某超限高層建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計（建筑）
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某超限高層建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計（建筑）
李 毅，王華輝，韓 平，王 楊，孫建超，夏榮茂
（中國建筑科學(xué)研究院，北京100013）
[摘要]本工程寫字樓為辦公建筑，結(jié)構(gòu)高度169. 1m，采用框筒結(jié)構(gòu)。針對結(jié)構(gòu)超高、樓板局部大開洞、局部穿層柱及核心筒外側(cè)墻體取消帶來的扭轉(zhuǎn)不利影響等超限特點，采取相應(yīng)加強措施，并采用多個分析軟件進行多遇地震反應(yīng)譜分析，同時對結(jié)構(gòu)進行抗震性能化設(shè)計、彈性時程分析和罕遇地震作用下彈塑性時程分析。計算分析結(jié)果表明，采取相應(yīng)措施后，各項指標均滿足規(guī)范要求且滿足設(shè)定抗震性能目標要求，結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能。
[關(guān)鍵詞]超限高層建筑；抗震性能目標；彈塑性時程分析；結(jié)構(gòu)設(shè)計
[中圖分類號] TU972+．9
1 工程概況
本工程位于江西省贛州市章江新區(qū)中心，建筑主要功能為辦公、商業(yè)及地下停車庫等。本工程地下室與先期建設(shè)的華潤大廈及萬象城在地下連為一體，地上設(shè)縫分開獨立建設(shè)，建筑地上42層，地下3層，建筑檐口高度為169. 1m，其中首層、二層為商業(yè)，其余樓層為辦公，建筑效果圖與剖面圖見圖1、圖2。
本工程抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)防分組為第一組，設(shè)計基本地震加速度0. 05g，場地類別為II類，抗震設(shè)防類別為丙類，基本風(fēng)壓為0.3 k N/m2，地面粗糙度類別為C類，設(shè)計使用年限50年，建筑物安全等級為二級。
2 結(jié)構(gòu)設(shè)計
2.1 基礎(chǔ)及地下室設(shè)計
本工程根據(jù)結(jié)構(gòu)布置、樓層與荷載情況，并結(jié)合地勘報告及前一期的工程經(jīng)驗，主樓核心筒下為樁筏基礎(chǔ)，主樓其余部分與純地下室均采用柱下獨立樁基+抗水板，塔樓核心筒下筏板厚度3. 0m，塔樓核心筒外底板厚度為1. 2m；純地下室部分底板厚度0. 6m。樁長10m~14m不等，樁端進入中風(fēng)化泥巖4m~ 8m。地下室采用混凝土梁板結(jié)構(gòu)，首層樓板厚度為200m~ 300mm不等。
2.2上部結(jié)構(gòu)設(shè)計
主樓結(jié)構(gòu)地上42層，混凝土核心筒伸至171. 5m高度，大屋面結(jié)構(gòu)標高為165. 9m，結(jié)構(gòu)類型為框架．核心筒結(jié)構(gòu)。樓蓋采用混凝土梁、板體系。本工程塔樓標準層平面較為規(guī)則，為典型框架。核心筒結(jié)構(gòu)，標準層平面見圖3。結(jié)構(gòu)二層局部樓板大開洞，局部形成穿層柱。為了滿足建筑功能要求，結(jié)構(gòu)在第14層及以上時核心筒最南側(cè)墻體取消，30層及以上層核心筒最北側(cè)墻體取消，14層~ 30層結(jié)構(gòu)形成核心筒墻體不對稱分布。
2.3 結(jié)構(gòu)超限項及特點
