合肥某超限高層建筑結構抗震分析與設計

徐永波

(安徽省建筑設計研究總院股份有限公司，安徽合肥 230001)

1 工程概況

本項目位于安徽省合肥市包河區。本樓分A、B、C三段，其中A段為7層裙樓，B段和C段均為48層辦公樓。三段建筑由三層地下室連為一體，地上設變形縫完全斷開。B塔樓和C塔樓結構高度均為198.4 m，平面尺寸均為45.7 m×45.7 m，均為框架-核心筒結構，建筑使用功能及結構布置基本一致。本文所述對象為B、C塔樓。項目整體效果詳見圖1。

圖1 項目整體效果

本樓6層以下為商業，層高為5.4～5.7 m；6層以上為辦公和避難層，層高分別為3.9 m和4.5 m，避難層分別設置于10F、23F、36F。平面詳見圖2。

圖2 B、C塔樓標準層結構平面

B、C塔樓6層以下抗震設防類別為重點設防類，7層及以上抗震設防類別為一般設防類，設防烈度為7度，建筑場地類別為Ⅱ類，地震分組為第一組。結構安全等級為一級，設計使用年限為50 a。地面粗糙度類別為B 類，50 a重現期基本風壓為0.35 kN/m2。

2 超限情況的結構分析與設計

2.1 結構體系

本工程采用框架-核心筒結構體系，核心筒材料為鋼筋混凝土；外框架底部為型鋼混凝土柱，上部為混凝土柱。核心筒角部內壁至洞邊的最小距離為1.3 m，加上筒外墻厚0.9 m可達到2.1 m，超過核心筒外墻厚度的2倍，筒體完整性較好。核心筒上的連梁對整體剛度影響較大，是塔樓優化設計的重點內容，本工程結合設備管線穿墻要求，把部分連梁設計成雙連梁，避免了剛度過大帶來的負面影響。

2.2 結構超限類型

按GB50011-2010《建筑抗震設計規范》(簡稱《抗規》)、JGJ3-2010《高層建筑混凝土結構技術規程》(簡稱《高規》)和建質〔2015〕67號《超限高層建筑工程抗震設防審查技術要點》有關規定：7度B級鋼筋混凝土框筒結構的最大適用高度為180 m，本樓高度為198.4 m，屬超B級高度的鋼筋混凝土框架-核心筒高層建筑。另外，本工程還有1項偏心布置不規則項，1～5層Y向偏心率為17.69 %～27.33 %(B塔樓為17.79 %～27.49 %)，大于0.15。

2.3 結構抗震性能目標

本工程的抗震根據性能化設計的概念和要求進行。在滿足國家、地方規范基礎上，與專家、業主溝通認為塔樓的結構抗震性能總體目標定位C級～D級之間，如表1所示。

表1 抗震性能目標

根據各構件失效可能引起結構的連續破壞及危及生命安全的嚴重后果程度，本工程把1～4層底部加強區的核心筒墻和框架柱定為本樓的關鍵構件，5層及層以上的核心筒墻和框架柱定為本樓的普通豎向構件，全樓框架梁和剪力墻上的連梁定為本樓的耗能構件。

本工程各類構件要滿足性能目標需達到的具體設計要求如表2所示。

表2 滿足抗震性能目標具體設計要求

3 結構抗震分析

3.1 小震分析

小震分析主要含彈性反應譜分析兩個軟件對比和彈性時程分析。

3.1.1 彈性反應譜分析

在小震作用下，結構全部處于彈性狀態，構件承載力和變形滿足規范要求。主計算程序為SATWE，用于結構主要設計指標的控制以及構件配筋計算；補充計算程序MIDAS BUILDING,用于結構主要設計指標復核及重點部位構件配筋包絡。

反應譜分析時構件抗震等級：對于剪力墻和連梁，地下二層、地下三層為一級，地下一層及地上八層為特一級，地上八層以上為一級；對于框架柱和梁，地下二層、地下三層為二級，地下一層及以上為一級。

兩種軟件分析的各項指標基本一致，且滿足規范要求，表明計算分析軟件可行，模型計算結果可信。

3.1.2 彈性時程分析

依據《高規》5.1.2條規定，本樓采用彈性時程分析方法進行多遇地震下的補充計算，以發現CQC法未發現的不足和薄弱之處。本文選取符合統計意義的5條天然波和2條人工波，取計算結果的平均值與反應譜法計算結果的較大值。不同地震波與CQC法下結構受力如圖3所示。

由圖3知，時程分析法顯示結構的反應特征、變化規律與反應譜法分析基本一致，基底剪力和層間位移角等指標最大值與CQC結果接近；多條地震波樓層剪力的平均值在結構頂部大于反應譜的計算結果，反映出自振周期較長的結構，其高振型對于高柔結構頂部的鞭梢效應是非常明顯的。設計時，結構地震作用取7條時程曲線計算結果平均值與振型分解反應譜法計算結果的較大值。

3.2 中震分析

按前述抗震性能化設計的內容要求，用SATWE軟件對結構進行設防地震作用下的分析計算，采用CQC法分別按中震彈性和中震不屈服兩種要求進行分析計算。

從計算結果可知，各層核心筒剪力墻和框架柱按中震彈要求下的配筋計算值均小于核心筒剪力墻水平鋼筋配筋率限值和框架柱箍筋配筋率限值。通過對比可知，部分計算結果一般小于小震彈性計算加抗震等級調整后的墻柱配筋結果，可滿足底部加強部位外框柱與筒體抗剪中震彈性的性能目標，以及上部非底部加強部位外框柱與筒體抗剪中震不屈服的性能目標。底部加強區和非底部加強區各層核心筒剪力墻和框架柱按中震不屈服要求下的配筋計算值均小于筒體剪力墻約束邊緣構件配筋率限值和框架柱縱筋配筋率限值。各層框架柱縱筋在中震不屈服作用下與小震彈性相同，均為構造配筋，可滿足底部加強部位和非底部加強部位外框柱與筒體正截面中震不屈服的性能目標。框架梁、連梁在中震作用按不屈服要求下的抗剪箍筋計算結果值均小于框架梁、連梁的箍筋配筋率限值。計算結果一般略小于小震彈性計算加抗震等級調整后的梁箍筋配筋結果，可滿足抗剪中震不屈服的性能目標。

