某弱底盤超高層雙塔結(jié)構(gòu)抗震性能研究

張帥

（同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，上海 200092）

0 引言

雙塔結(jié)構(gòu)體系由于不設(shè)置結(jié)構(gòu)縫，可以更好的實(shí)現(xiàn)建筑立面效果以及適應(yīng)建筑使用功能多樣性的需求，在現(xiàn)今被廣泛的應(yīng)用，隨之對(duì)于該結(jié)構(gòu)體系的抗震性能也有了較多深入研究。然而，對(duì)于大底盤雙塔結(jié)構(gòu)的研究已經(jīng)普遍，但是對(duì)于弱底盤雙塔結(jié)構(gòu)的研究依舊很少，建筑體形的變化常常會(huì)增加結(jié)構(gòu)受力的復(fù)雜性，故不同底盤類型的雙塔結(jié)構(gòu)地震受力特點(diǎn)也不能一概而論。文中基于某實(shí)際項(xiàng)目，對(duì)于弱底盤雙塔結(jié)構(gòu)體系的抗震性能進(jìn)行了系統(tǒng)分析。

1 工程概況

項(xiàng)目由兩棟超高層辦公塔樓、商業(yè)裙房及地下室組成。主體雙塔分置于基地北側(cè)和南側(cè)，中央為裙房及內(nèi)庭院。雙塔均為42層，大屋面標(biāo)高均為149.65m；裙房為4層，裙房屋面標(biāo)高為22.55m。雙塔裙房以上標(biāo)準(zhǔn)層層高均為3.3m，建筑功能均為辦公。雙塔標(biāo)準(zhǔn)層平面東西向50m，南北向35.2m，雙塔的核心筒東西向20.6m、南北向11.9m，外框柱柱距8.4m。

塔樓立面與裙房連接區(qū)域?yàn)榭臻g弧形飄帶過渡，建筑師對(duì)其連續(xù)性要求較高，如在裙房和塔樓間設(shè)置抗震縫，則破壞了立面的完整性。且另從裙房的布局來看，內(nèi)部設(shè)置中庭，東、西側(cè)各余一排單跨的框架，自身的結(jié)構(gòu)冗余度較低；同時(shí)4層裙房的高度未到塔樓高度的20%，雙塔結(jié)構(gòu)布置、動(dòng)力特性較為接近，對(duì)群房的協(xié)同能力需求不高。綜合上述因素，最終決定裙房與塔樓間不設(shè)縫，建筑效果及剖面分別見圖1、圖2。

圖1 建筑效果圖

圖2 建筑剖面圖

塔樓結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限為50年。結(jié)構(gòu)安全等級(jí)二級(jí)，項(xiàng)目裙房高度范圍內(nèi)按重點(diǎn)設(shè)防類，塔樓在裙房頂層以上的部分按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類，抗震設(shè)防烈度為7度（0.10g），設(shè)計(jì)地震分組為第三組，建筑場(chǎng)地類別為II類，場(chǎng)地特征周期0.45s[1]。

2 結(jié)構(gòu)體系

兩棟塔樓均采用鋼筋混凝土框架-鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)組成見圖3。

圖3 塔樓結(jié)構(gòu)體系

塔樓的豎向結(jié)構(gòu)體系由內(nèi)而外分為3個(gè)層次，外圈框柱（截面隨建筑高度由1100mm×1500mm變化至600mm×800mm）、外圈框柱（截面隨建筑高度由800mm×1500mm變化至600mm×600mm）、核心筒（最大墻厚沿高度方向由700mm減小至400mm）。

塔樓平面重力體系部分主要由混凝土框架梁、次梁及混凝土樓板共同組成。主框架梁與兩側(cè)豎向構(gòu)件剛性連接，除參與抗側(cè)體系外，承擔(dān)了次梁傳導(dǎo)的樓面重力荷載及自身的附加荷載等。標(biāo)準(zhǔn)層邊框梁尺寸為400mm×750mm，內(nèi)部環(huán)向框梁采用400mm×600mm，連接內(nèi)、外框架柱之間的框架梁為400mm×500mm及400mm×600mm，與核心筒間的框架梁尺寸采用寬扁梁750mm×300mm。同時(shí)對(duì)走道范圍內(nèi)樓板進(jìn)行加厚，加厚至200mm，以保證框架與核心筒的協(xié)同工作。樓面次梁部分不參與主體結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力體系中，僅為重力體系構(gòu)件。

圖4給出了裙房典型層結(jié)構(gòu)布置及塔樓平面位置，項(xiàng)目?jī)伤堑慕Y(jié)構(gòu)形式、材料、層高、層數(shù)及使用功能幾乎相同，為一對(duì)稱雙塔結(jié)構(gòu)，相對(duì)非對(duì)稱雙塔結(jié)構(gòu)，當(dāng)結(jié)構(gòu)按扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)考慮時(shí)，裙房扭轉(zhuǎn)反應(yīng)較小，裙房結(jié)構(gòu)有更好的抗震性能[2]，然而項(xiàng)目裙房有4層通高中庭，導(dǎo)致樓板缺失，局部形成了單跨框架，導(dǎo)致裙房自身結(jié)構(gòu)冗余度較低，裙房區(qū)域樓蓋成了結(jié)構(gòu)薄弱部位，為確保水平力的有效傳遞，需對(duì)該區(qū)域樓蓋進(jìn)行專項(xiàng)分析。

