某超限高層辦公樓抗震設計

錢鈞瓏

(廈門市建設工程施工圖審查所 福建廈門 361004)

0 引言

某高層辦公樓為混凝土框架-核心筒結構，門廳一～四層沿核心筒長向挑空,主體結構有多項平面、豎向不規則[1]。該項目與筆者設計的某國際中心類似[2]，也是底層門廳挑空，但挑空情況更不利。某國際中心是建筑物短向單側挑空，且挑空范圍有兩榀框架；而該項目是建筑物長向單側挑空，且挑空范圍僅有一榀框架。

根據超限審查要點及抗規、高規規定，該項目存在樓板不連續、偏心布置、扭轉不規則及穿層柱等多項不規則，屬特別不規則超限高層建筑。

設計進行小震反應譜彈性計算及大震作用下的結構推覆分析，底部加強區的穿層柱按大震不屈服、中震彈性設計，非穿層柱及剪力墻按中震抗彎不屈服、抗剪彈性設計，使結構具有較好的抗震性能，以滿足抗震設防要求[3]。

該項目2012年通過抗震設防專項審查和施工圖審查，2017年竣工。下文就該項目的超限結構抗震設計做簡要介紹。

1 工程概述

該工程地上20層，平戰結合地下室2層。建筑功能為高層辦公樓，除底層層高5.9m、二層4.3m外，標準層層高均為4.2m，室內外高差0.30m，房屋高度86.1m。建筑平面為矩形，平面尺寸為45.2m×33.6m，高寬比為2.56。主體結構采用鋼筋砼框筒結構體系，主要結構平面如圖1～圖4所示。

圖1 二層結構平面布置圖

圖3 四層結構平面布置圖

抗震設防類別丙類，抗震設防烈度7度(0.1g)，設計地震分組第三組，場地特征周期0.45s，建筑場地類別Ⅱ類。剪力墻、框架抗震等級均為二級。

核心筒外圍墻厚自下而上為550mm～250mm逐步減少，內隔墻則為250mm、200mm。一～四層的穿層柱采用直徑1300mm的型鋼混凝土圓柱，五層以上則采用鋼筋砼圓柱，圓柱直徑自下而上為1200mm～800mm逐步減少；其余框柱采用鋼筋砼柱，柱截面自下而上為1000mm×1000mm～700mm×700mm逐步減少。框梁截面400(500)mm×600mm；二～四層樓板板厚150mm，其余樓層樓板板厚120mm。

2 小震作用下的彈性計算

2.1 振型分解反應譜法計算結果

小震作用下，考慮雙向地震作用，并考慮質量偶然偏心，采用CQC法進行振型組合，采用振型分解反應譜法計算。以下是PMSAP、SATWE程序計算的主要結果。

(1)剛重比、剪重比

X向剛重比為8.36，Y向為10.34，滿足高規整體穩定要求，不必考慮重力二階效應。

剪重比計算結果顯示，SATWE程序計算的X向為2.44%、Y向為2.43%，PMSAP程序計算的X向為2.47%、Y向為2.471%，均滿足規范要求。

(2)結構周期、位移比

結構周期計算結果顯示，SATWE程序計算的扭轉為主的結構周期Tf與平動為主的結構周期T1的比值為0.80，PMSAP程序為0.88，均小于規范限值。

結構最大扭轉位移比大于1.2，但不大于1.4，可滿足規范要求。

(3)地震傾覆彎矩、地震剪力

一～六層框架柱、墻承擔的地震傾覆彎矩占比如表1所示。

該工程主體計算時，各層框架部分的地震剪力均按《抗規》第6.2.13條第1款規定進行調整。該項目的框架部分各樓層地震剪力中最大值1.5倍較底部總地震剪力的20%為大，因此，任一層框架部分的地震剪力按不小于底部總地震剪力的20%調整控制。表2為一～六層0.2Q0調整系數。

表2 一～六層0.2Q0 調整系數

該工程各個樓層框架承擔剪力調整均按0.2Q0調整，滿足《抗規》第6.7.1條第2款的規定。其次，當調整系數>2時，即意味著調整前框架部分承擔剪力小于0.1Q0。根據第6.7.1條的要求，對框架剪力調整系數大于2的樓層，尤其是底部加強區，將核心筒承擔的地震剪力標準值放大1.1倍，并調整框架彎矩、剪力，以滿足《高規》第9.1.11條的規定。

2.2 彈性時程分析計算結果

該項目的彈性動力時程分析分別采用一組人工波R632(簡稱User2)和二組天然波DYT632(簡稱User6)、DYT636(簡稱User9)，以滿足抗規第5.7.1條規定。各時程反應譜與《抗規》反應譜比較如圖5所示，時程分析所得的樓層剪力、傾覆彎矩、樓層最大位移、層間位移角的對比，如圖6～圖9所示，時程分析計算結果正常，未見明顯的剛度突變。

圖6 樓層剪力對比圖

圖7 樓層傾覆彎矩對比圖

圖8 樓層最大位移對比圖

圖9 樓層層間位移角對比圖

2.3 小震作用下的彈性計算結果小結

小震作用下，該項目采用PMSAP、SATWE計算，并選取一組人工波、二組天然波作彈性時程分析。構件設計采用包絡設計，取CQC法計算結果和時程分析計算結果包絡值的大者用于設計。

