性能化抗震設計在鎮江南徐超高層辦公樓結構設計中的應用

朱貝寶

（上海城鄉建筑設計院有限公司，上海201103）

性能化抗震設計在鎮江南徐超高層辦公樓結構設計中的應用

朱貝寶*

（上海城鄉建筑設計院有限公司，上海201103）

性能化抗震設計是未來結構抗震設計發展的基本趨勢，以鎮江南徐超高層辦公樓為例，介紹了超高層結構設計中性能目標的選擇，抗震性能目標的實現。同時重點論述了在性能化抗震設計中所需的計算分析和工程判斷，找出結構的薄弱部位，并采取有針對性的抗震加強措施，這些是性能化抗震設計的重點和目的。其經驗可供相關類似超高層結構設計參考。

超高層，性能化抗震設計，多遇地震，彈塑性時程分析

1 性能化抗震設計的基本概念

性能化抗震設計或者說基于性能的抗震設計是20世紀90年代由美國科學家和工程師首先提出的，簡稱PBSD（Performance Based Seismic Design）。其基本思想是以結構抗震性能分析為基礎進行結構設計，即針對每種設定的設防水準將結構的抗震性能劃分為不同的等級，結構工程師根據業主的要求，采用合理的抗震性能目標和合適的抗震措施進行結構設計，使結構在各種地震作用下所造成的破壞程度，是業主預先選擇并可接受的。基于性能的抗震設計，是結構抗震設計方法的一種發展趨勢，我國89版抗震規范的設計方法和步驟己經具有性能設計的雛形，《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2001）和《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 3—2002）在概念設計、性能控制要求上又有進一步發展和具體化。最新版《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 3—2010）更是明確提出了結構抗震性能設計的主要內容和抗震性能目標選擇的依據。同時在《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》（建質［2010］109號）中也對超限高層結構提出了性能設計方面的具體要求和具有可操作性的指導意見。

由此可見，目前基于性能的抗震設計在復雜和超限高層建筑結構設計中的應用不僅是可行的，同時也是必要的，下面就以筆者最近完成的鎮江南徐超高層辦公樓為例，闡述基于性能的抗震設計在超高層結構設計中具體應用情況。

2 工程概況

地塊位于鎮江市南徐新城，主要由1棟超高層辦公樓（A樓）、1棟高層辦公樓（B樓）及1棟商業用房（C樓）組成。A、B、C塔樓由一個大底盤車庫連為一體。其中，A號樓為超高層建筑，地下2層，地上38層，結構高度為164.60 m（屋面），停機坪結構高度為170.40 m，為當地標志性建筑。

本項目A塔樓超高層建筑的結構形式采用框架-核心筒結構，標準層結構平面尺寸約為47.8 m×38.8 m。鋼筋混凝土核心筒平面尺寸為27.70 m×13.65 m，外框架柱采用勁性型鋼鋼筋混凝土柱，框架梁采用鋼筋混凝土普通梁。標準層結構布置如圖1所示。

圖1 標準層結構平面（單位：mm）Fig.1 Plan view of a standard story（Unit：mm）

3 性能目標和相應性能水準的確定

建筑物抗震設計的性能目標指某一設定地震地面運動（如在給定年限內超越概率63%、10%和2%～3%的小震、中震和大震）下建筑的預期性能水準。建筑物的性能水準包括結構、非結構和建筑附屬設施的性能水準的各種組合。

如前所述，本工程超高層辦公樓的地上主屋面高度164.60 m，地下室共2層，埋深11.50 m。按照《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010）的要求，大于130 m屬于高度超限。根據《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 3—2010），該結構體系B級高度的建筑最大使用高度為180 m，因此，本工程歸為B級高度高層建筑，屬于高度超限的高層結構。

同時在考慮偶然偏心影響的規定水平力作用下，扭轉位移比大于1.20，最大為1.28，因此，屬于扭轉不規則；另外底部存在局部躍層空間，造成二層樓板有一定范圍的缺失。

由此可見，本工程超高層辦公樓超限項次較多，在結構設計中需要采取抗震性能化設計方法。根據《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 3—2010）第3.11節要求可確定主樓抗震性能目標為D級，但對于其中重要的豎向構件和關鍵性構件有必要提出更高的性能水準要求：

