某裝配式超限高層的抗震設計分析

朱 慧

(中國建筑上海設計研究院有限公司，上海 200062)

1 工程概況

本工程項目位于上海市某區，主要為酒店、商業、高層辦公樓和地下車庫。地上主要由以下建筑組成：1棟15層酒店，4棟27層辦公塔樓，1棟3層辦公及6棟3層建筑商業街區,地下為整體地下室。地下1層、2層主要用途為地下汽車庫，設備用房，配套用房等。本文僅對高層辦公塔樓作詳細闡述。

高層辦公樓地上27層，建筑高度均為95.2 m。1層層高5.4 m，為架空層，2層～27層層高3.45 m，均為辦公用房。根據建筑使用功能要求，結合建筑平面布置特點，采用裝配整體式剪力墻結構(見圖1)，以滿足整體結構的抗側和抗扭剛度要求，使得結構具有較好的抗震性能。本項目為兩層地下室，均為普通混凝土梁板式；整體上，地下室設計中利用主樓上部結構落下來的剪力墻、地下室外墻與純地庫框架共同組成框架—剪力墻結構體系，使得主樓地下1層相關范圍內的抗側剛度不小于主樓地上1層抗側剛度的1.5倍，地下室頂板厚度取值不小于180 mm，覆土區域頂板厚不小于250 mm，從而滿足地下室頂板作為上部各單體嵌固端的剛度要求。本工程均采用樁基礎，采用先張法預應力直徑500混凝土管樁。

本工程抗震設防烈度7度，設計基本地震加速度峰值為0.10g，建筑場地類別Ⅳ類，設計地震分組為第二組，特征周期Tg=0.90 s(多遇地震、設防烈度)、1.1 s(罕遇地震)。

2 結構超限情況及設計難點

高層辦公樓高度為95.2 m，大于 60 m小于120 m，屬于A級高度高層建筑。平面布置規則對稱，側向剛度和承載力沿豎向均勻變化，僅一項偏心率超限。

平面和立面都是規則的。

根據DGJ 08—0—2013建筑抗震設計規程中表7.1.3的規定，預制混凝土抗震墻結構房屋的最大適用高度不宜大于60 m。本項目高層辦公樓高度為95.2 m，鑒于上述情況，根據《上海市超限高層建筑抗震設防管理實施細則》(滬建建[2003]第0702號)，本項目高層辦公樓需進行抗震設防專項審查。

高層辦公樓采用裝配整體式剪力墻結構，除底部加強區外，其余剪力墻均為預制剪力墻，層與層之間的剪力墻通過灌漿套筒連接，若剪力墻在地震力作用下存在拉應力的話，灌漿套筒將不能很好地連接層與層的剪力墻，為了保證結構的安全性，補充該結構在中震作用下的分析。結果顯示，中震作用下，部分樓層的兩側剪力墻中存在拉應力，若對于中震受拉剪力墻，均不采用預制墻，則本子項預制率達不到40%預制率要求。因此，將部分中震作用下拉力較小的剪力墻做預制墻，具體如下：對于拉應力大于0.2ftk的剪力墻，均采用現澆剪力墻；對于拉應力不大于0.2ftk的剪力墻，采用預制剪力墻，同時控制預制剪力墻中豎向短筋的鋼筋拉應力小于0.3ftk，確保混凝土和鋼筋都處在較低的受拉應力狀態。

3 結構計算分析與比較

3.1 整體計算對比

表1 結構指標對比結果

根據規范要求，對于高度超過60 m的預制混凝土抗震墻高層建筑結構，應采用至少兩個不同力學模型的結構分析軟件進行整體計算。因此，本工程采用中國建筑科學研究院的PKPM系列軟件SATWE,PMSAP及北京盈建科軟件有限責任公司編制的結構計算軟件YJK-A進行對比計算。結構指標對比結果如表1所示。

通過表1可以看出,YJK,SATWE和PMSAP計算結果所反映的結構的振動特性及動荷載作用下的響應基本規律一致,僅數值上存在細微差異。計算的有效質量系數均在90%以上,結構的總質量、剪重比、兩方向的地震作用力均相近；計算周期相近,周期比小于0.85；位移控制指標按《高層建筑混凝土技術規程》3.7.3條規定及DGJ 08—0—2013建筑抗震設計規程規定5.5.1條控制，最大層間計算位移角均小于1/1 000的限值及嵌固端以上一層最大層間計算位移角均小于1/2 500的限值。

3.2 彈性時程分析對比

按照高規(JGJ 3—2010)4.3.4條規定，7度高度超過100 m的高層建筑或含豎向不規則的高層建筑應采用時程分析法進行多遇地震下的補充計算。本項目位于7度區Ⅳ類場地，接近100 m高度限制，對抗震不利。故采用時程分析法進行多遇地震下的補充驗算。

結構彈性時程分析中按場地類別和設計地震分組選取5組實際地震記錄與2組人工模擬的加速度時程曲線，要求彈性時程分析時每條時程曲線計算所得結構底部剪力不小于振型分解反應譜法計算結果的65%，7條時程曲線計算所得結構底部剪力的平均值不小于振型分解反應譜法計算結果80%。彈性時辰分析結構見表2，表3。

表2 彈性時辰分析剪力計算結果

表3 彈性時辰分析位移角計算結果

彈性時辰分析結果表明結構的樓層位移、剪力曲線較為平滑，每條時程波輸入引起的結構底部剪力均大于振型分解反應譜法計算結果的65%且小于135%，7條時程波輸入引起的結構底部剪力平均值大于振型分解反應譜法計算結果的80%且小于120%，所選擇的時程波滿足規范要求。時程曲線計算得到的層間位移角均滿足規范要求。采用反應譜分析結果進行設計是可行的、安全的。

3.3 罕遇地震靜力彈塑性分析

由于高層辦公樓預制剪力墻承擔的剪力比大于50%，同時其高度為95.2 m，接近DGJ 08—2154—2014上海裝配整體式混凝土公共建筑設計規程中6.1.1條中規定100 m的適用高度限值。因此，采用中國建研院的PKPM軟件PUSH&EPDA模塊進行分析，分析驗證表明，罕遇地震下的最大彈塑性層間位移角能滿足規范1/120的限值要求；結構在推覆過程中，大量的連梁率先進入屈服，隨后部分抗震墻也進入塑性狀態。能力譜曲線較為平滑，曲線在設定位移范圍內未出現下降段，表明結構在大震下具有抗倒塌能力。

4 結語

本項目高層辦公樓裝配式剪力墻高層建筑的高度雖然超過了DGJ 08—0—2013建筑抗震設計規程的限值要求，但仍在JGJ 1—2014裝配式混凝土結構技術規程對裝配整體式剪力墻結構的限值(100 m)范圍內。通過前述的分析，得出如下結論：

多遇地震下，整體結構保持彈性，整體結構完好。采用YJK,SATWE和PMSAP三個軟件進行整體分析，周期、位移、各層剛度變化、構件內力等指標均控制在規范允許范圍內。說明主體結構的布置總體合理。

多遇地震下，進行彈性時程分析補充驗算，各項整體指標平均值都在反應譜分析結果以內。時程分析顯示的結構反應特征、變化規律與反應譜法一致。

罕遇地震下，各棟塔樓結構的最大彈塑性層間位移角滿足規范限值要求。表明結構在大震下具有抗倒塌能力。

本工程的結構設計已通過結構超限審查，其設計經驗可為其他超限裝配式高層建筑的抗震設計和超限審查工作提供良好的參考價值。