一種帶轉換雙塔超高層結構抗震性能化設計
作者：鄭曉敏
1 工程概況及超限情況
某大底盤雙塔結構位于深圳市南山區(qū)后海附近，由兩棟結構高度為159. 64m，總層數(shù)為45層的超高層住宅及25.65m高的4層商業(yè)裙房構成。住宅南、北塔平面分別呈L形和凹形，建筑總平面圖見圖1，結構模型見圖2，在商業(yè)裙樓頂部（4層）對塔樓核心筒以外的剪力墻進行了轉換，以保證下部商業(yè)的建筑功能。該工程抗震設防烈度為7度(0.1g)，地震設計分組為第一組，場地土類別為Ⅲ類。
結構典型樓層平面布置如圖3所示，塔樓5層
以上結構抗側力體系由剪力墻構成，標準層戶型墻厚300~ 500mm，豎向交通筒因建筑開洞整體性較差，且筒平面細長（Y，向高寬比達19.7），抗側效率較低，設計時將長邊加厚至600mm，在轉換層以下局部加厚為800~900mm，以發(fā)揮Y，向翼緣效應。住宅戶型內最大梁高600mm，凸窗及落地窗梁高800mm。下部商業(yè)樓層梁高900mm，轉換梁高2 200mm，柱截面尺寸最大1 400mm X1 400mm，部分轉換梁、框支柱采用型鋼混凝土截面。
考慮到下部商業(yè)功能要求框支柱整齊排列，塔樓個別剪力墻采用了二次轉換方法，通過轉換次梁承托上部剪力墻并將荷載傳遞至轉換主梁，同時在次梁垂直方向設置連系梁共同受力，使轉換結構協(xié)調變形、協(xié)同受力，增加了冗余度和抗震防線。
在南塔中存在較短的轉換梁段，導致截面抗剪較難滿足且梁段難以形成延性屈服機制，為解決該問題設置了加腋柱，如圖4所示，利用斜腋類似斜柱的受力特點改變節(jié)點的傳力路徑和受力機理，短梁段受剪傳力路徑轉變?yōu)樾币篙S向受力，上部墻體的荷載可更為直接地傳遞至框支柱。
本項目存在四項不規(guī)則項，如表1所示，針對塔樓扭轉不規(guī)則，通過加強外圍構件，并在平面突出戶型布置剪力墻來減小整體和局部扭轉效應；針對塔樓平面凹凸不規(guī)則，在凸出部位增大墻厚、柱截面及梁高，提高平面局部凸出部位的剛度，并加大與平面整體連接部位的樓板厚度，保證樓層整體協(xié)調變形；加厚轉換層及裙房屋面樓板至180mm，并進行樓板應力分析和樓板開洞優(yōu)化調整。工程采用性能化設計方法，分別進行了等效彈性和大震彈塑性時程分析，對包括底部加強區(qū)剪力墻、框支柱、轉換梁在內的關鍵構件進行了中震、大震抗震性能目標的驗算。
2 性能目標
針對本工程的超限項目，在進行多遇地震下彈性分析的同時，根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》(GB50011-2010)中對結構提出的“小震不壞，中震可修，大震不倒”的抗震設防目標，采取了結構抗震性能化設計�？拐鹦阅苣繕税凑铡陡邔咏ㄖ炷两Y構技術規(guī)程》( JGJ 3-2010)（簡稱高規(guī)）第3. 11節(jié)內容取為C級，結構各類構件抗震性能目標如表2所示。
3 小震驗算
分別采用SATWE和MIDAS Building軟件進行了小震、風荷載作用下的計算，主要計算結果見表3。由表3可知，計算所得的各項指標均表現(xiàn)良好，滿足規(guī)范相關要求。
4 中震驗算
針對本項目設定的抗震性能目標，采用SATWE軟件對構件中震作用下的承載力進行復核，驗證結構是否滿足所設定的抗震性能目標。計算采用等效彈性方法，分別進行中震彈性和中震不屈服分析，地震動參數(shù)如表4所示。
4.1墻柱拉力