（1）在多遇地震下（小震），結構計算各項指標均要求滿足規范要求，并要求二層樓板的主拉應力不大于混凝土抗拉強度，使結構構件處于彈性工作狀態。

（2）在設防烈度地震下（中震），對底部加強區剪力墻和穿層柱抗剪按中震彈性設計，抗彎按中震不屈服設計。同時詳細分析剪力墻在設防烈度地震作用下的拉力，墻體名義拉應力大于混凝土抗拉強度標準值時應設置型鋼（主要在核心筒四角）。

（3）在預估的罕遇地震下（大震），按VGE＋復核核心筒的受剪截面，并要求結構薄弱層的層間位移角不大于1／100。

4 本項目抗震性能分析論證

4.1 結構計算參數及計算工具

根據地質報告、《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010）、安評報告及該工程結構抗震設計專家論證會的建議確定如表1參數。

表1 本項目結構抗震設計參數Table 1 Seism ic design parameters of the structure

本超高層辦公樓結構設計計算主要采用PKPM2010-SATWE和ETABS（中文版9.7.4）兩個三維空間分析軟件進行對比分析。大震下的彈塑性分析采用了EPDA和PUSH軟件分別進行了靜力彈塑性分析和動力彈塑性分析。

4.2 多遇地震下的彈性分析

4.2.1結構動力特性

超高層辦公樓結構主要動力特性列于表2，由該表可見，兩個程序計算結果基本一致，結構第一、二周期均為平動周期，第三周期為扭轉周期，結構扭轉為主的第一自振周期T3與平動為主的第一自振周期T1之比小于0.85，具有較好的抗扭剛度。

表2 結構動力參數Table 2 Structural dynam ic parameters

4.2.2樓層底部剪力

地震作用下樓層底部剪力見表3，但樓層水平地震剪力小于規范規定的樓層最小地震剪力值，在計算時程序已自動根據規范《建筑抗震設計規范》中第5.2.5條進行了調整。

表3 樓層底部剪力Table 3 Bottom floor base shear

4.2.3結構位移角與位移比

在小震和風荷載作用下主樓層間位移角滿足規范的要求。在小震作用下，樓層位移比較平滑，沒有明顯突變，形狀為典型的“彎剪型”變形，符合框筒變形規律。另外局部樓層最大位移比超過1.20（考慮5%偶然偏心），但在1.4之內，也滿足規范要求，如表4所示。

4.2.4結構樓層彎矩

小震下最大樓層彎矩見圖2（僅列出X向），從圖中可看出SATWE和ETABS計算結果的一致性較高，結構樓層彎矩下大上小，沿豎向變化均勻，滿足要求。

表4 結構位移角與位移比Table 4 Displacement angles and displacement ratios

圖2 樓層彎矩（X向）Fig.2 Floor bendingmoment（X direction）

4.3 多遇地震下的彈性時程分析

本工程在滿足地震動三要素（即頻譜特性、有效峰值和持續時間）的基礎上擬從中選取統計意義上吻合最好的7條波，進行彈性時程分析。經反復試算和篩選，選用了7條地震波（其中2條為人工波，其余5條為自然波），按雙向輸入地震波（雙向加速度最大值按1∶0.85的比例），其反應譜與《建筑抗震設計規范》的規范譜對比統計見圖3。從圖3可見，對樓層地震反應影響較大的前3個周期上，影響系數誤差在－9%與35%之間，多組時程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相差最大為19%，在20%以內，可以認為適用。

同時每條時程曲線計算所得的基底剪力均不小于振型分解反應譜法計算結果的65%，且不大于它的135%，7條時程曲線計算所得基底剪力的平均值不小于振型分解反應譜法計算結果的80%，且不大于它的120%，滿足規范相關要求。

4.4 設防烈度地震下的分析

4.4.1設防烈度地震下位移角的復核

設防烈度地震作用下結構性能整體指標計算模型采用推覆模型。本次計算采用的EPDA＆PUSH程序，結構模型為三維空間模型，梁、柱、墻均采用纖維桿模型。圖4、圖5為該結構在設防烈度地震下X向、Y向性能點整體指標。由圖4、圖5可知，在中震下，最大樓層位移角為X向：1／383，Y向：1／311，滿足設定的性能目標1／283要求。