本工程結(jié)構(gòu)高度為B級高度，主要超限項為高度超限，由于14層~ 30層核心筒南側(cè)墻體取消引起扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，同時二層局部樓板大開洞，局部有穿層柱。本工程為超限高層建筑。
3 結(jié)構(gòu)彈性分析與計算
針對本工程超限特點，設(shè)計中采取了必要的措施，并且進行了相應(yīng)的計算分析，主要按以下兩個層次進行：
1)整體結(jié)構(gòu)小震彈性分析（振型分解反應(yīng)譜法）
首先進行整體結(jié)構(gòu)小震彈性分析，采用兩套獨立的程序（SATWE和ETABS）進行計算分析并對比其結(jié)果，確保整體結(jié)構(gòu)的各項指標滿足規(guī)范要求。
2)整體結(jié)構(gòu)小震彈性時程分析
采用SATWE程序進行小震彈性時程分析。
3.1 抗震設(shè)計動參數(shù)選取
根據(jù)場地安評報告，本場地的地震基本烈度為6度，場地設(shè)計抗震加速度為0. 05g，設(shè)計地震分組為第一組�？辈靾龅丶坝绊懛秶鷥�(nèi)，四周較平坦開闊，無古河道、古墓，無滑坡、泥石流、地下采空區(qū)、砂土液化、軟土震陷及塌陷區(qū)等不良地質(zhì)作用。
從圖4可以看出，安評譜的地震影響系數(shù)曲線全部在規(guī)范譜曲線之上，安評譜影響系數(shù)在各個周期點上均大于規(guī)范譜，因此，多遇地震作用下，本工程在承載力、位移計算時取安評相關(guān)參數(shù)，中震及大震性能設(shè)計的參數(shù)按照規(guī)范取值。
3.2 多遇地震下振型分解反應(yīng)譜計算分析
采用對結(jié)構(gòu)進行反應(yīng)譜分析，并采用SATWE和ETABS進行對比計算分析，結(jié)構(gòu)周期、層間位移角，位移比基底剪力，傾覆力矩等指標計算結(jié)果基本一致，SATWE計算結(jié)果見表2和表3。
從X向地震樓層位移比分布圖與剛心分布圖可以看出，由于在14層~ 30層取消B軸處X向核心筒墻肢，在30層及以上層取消F軸處X向核心筒墻肢，所以剛心位置沿Y向發(fā)生變化。因此取消最外側(cè)墻體引起結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，對結(jié)構(gòu)抗震造成不利影響。
多遇地震下振型分析反應(yīng)譜計算結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)各項整體指標均滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)體系是可行的。
3.3彈性時程分析
采用SATWE程序進行彈性時程分析，根據(jù)場地安評報告提供的地震波，選取3條地震波，包括1條人工波、2條天然波，分別為人工波、天然波TR1和天然波TR2，分別從X、Y向進行輸入，峰值加速度取18. 43 cm/s2（安評報告加速度峰值）。X、Y向3條波中每一條的基底剪力都大于反應(yīng)譜法基底剪力的65%，平均基底剪力大于反應(yīng)譜法基底剪力的80%，滿足規(guī)范對時程分析地震波的要求。地震記錄頻譜分析見圖7。
由樓層剪力曲線（圖8、圖9）可以看出，結(jié)構(gòu)X方向在34至頂層大于反應(yīng)譜(CQC)分析結(jié)果，最大值為在進行小震反應(yīng)譜計算時的1. 20倍，y方向在34層至頂層的部分地震波的時程分析樓層剪力大于CQC分析結(jié)果，最大值為在進行小震反應(yīng)譜計算時的1.15倍，應(yīng)按反應(yīng)譜和時程分析結(jié)構(gòu)取包絡(luò)進行設(shè)計，對X方向相應(yīng)樓層剪力放大1. 20倍，Y方向放大1. 15倍后進行設(shè)計。
4 結(jié)構(gòu)抗震性能目標