中震作用下個別墻柱肢出現(xiàn)拉力，見圖5，不考慮配筋及型鋼的貢獻，按截面平均應力計算，北塔最大拉應力為0.04MPa，南塔最大拉應力為1.11MPa，均小于C60混凝土抗拉強度標準值2.85MPa，考慮配筋和型鋼后抗拉能力將進一步增大。
4.2墻柱不屈服及彈性驗算
按高規(guī)要求塔樓剪力墻配筋率取底部加強區(qū)0.4%，非底部加強區(qū)0.25%，分別進行中震不屈服和中震彈性驗算，所得剪力墻暗柱、墻身及柱子配筋率均在合理范圍內，表明墻柱截面設計合理，能夠滿足中震性能目標。
4.3關鍵構件抗剪截面驗算
提取中震彈性計算結果對轉換層框支柱、剪力墻及轉換梁進行抗剪截面驗算，構件編號如圖6所示，各構件的驗算結果如圖7所示。由圖7可知，轉換層框支柱、剪力墻及轉換梁不僅能夠滿足中震抗剪彈性的性能目標，還存在較大富余，特別是框支柱，這主要與塔樓中存在較多被轉換的剪力墻相關，結構須滿足整體剛度需求，還須滿足轉換層上下剛度比要求，以及框支框架與核心筒承擔傾覆力矩比例的要求，保證框支樓層具有可靠的抗震二道防線。
4.4轉換梁驗算
采用細分殼單元對轉換梁進行中震應力分析，基于應力結果對其抗彎不屈服和抗剪彈性進行復核，中震轉換梁拉應力分布如圖8所示。由圖8可知，最大拉應力分布于梁支座處，應力分布規(guī)律符合結構受力特點，未見截面受剪破壞的應力分布特點，表明截面抗剪滿足受力需求；轉換梁受拉區(qū)應力小于lOMPa，局部節(jié)點應力集中區(qū)域應力在10~14MPa范圍內，根據(jù)高規(guī)配筋率要求進行復核后轉換梁可滿足抗彎不屈服的性能目標。
4.5轉換梁節(jié)點應力分析
本工程住宅南塔轉換層存在半跨轉換，且上部承托134m高剪力墻，導致局部轉換梁剪跨比較小，截面抗剪較難滿足。為解決該問題，采用設置型鋼混凝土加腋柱的方法，并將柱內型鋼鋼板與轉換梁鋼板連通，加腋起到改善傳力路徑和增加節(jié)點抗剪承載力的作用，如圖4所示。為復核其在中震下是否滿足所設定的抗震性能目標，采用ABAQUS建立典型節(jié)點的精細有限元模型，型鋼采用殼單元，混凝土采用實體單元，在中震下該節(jié)點的應力結果如圖9所示�；炷梁托弯摰膽Ψ植继攸c表明，轉換梁、柱的傳力路徑與設計目標較為一致�；炷晾瓚ψ畲笾捣植加谵D換梁底部（約SMPa），按照高規(guī)對特一級轉換梁最小配筋率的要求即可滿足受拉需求，局部混凝土最大壓應力約25MPa，小于C40混凝土抗壓強度標準值26. 8MPa，梁、柱型鋼均未屈服，表明加腋柱的設計方案能夠滿足所設定的中震抗剪彈性、抗彎不屈服的性能目標。
采用加腋柱后，柱內存在沿斜腋方向的軸向內力，該內力由下層梁板(梁截面800×900，板厚120mm)共同受拉平衡。中震作用下該節(jié)點加腋柱柱底的水平分力為2 800kN，相當于梁縱筋配筋率1%時的抗拉承載力，在考慮翼緣協(xié)同受力的情況下，抗拉能力將進一步提高，表明與加腋柱相連的下層梁、板能夠滿足平衡水平拉力的需求，且有一定的安全儲備。
5 大震驗算
5.1關鍵構件抗剪截面驗算
對于大震下框支柱、底部加強區(qū)剪力墻、轉換梁的抗剪截面驗算采用等效彈性方法，驗算結果如圖10所示。由圖10可知，關鍵構件所承受的剪力均小于截面抗剪承載力，表明抗剪截面在滿足規(guī)范要求的同時還存在一定的安全儲備。
5.2關鍵構件塑性開展分析
為掌握大震作用下的結構性能狀態(tài)和塑性開展，采用ABAQUS程序建立精細有限元模型，如圖11所示。剪力墻、樓板、轉換梁及連梁等構件均采用殼單元模擬。選擇兩組天然波和一組人工波進行罕遇地震彈塑性時程分析，主次方向地震波峰值比為1：0. 85，地震波持續(xù)時間為25s，主方向地震波峰值為220gal。
