均為9 m×9 m 柱網， 故本工程框架柱采用鋼筋混凝土柱。 主樓A 塔樓屋面荷載較大， 樓面荷載一般均在0.6～1.5 kN/m2,且除局部外跨度均為9 m×9 m 柱網。 考慮到使用的舒適性及經濟性，故決定框架梁采用鋼筋混凝土梁。 平面圖如圖3 所示。

圖3 C 塔平面圖

3 結構超限情況及抗震性能化目標

本工程存在以下3 項不規則情況：扭轉不規則、樓板不連續、局部有躍層柱。

超限部分為抗震設防類別為乙類的框架-剪力墻結構，破壞形態為彎剪型，綜合考慮建筑的功能、重要性和規模等各種因素，確定主樓抗震性能目標為D 級，在滿足性能目標D 的基礎上，根據構件重要性計算從嚴控制，針對不同構件制定的不同的性能水準（見表1 和表2）用以指導結構構件設計。

表1 抗震性能化目標表

表2 各性能水準結構預期的震后性能狀況

4 結構抗震計算

4.1 多遇地震彈性分析

根據JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結構設計規程》（以下簡稱《高規》5.1.12 條規定，本工程結構計算采用PKPM 和盈建科YJK 兩個結構分析軟件進行整體計算，并進行對比分析[1]。根據 《高規》5.1.13 條規定計算時考慮平扭耦聯計算結構的扭轉效應，偶然偏心單向地震作用及雙向地震作用。 多遇地震作用下及風荷載作用下主要計算結果見表3。

表3 多遇地震作用下及風荷載作用下主要計算結果

根據表3 可以看出，按振型分解反應譜法計算得到的數據均滿足規范的要求，結果基本一致,結構構件均處于彈性狀態。說明本工程結構遇“小震”時可以達到“不壞”的設防目標。

4.2 彈性時程分析

彈性時程分析時選取1 條人工波（ArtWave-RH1TG035）和2 條 天 然 波 （Chi-Chi，Taiwan-05_NO_2959 和Chi-Chi，Taiwan-03_NO_2469）作為時程分析的地震波曲線。 3 組地震波持續時間依次為13.9 s、43.4 s、22.4 s，對上述3 條波進行時程分析時，需要對其進行修正，將各條波的小震時程加速度峰修正為18 cm/s2，大震時修正為125 cm/s2。 規范譜與反應譜對比圖如4 所示。 基底剪力比較見表4。

表4 基底剪力比較

表4 列出了各條波以及平均值與CQC 法的基底剪力比較結果。 從圖4 可以看出，本工程所選的3 條波的平均地震影響系數曲線與振型分解反應譜法所用的地震影響系數曲線相比，在對應于結構主要振型的周期點上不相差20%。

圖4 規范譜與反應譜對比圖

經過對3 條波X，Y 向的層間剪力曲線， 彎矩曲線和最大層間位移角曲線綜合分析表明，3 條波計算的各層剪力曲線變化形式各不相同， 但3 條波的層剪力平均值曲線和CQC 法計算的層剪力曲線底部變化形式一致， 數值差異不大。 根據規范要求，對于層剪力采用彈性時程分析最大值與CQC 法的較大值進行設計。 根據彈性時程分析結果，CQC法分析時各樓層的地震剪力地震乘以上述放大系數即可完成包絡設計。

4.3 中、大震等效彈性分析

按結構抗震性能目標要求，使用YJK 軟件進行中震是否能夠達到抗震性能水準4 和大震是否能夠達到抗震性能水準5 的要求進行復核，并與小震結果取包絡設計。A 塔小震彈性、中、大震等效彈性分析的計算結果比較見表5。

表5 計算結果

分析結果表明：在設防烈度地震作用下，由YJK 軟件計算結果顯示關鍵構件和框架梁的正截面承載力均未出現超配筋的情況，即滿足中震不屈服、抗剪承載力滿足中震彈性的要求，說明結構在設防烈度地震（中震）作用下能達到預期的性能目標。