根據(jù)該結(jié)構(gòu)超限情況及抗震超限審查意見，本工程抗震設(shè)防性能目標應(yīng)設(shè)定為C，細化如表4所示。
5超限設(shè)計加強措施
核心筒底部加強部位高度取至第6層，主要墻體和框架柱按中震不屈服設(shè)計。核心筒外墻水平及豎向分布筋配筋率在1層～6層提高至0. 40%，7層～8層設(shè)置過渡層。
由于二層局部樓板大開洞，為保證地震力傳遞，并對整層樓板進行加強，樓板厚度采用200mm，雙層雙向配筋，截面每個方向單側(cè)配筋率不小于0. 30%。X向地震作用下，第13層核心筒位于B軸處的剪力墻承擔的水平剪力為結(jié)構(gòu)底部總水平剪力的46%，超過《高規(guī)》第8.1.7條單片剪力墻承擔剪力不得超過30%的限制要求，因此在第13層南側(cè)外框架處局部設(shè)置支撐，使核心筒墻肢的剪力減小到底部剪力的30%以下。該層B軸處的剪力墻按（計算時不考慮斜撐）大震不屈服設(shè)計且墻體水平分布筋提高至1. 2%，豎向分布筋提高至1.0%，并向下延伸兩層，本層該處墻體與支撐相連區(qū)域的樓板厚度采用200mm，雙層雙向配筋，截面每個方向單側(cè)配筋率不小于0. 30%。
對于底部加強區(qū)的墻體，進行中震作用下的拉應(yīng)力驗算與大震作用下的抗剪截面驗算。核心筒主要墻肢中震組合工況作用下均未出現(xiàn)拉應(yīng)力；核心筒主要墻肢滿足大震作用下的抗剪截面控制條件。
6 罕遇地震彈塑性時程分析
結(jié)構(gòu)罕遇地震彈塑性時程分析采用PKPM-SAUSAGE軟件，根據(jù)抗震規(guī)范要求選取3組地震波，包括1組人工波、2組天然波（分別為人工波、天然波TRH1和天然波TRH2）。根據(jù)選出的3組（包含兩方向分量）地震記錄、采用主次方向輸入法（即X、Y方向依次作為主次方向），其中兩方向輸入峰值比依次為1：0. 85（主方向：次方向），主方向波峰值取為125gal。主要計算分析結(jié)果見圖10~圖13。
從大震彈塑性時程分析結(jié)果可知：
1)6度罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件僅出現(xiàn)輕微損傷，且最大層間位移角未超過1/100的要求，滿足規(guī)范“大震不倒”的要求。
2)6度罕遇地震作用下，連梁大部分破壞，說明在罕遇地震作用下，連梁形成了鉸機制，發(fā)揮了屈服耗能作用，符合抗震概念設(shè)計。
3)6度罕遇地震作用下，剪力墻在10層～13層南側(cè)外墻出現(xiàn)局部受壓損傷和剪力墻底部出現(xiàn)受拉損傷，框架柱在頂部出現(xiàn)局部受拉損傷，但豎向構(gòu)件鋼筋未達到屈服應(yīng)力，完全能夠滿足本工程設(shè)定的性能目標要求。
4)6度罕遇地震作用下，第14層樓板局部出現(xiàn)受拉和受壓損傷，但樓板鋼筋未達到屈服應(yīng)力，說明本工程采取的超限措施完全能夠保證樓板能夠滿足大震下傳遞水平力要求。
7 結(jié)論與建議
本工程采用的主體結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布均勻，剛度分布基本合理，結(jié)構(gòu)體系合理可行；同時結(jié)構(gòu)滿足“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設(shè)防目標，并達到本工程所設(shè)定的性能目標要求。
本工程由于建筑功能需要，核心筒在第14層局部變化引起結(jié)構(gòu)剛度變化，雖然通過采取加強措施，改善剛度變化帶來的不利影響，但這種剛度突變對結(jié)構(gòu)抗震十分不利且不經(jīng)濟，因此在超高層建筑確定方案時，尤其是在高烈度地區(qū)，應(yīng)盡量避免采用這種核心簡單側(cè)收進方案。