圖3 規范譜與地震波譜對比圖Fig.3 Comparison between the standard spectrum and seismic spectra

圖4 X向中震下性能點整體指標Fig.4 Performance point duringmedium scismicity in X direction

圖5 Y向中震下性能點整體指標Fig.5 Performance point duringmedium seismicity in Y direction

4.4.2設防烈度地震下底部加強部位核心筒剪力墻受剪承載力復核（按中震彈性驗算）底部加強部位核心筒剪力墻及門廳穿層柱受剪承載力按中震彈性進行設計，滿足《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 3—2010）中式（3.11.3-1）的要求，該式如下：

根據該式剪力墻受剪承載力按中震彈性設計時其剪應力不大于0.4ft／γRE（ft為混凝土抗拉強度設計值；γRE承載力抗震調整系數，對剪力墻為0.85），即素混凝土部分的抗剪能力。荷載組合取γG（1.0D＋0.5L）＋γEh（1.0E中震）。底層混凝土強度等級為C60，ft為2.04 MPa，0.4ft／γRE為0.96 MPa。設計采用PKPM-SATWE軟件中的中震彈性設計進行計算。計算的結果表明底層核心筒剪力墻受剪承載力計算配筋基本由中震控制。

4.4.3設防烈度地震下底部加強部位核心筒剪力墻正截面承載力復核（按中震不屈服設計）

底部加強部位核心筒剪力墻及門廳穿層柱正截面承載力按中震不屈服進行設計，即按中震控制其拉應力不大于混凝土的抗拉強度標準值ftk，確保其不出現受拉裂縫；截面配筋設計時按中震不屈服配置暗柱的縱向受拉鋼筋。荷載組合取1.0D＋0.5L＋1.0E中震。

中震不屈服計算SATWE結果表明，穿層柱及核心筒墻體的拉應力絕大部分小于2.85 MPa。即滿足正截面承載力中震不屈服的要求，只是在核心筒四角拉應力稍大于2.85，為提高底部加強區核心筒四角剪力墻的抗拉承載力，在底部加強區對核心筒剪力墻四角配置工字形型鋼。經計算在核心筒四角加設該型鋼后的其拉應力均小于混凝土拉應力標準值（2.85 MPa），因此底部加強區剪力墻在四角加設型鋼后能滿足中震不屈服（正截面承載力）的要求。

4.5 預估罕遇地震下的分析

4.5.1預估罕遇地震下核心筒墻體截面控制條件的復核

預估罕遇地震下，應按《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 3—2010）中式（3.11.3-4）復核核心筒墻體的受剪截面控制條件。

因大震下底層墻體所受剪力最大，可代表性地僅對底層墻體進行復核，計算結果表明，在大震下該結構核心筒墻體的受剪截面滿足截面限制條件，不會發生脆性受剪破壞。

4.5.2預估罕遇地震下靜力彈塑性分析

本超高層辦公樓的第一自振周期為3.85 s左右，結構高度大于150 m，但小于200 m，第一平動與第一扭轉的周期比小于0.85，按新版《高層建筑混凝土結構技術規程》3.11.4和5.5.1條的規定可視結構自振特性和不規則程度選擇大震下靜力彈塑性分析或動力彈塑性分析，本項目先采用靜力彈塑性分析，再進行動力彈塑性分析，并作比較。

圖6、圖7為該結構在預估罕遇地震下X向、Y向性能點整體指標。由圖6、圖7可知，在預估罕遇地震下，最大樓層位移角為X向：1／176，Y向：1／171；滿足設定的性能目標1／100要求。

圖6 X向大震下性能點整體指標Fig.6 Performance point during rare seismicity in X direction

圖7 Y向大震下性能點整體指標Fig.7 Performance point during rare seismicity in Y direction

4.5.3預估罕遇地震下彈塑性動力時程分析

彈塑性動力時程分析方法是考慮結構的彈塑性性質，通過直接輸入天然或人工地震波的方式來得到結構在罕遇地震下的破壞情況，考察結構是否滿足罕遇地震作用下的彈塑性變形要求。

根據《建筑抗震設計規范》5.1.2條，進行罕遇地震下彈塑性動力時程分析時，所采用的地震加速度時程的最大值對應于本超高層辦公樓為310 cm／s2。同時根據《高層建筑混凝土結構技術規程》，彈塑性時程分析時宜采用雙向地震輸入，當進行雙向地震計算時，主、次、豎向峰值加加速度的比值為1∶0.85∶0。