(a)規范譜與地震波譜對比

(b)X向樓層剪力曲線

(c)X向樓層平均剪力與CQC對比

(d)Y向樓層剪力曲線

(e)Y向樓層平均剪力與CQC對比圖3 所選地震波與反應譜法結果對比

根據《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》，中震時出現小偏心受拉的混凝土構件應采用《高規》中規定的特一級構造。中震時雙向水平地震作用下墻肢全截面由軸向力產生的平均名義拉應力超過混凝土抗拉強度標準值時宜設置型鋼承擔拉力，且平均名義拉應力不宜超過兩倍混凝土抗拉強度標準值。一層、二層中少量墻肢在中震作用下處出現拉應力，但都小于1Ftk。

3.3 大震分析

3.3.1 大震下等效彈性計算與分析

按設定的性能目標，采用SATWE軟件中CQC法進行等效彈性方法進行大震下不屈服近似計算。根據所確定的抗震性能目標要求，大震下各類構件應達到如下要求：關鍵構件在大震下抗剪截面驗算須滿足要求，允許部分墻柱達到屈服；普通豎向構件在大震下允許較多墻柱達到屈服，但應滿足抗剪截面要求；各層耗能構件在大震下大部分進入屈服階段，即各層框架梁和連梁在大震下大部分進入屈服階段。

采用SATWE軟件對結構進行大震不屈服豎向構件抗剪截面驗算，各層剪力墻和框架柱的截面抗剪要求驗算均滿足最小截面要求。

3.3.2 大震動力彈塑性時程分析

本工程彈塑性分析采用的計算軟件為PKPM-SAUSAGE，分析方法為基于顯式積分的動力彈塑性分析方法。在本工程的非線性地震反應分析模型中，所有對結構剛度有貢獻的結構構件均按實際情況模擬。本工程選取兩組天然波(T1、T2波)和一組人工波(R1波)進行時程分析。

由彈塑性時程分析可知,不同地震波下結構的層間位移角曲線如圖4所示。在3條不同地震波作用下，結構大震彈塑性層間位移角分布基本一致，最大層間位移角均出現在結構的中部區域，最大位移角位置與CQC法計算結果基本一致；結構在3條不同地震波作用下的彈塑性層間位移角最大值均滿足規范的1/100的要求。

(a)T1波層間位移角曲線

(b)T2波層間位移角曲線

(c)R1波層間位移角曲線圖4 彈塑性時程分析層間位移角曲線

3.3.3 構件損傷情況

底部加強區及以上各層剪力墻和框架柱破損程度均較小，大部分均屬于輕微到輕度損壞，只有第1層極少數墻的部分區域出現中度損壞，中度破壞區域面積占所在墻的整墻面積的比例很小；從破損及鋼筋應力顯示來看，大震下的剪力墻端部縱筋和柱縱筋應力均未達到屈服強度，即剪力墻和柱均未達到屈服狀態。從破損程度來看，未發現剪力墻剪切破壞，水平筋應力未達到屈服狀態。故可判定剪力墻受剪未達到屈服狀態。核心筒剪力墻和框架柱抗震性能保持較好，具有足夠的抗震承載力，可滿足所設定的抗震性能目標。

框架梁大部分為輕微到輕度損壞，極少的梁達到重度損壞，只有少部分的梁達到了屈服；框架梁和連梁吸收大部分地震能量，耗能比較充分，很好地保證了主要墻肢的抗震承載力，滿足所設定的抗震性能目標。

4 結論

本工程在設計中采用概念設計方法，根據抗震原則及建筑特點，首先對整體結構體系及剪力墻布置仔細考慮并作優化，使之具有良好的結構性能。抗震設計時，除保證結構在小震下完全處于彈性階段外，還補充了主要構件在中震、大震下的抗震性能要求。采取多種計算程序進行了計算，計算結果表明，多項指標均表現良好，基本滿足規范的有關要求，使不規則程度得到基本有效控制。本工程除滿足規范要求的各項抗震措施之外，另外采取的增強措施歸納總結如下：

(1)約束邊緣構件按如下要求進行設置：筒角部約束邊緣構件全高設置；筒外墻除角部外約束邊緣構件外延伸至軸壓比0.30 m處，即本樓40層處(標高為165.200 m)；筒內墻約束邊緣構件延伸至底部加強區以上3層，即7層處(標高為36.800 m)。

(2)小震設計時補充彈性時程分析，采用結構地震作用取7條時程曲線計算結果平均值與振型分解反應譜法計算結果的較大值進行樓層剪力調整。

(3)配筋結果除滿足小震及抗震等級調整、風荷載計算要求外，另與中震彈性和中震不屈服計算結果進行包絡設計。

本工程除能夠滿足豎向荷載和風荷載作用下安全及正常使用要求，可滿足小震不壞；中震下主要構件不屈服震后可以修復；大震下不倒塌的抗震設防目標。本高層結構工程在7度設防區進行建設是可行的并且是安全的。