本塔樓按彈性方法計算的結構層間位移角限制為1/800。從計算結果可以看出，在中震作用下，結構變形小于2 倍彈性位移限值，在大震作用下結構變形不大于4 倍彈性位移限值，結構變形在中、 大震作用下均能滿足預設的抗震性能水準的要求。

4.4 動力彈塑性時程分析

本工程選用了 PKPM-SAUSAGE 的兩組天然波TH016TG040_CHI-CHI TAIWAN-03 9-20-1999 TCU073（下文簡 稱 “ 天 然 波 一”）、TH047TG040_CORINTH GREECE 2-24-1981 CORINTH（下文簡稱“天然波二”）和一組人工波RH3TG040 （下文簡稱 “人工波”）， 共3 組地震波， 采用SAUSAGE 軟件進行了罕遇地震作用下的彈塑性時程分析。本次罕遇地震作用下的彈塑性時程分析地震峰值加速度取125 cm/s2。

通過對比各地震波X 與Y 向大震彈塑性與大震彈性的結構頂部位移時程曲線圖可以發現X 方向與Y 方向的大震彈塑性最大基底剪力相比大震彈性最大基地剪力有所減少，這表明結構大震下吸收和耗散了較大的地震能量， 說明結構具有良好的耗能性能和減震性能。

各組地震波大震彈塑性時程分析作用下結構最大頂點位移及最大層間位移角見表6。

表6 各組地震波大震彈塑性時程分析作用下結構最大頂點位及最大層間位移角

C 塔樓天然波一作用下計算的結果最不利X 向最大層間位移角達到1/235（7 層），人工波一作用下計算的結果最不利Y 向最大層間位移角達到1/320 （7 層）， 均小于彈塑性層間規范限值（1/100），該工程在大震下的變形滿足要求。

按照《抗規》大震下性能4 結構層間位移參考指標——結構不嚴重破壞，變形不大于0.9 倍塑性變形值，即層間位移角不大于0.9×1/100=1/111[2]。 3 條地震波結果表明結構抗震能力在大震下可以滿足性能目標4 的要求。

4.5 樓板損傷

如圖5 所示，樓板在大震作用下表現較好，僅僅在開洞等處出現了極少輕微損傷，其余無損傷，可以保證大震下水平力良好的傳遞，起到有效地協調豎向構件變形的作用。

圖5 各層樓板損傷分布圖及損傷圖例

4.6 剪力墻損傷

如圖6 所示全樓剪力墻在大震作用下大部分完好，少量出現輕度（輕微）損壞。 剪力墻連梁在大震作用下出現了較嚴重破壞，充分發揮了其耗能構件的作用。 滿足抗震性能水準5的要求（《高規》）。

圖6 人工波剪力墻損傷分布圖及損傷圖例

4.7 框架損傷

如圖7 和圖8 所示， 全樓框架柱基本未出現塑性鉸，僅在屋面以上構架層柱根部極少量出現。 框架柱承載力足夠，未出現明顯損傷。 全樓僅局部框架梁端部出現極少量塑性鉸，均處于IO（即刻使用狀態），且未出現明顯損傷；大懸挑（斜撐）及大跨框架梁均未出現塑性鉸，充分說明框架抗震性能良好。

圖7 人工波框架損傷分布圖

圖8 框架塑性鉸圖

5 針對超限情況采取的措施

1）嚴格按規范要求控制框架柱軸壓比、剪壓比。

2）加大底部兩層框架梁、柱、框架剪力墻及墻端柱、關鍵構件（懸挑梁、躍層柱）配筋可以達到大震下的輕度、輕微損壞或無損壞狀態的目標。

3）對大洞口邊弱連接的板采取雙層雙向配筋，保證大震下水平力的有效傳遞，起到有效地協調豎向構件變形的作用。

6 結語

本工程建筑對整體結構及構件進行了分析， 依據不同性能目標，進行了抗震分析。 對各層樓板，框架和剪力墻進行了專項分析。 計算及研究分析結果表明， 結構滿足規范提出的“小震不壞、中震可修、大震不倒”的要求。 結構體系安全可行，合理有效[3]。