該工程場地土為Ⅱ類場地土，其對應的特征周期T＝0.35 s，根據《建筑抗震設計規范》5.1.4條，計算罕遇地震時，特征周期取Tg＝0.40 s，選擇地震波RH3TG040、TH2TG040、USER8（sgs）三條波（其中RH3TG040為人工波）進行計算。各波下結構層間彈塑性位移角（罕遇地震下）如表5所示，由該表可知彈塑性動力時程分析結果和地震波具有一定的相關性，但均滿足設定的性能目標1／100要求。

表5 層間彈塑性位移角Table 5 Inelastic displacement angles

4.5.4預估罕遇地震下結構彈塑性分析結論

根據以上分析可得到如下幾點認識：

（1）采用矩形加載模式，中震和大震下的基底剪力與彈性中震及彈性大震的比較情況見表6。其中，小震結果考慮了地震周期折減系數0.82。

表6 基底剪力比較Table 6 Base shear com parision

（2）由表6可見，因結構彈塑性發展而降低了地震作用，降低幅度中震為4%～7%，大震為15%～24%。

（3）柱以截面剛度破壞程度指數γ0為0.7來判斷，從小震至大震均未出現“鉸”，可見從小震到大震未發生明顯的彈塑性發展。

（4）連梁作為第一道防線在接近中震后首先屈服，屈服數量逐漸擴大。

（5）罕遇地震下，最大樓層位移角X向：1／181，Y向1／176，滿足設定性能目標1／282和1／100的性能目標要求。

（6）推覆分析的位移—荷載曲線表明，大震步之前結構整體剛度退化均勻，曲線沒有明顯拐點，具有較好的抗震能力和安全儲備。

（7）推覆結果表明，采用前述確定的抗震等級等措施，按SATWE計算得到的計算結果可保證結構達到中震和大震的性能目標。

（8）從結構形成塑性鉸的構件及其順序來看，彈塑性動力時程分析基本與靜力彈塑性分析的結果一致。

5 結 論

本工程超高層辦公樓結構形式比較規則，主要是高度超限，屬B級高度高層建筑。在局部樓層部分樓板缺失，造成部分柱（共4根）成為穿層柱。

設計中針對上述問題采取了相應措施，并對主要構件提出了較高的抗震性能目標。

SATWE分析結果表明結構整體行為比較規則，整體參數滿足規范要求。采用SATWE和ETABS兩個軟件對比了主要分析結果，結果比較接近。采用SATWE進行彈性時程分析，并且與反應譜分析進行了對比。

采用EPDA＆PUSH進行靜力彈塑性分析，結構彈塑性發展符合該類結構體系的一般規律，且達到了預定的性能目標。主要構件的驗算結果表明，結構滿足抗震性能目標要求。

需要指出的是，對照抗震性能驗算結果，不僅完全滿足D級性能等級的目標，而且達到和接近C級性能等級目標。

該項目已于2012年7月通過了江蘇省住房和城鄉建設廳主持召開該工程結構抗震設計專家論證會的論證，并與同年11月份完成了施工圖設計。

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［8］ 陳建興，姜文偉，穆為.Pushover分析在性能抗震設計中的應用［J］.結構工程師，2008，24（3）：81-86.Chen Jianxing，Jiang Wenwei，Mu Wei.Application of pushover analysis in performance based seismic design［J］.Structural Engineers，2008，24（3）：81-86.（in Chinese）

Application of Performance-based Seism ic Design in Structural Design of an Ultra-high O ffice Building in Nanxu Zhengjiang City

ZHU Beibao*
（Shanghai Chengxiang Architectural Design Institute Co.Ltd.，Shanghai201103，China）

The performance-based seismic design is an important seismic designmethod in recent years.This method was used in structural design of an ultra-high office building in Nanxu Zhengjiang City.The selection and achievement of seismic performance objectives of the structure and the calculation analysiswere discussed in the paper.Calculations and engineering judgments were first provided to locate weak positions of the structure.Corresponding strengtheningmeasures were taken，which were the the main considerations in the performance-based seismic design.

ultra-high building，performance-based seismic design，frequently occurred earthquake，elasticplastic time-history analysis

2013－09－07

*聯系作者，Email：allyzxf＠163.com