小震作用下，彈性計算結果符合規范規定，結構處于彈性狀態，滿足第一階段的抗震性能要求。

3 中震彈性及中震不屈服驗算

中震作用下，為滿足“中震可修”的抗震設防要求，構件承載力按彈性驗算時，不考慮抗震內力調整，且抗震承載力調整系數及荷載、材料的分項系數均同小震取值系數，材料強度取設計值；而構件承載力按不屈服驗算時，抗震承載力調整系數、荷載分項系數均為1.0，材料強度采用標準值。以下為中震作用下的構件驗算結果。

其一，底部加強區的剪力墻抗剪承載力按彈性驗算，以保證底部加強區的剪力墻抗剪承載力大于地震作用組合效應，使構件處于基本彈性狀態，不產生塑性損壞。

其二，底部加強區剪力墻抗彎承載力按不屈服驗算，使重要構件滿足基本彈性。

其三，底部加強區穿層框架按中震彈性設計，非穿層框架柱按抗彎不屈服、抗剪彈性設計。

4 大震作用下的靜力彈塑性(Pushover)分析及結構抗震性能評價

大震作用下，采用靜力彈塑性分析法分析主體結構的非線性地震反應，實現抗震性能目標。Pushover分析將Static Force(靜力荷載)逐步加載至結構的極限性能點來生成變形與荷載的關系。加載是逐步遞進的，加載的同時應檢查構件是否屈服，每加載一次就檢查一次；當發現出現屈服構件時，應先調整結構的剛度矩陣，之后才能重新加載。以此類推，不斷反復迭代，以最終達到結構的極限性能點。通過前述加載過程，可以形成結構的荷載-變形相關曲線[4]。按反應譜形式給出對應于所考察地震的性能要求，將曲線轉化形成Capacity Spectrum(能力譜)和Demand Spectrum(需求譜)。當兩條譜相交的交點(性能控制點)處于目標性能范圍時，結構即實現了設定的性能目標[5]。以下是Pushover計算結果分析。

4.1 分析結果

抗倒塌驗算圖(pushover分析曲線)有4條曲線，即需求譜曲線、周期-加速度曲線(能力曲線)、周期-最大層間位移角曲線及位移需求譜曲線。能力曲線與需求曲線交點所對應的層間位移角就是需求層間位移角，若該位移角不超過規范限值，則變形驗算通過[6-7]。大震作用下，雙向需求能力譜曲線、性能控制點處彈塑性層位移如圖10～圖11所示。

圖10 Pushover分析X向抗倒塌驗算

圖11 Pushover分析Y向抗倒塌驗算

X向能力曲線與需求曲線的交點[T(s),A(g)]：2.247,0.094，性能點最大層間位移角：1/369，性能點基底剪力為25 878.5kN，性能點頂點位移為183.8mm；Y向能力曲線與需求曲線的交點[T(s),A(g)]：2.446,0.091，性能點最大層間位移角：1/338，性能點基底剪力為25 058.8kN，性能點頂點位移為208.3mm。由計算結果可知，結構在罕遇地震下可滿足規范要求。

4.2 結構抗震性能評價

在罕遇地震性能目標控制點處，X向層間最大位移角為1/369(17F)；Y向層間最大位移角為1/338(13F)，均小于規范要求的1/100。樓層位移及樓層位移角曲線較平滑，并無突變；而結構層剪力、彎矩在四、五層有突變。產生突變的原因如下：

結構二～四層筒體一側樓板缺失，二～三層無梁板，四層無板，造成二～四層樓層剛度與五層以上各樓層相差較大，因此造成剪力、彎矩的變化。雖然二～四層存在樓板缺失，但與上層的層間側移剛度比均大于70%，與上三層平均側移剛度之比大于80%，因此，層間位移角及層間位移與上層光滑過渡，無突變。結合彈性計算結果，二～四層不屬于薄弱層。為保證結構安全，計算小震時，人為指定底層為薄弱層，地震剪力放大1.15。

該項目的穿層框架柱采用型鋼柱，同時控制框架柱軸壓比，可保證框架柱具有較好的延性。由Pushover分析結果可知，在性能控制點處，框架柱均未出現塑性鉸，且在超過大震性能點之后，結構的能力曲線還有明顯的上升段，這也表明框架柱內型鋼發揮了一定的作用。

5 針對超限情況采取的加強措施

項目針對超限采取的加強措施主要有：

(1)一～五層設為剪力墻底部加強區，底部加強區的剪力墻及非穿層柱按中震抗剪承載力彈性、抗彎承載力不屈服設計，穿層柱則按中震彈性、大震不屈服設計。底部加強區的剪力墻及穿層柱抗震等級一級。穿層柱采用型鋼框架柱，并做穩定性驗算。

(2)筒體角部全高設置約束邊緣構件，筒體外墻與框架梁交接處加設暗柱，對于墻厚較小者則加設扶壁柱。

(3)樓層剪力取三組時程包絡值與CQC法計算結果的大值，且時程分析的層間位移角也滿足規范限值。

6 結論

該項目屬特別不規則超限建筑，設計分別采用SATWE和PMSAP程序分析計算，對兩種程序計算的結果加以判斷后用于構件設計。底部加強區的剪力墻及非穿層柱按中震抗剪彈性、抗彎不屈服設計，穿層柱按中震彈性、大震不屈服設計。對結構進行罕遇地震下的Pushover分析，以保證結構在大震階段不倒塌。通過計算分析，并采取有效的構造措施，基本保證了結構具有較好的抗震性能，滿足抗震設防要求。