結構整體計算指標如表5所示，在考慮幾何、材料非線性條件下，大震下塔樓最大頂點位移為0. 65m，結構最終仍能保持直立，滿足“大震不倒”的設防要求；南、北塔最大層間位移角分別為X向1/197，1/188，y向1/145，1/127，均小于規(guī)范限值1/100。考慮到結構總體反應指標以天然波2最大，故以該地震波計算結果為例對關鍵結構大震性能狀態(tài)進行評估�？蛑е翱蚣苤炷潦軌簱p傷分布如圖12所示，由圖12可知，除頂部個別部位存在輕微的受壓損傷外，結構柱基本完好。底部加強區(qū)剪力墻混凝土受壓損傷分布如圖13所示，由圖13可知，塑性開展主要集中在洞口連梁部位，主體受力墻肢基本完好，表明結構具有較好的塑性耗能機制。轉換梁混凝土受壓損傷分布如圖14所示，由圖14可知，兩棟塔樓轉換梁基本保持完好，僅南塔局部出現(xiàn)輕微損傷。塔樓標準層樓板僅在洞口附近出現(xiàn)點狀受壓損傷，屬輕微損傷，如圖15所示。
對大震下的構件塑性發(fā)展進行整理可見，連梁為最先屈服的構件，其次為框架梁端部，在塔樓頂部鞭梢效應下局部剪力墻和框架柱出現(xiàn)輕微塑性開展，主體受力墻、柱、轉換梁基本完好，構件塑性開展符合塑性設計概念。
為使轉換層樓板即裙房屋頂具有通透的建筑效果，建筑初始方案設置了大面積狹長開洞，導致洞口端部樓板及開洞中部的三道連系樓板成為受力集中部位，樓板整體性較差，在大震下發(fā)生了明顯的剪切破壞，如圖16所示。經與建筑專業(yè)溝通，在滿足建筑效果前提下對開洞方案進行了調整優(yōu)化，如圖17所示，采用等效彈性方法進行大震樓板應力分析，結
果表明樓板受力顯著改善，如圖18所示，最大壓應力小于C40混凝土受壓強度標準值(26. 8MPa)，中庭處樓板最大拉應力約5MPa，換算為樓板受拉鋼筋，相當于配筋率為1. 25%，配筋率在合理范圍內，表明樓板能夠滿足所設定的抗震性能目標。
6 結論
結合本項目結構特點和超限項目，選取抗震性能目標C級，分別進行了小震、風荷載作用及中震、大震作用下的彈性、等效彈性、彈塑性分析，主要結論如下：
(1)采用兩種程序進行小震、風荷載作用下的結構計算，結構各項指標均滿足規(guī)范要求。
(2)采用等效彈性方法對底部加強區(qū)剪力墻、轉換梁、框支柱等關鍵構件進行了中震不屈服和彈性驗算，各構件均滿足所設定的中震性能目標。
(3)采用等效彈性方法對中震作用下南塔加腋柱轉換梁節(jié)點進行實體有限元應力分析，節(jié)點傳力機理符合設計預期，計算應力小于結構配筋換算應力，滿足所設中震性能目標。
(4)采用等效彈性方法對底部加強區(qū)剪力墻、轉換梁、框支柱進行大震抗剪截面驗算，并采用彈塑性時程分析方法對結構的大震塑性開展進行分析，結構各項指標均滿足規(guī)范要求，構件屈服順序合理，塑性開展程度滿足大震性能目標要求。
(5)對轉換層樓板即裙房屋面進行大震應力分析，在滿足建筑需求前提下根據(jù)初始方案樓板塑性損傷結果對開洞方案進行調整優(yōu)化，確保了轉換層樓板的整體性并達到設定的抗震性能目標。
7[摘要] 深圳某項目為由兩棟超高層住宅塔樓及底部商業(yè)裙房構成的大底盤雙塔結構，兩棟塔樓整體平面分別成L形和凹形。該項目除結構高度超限外，尚存在扭轉不規(guī)則、凹凸不規(guī)則、尺寸突變、豎向構件不連續(xù)等不規(guī)則項。采用等效彈性方法對結構關鍵構件進行了中震不屈服和中震彈性驗算，采用ABAQUS程序對結構進行了罕遇地震彈塑性動力時程分析，對結構整體性能狀態(tài)和關鍵構件的塑性開展進行了研究。結果表明，項目各關鍵構件滿足所設定的抗震性能目標，結構具有良好的抗震性能。