圖4 裙房典型樓層結(jié)構(gòu)布置

3 彈性分析

采用YJK及ETABS兩種軟件對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多遇地震及風(fēng)荷載作用下的計(jì)算分析，其中水平地震分別考慮雙向地震以及偶然偏心的影響，考慮不同方向的地震作用，地震作用采用振型分解反應(yīng)譜法。

表1給出了結(jié)構(gòu)前6階自振周期，結(jié)構(gòu)前6階振型見圖5，可以看出，振型主要為對(duì)稱和反對(duì)稱兩種形態(tài)，符合包世華、王建東[3]的研究結(jié)果。

表1 結(jié)構(gòu)自振周期

圖5 結(jié)構(gòu)前6階振型

表2為兩個(gè)軟件彈性分析計(jì)算結(jié)果，其中位移角最大值出現(xiàn)在中區(qū)樓層，故按兩塔樓分別統(tǒng)計(jì)，括號(hào)內(nèi)為塔樓2結(jié)果。從表2中可以看出，兩個(gè)軟件計(jì)算結(jié)果較為吻合。兩塔樓在多遇地震及風(fēng)作用下的最大位移角也較為接近；塔樓層間位移角由多遇地震控制，最大層間位移角滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中層間位移角不大于1/800的要求[4]。X向、Y向最大扭轉(zhuǎn)位移比分別出現(xiàn)在裙房頂層及裙房2層，均滿足規(guī)范要求。

表2 彈性分析主要結(jié)果

4 動(dòng)力彈塑性分析

采用SAUSAGE對(duì)工程進(jìn)行地震作用下彈塑性時(shí)程分析，以評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下彈塑性行為。

根據(jù)抗規(guī)，考慮場(chǎng)地類別、數(shù)量、頻譜特性、有效峰值、持續(xù)時(shí)間、統(tǒng)計(jì)特性、震源機(jī)制以及工程判斷幾個(gè)方面的要求，罕遇地震下時(shí)程分析選用的地震波為2組天然波（HectorMine_NO_1786及Chi-Chi,Taiwan-03_NO_2474）和1組人工波（RH001）。

表3給出了結(jié)構(gòu)在各地震波作用下的最大彈塑性層間位移角，可見在三條罕遇地震波作用下，彈塑性層間位移角X向包絡(luò)值為1/122，Y向包絡(luò)值為1/105，均滿足規(guī)范1/100的要求，說明結(jié)構(gòu)具有足夠的變形能力和內(nèi)力重分布內(nèi)力。

表3 各地震波最大彈塑性層間位移角

文中選取天然波Hector Mine作用下的分析結(jié)果進(jìn)行說明，圖6給出了Hector Mine波作用時(shí)，彈性分析模型及彈塑性分析模型的基底剪力時(shí)程曲線。從圖中可以看出，在地震波輸入初期，彈性分析和彈塑性分析時(shí)程曲線基本重合，隨著地震波的不斷輸入，在20s左右，結(jié)構(gòu)開始產(chǎn)生較大規(guī)模的塑性損傷，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度降低、阻尼增大、周期變長(zhǎng)，彈塑性分析的結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)開始減弱，開始出現(xiàn)明顯滯后現(xiàn)象，且這種趨勢(shì)逐漸增加。

圖6 天然波Hector Mine作用下結(jié)構(gòu)基底剪力時(shí)程結(jié)果

圖7～圖10分別給出了Hector Mine波作用下各構(gòu)件性能水平，可見連梁作為主要耗能構(gòu)件，破壞較為嚴(yán)重，在大震作用下，連梁形成了鉸耗能機(jī)制；結(jié)構(gòu)大部分剪力墻未發(fā)生損傷或損傷較小，核心筒剪力墻損傷基本處于輕度-中度破壞等級(jí)之間，底部個(gè)別內(nèi)墻肢破壞相對(duì)嚴(yán)重些，大震時(shí)退出工作，設(shè)計(jì)中予以加強(qiáng)，不影響結(jié)構(gòu)的整體抗倒塌能力；框架梁處于輕微-中度破壞，參與耗能，但均未發(fā)生嚴(yán)重破壞；結(jié)構(gòu)框架柱破壞程度較小，基本處于彈性狀態(tài)，僅裙房區(qū)域個(gè)別柱發(fā)生塑性損傷，框架滿足“強(qiáng)柱弱梁”、“強(qiáng)剪弱彎”的抗震設(shè)計(jì)要求，具備足夠的二道防線能力。

圖7 連梁性能水平

圖8 核心筒剪力墻性能水平

圖9 框架柱性能水平

圖10 框架梁性能水平

5 樓板分析

為確保裙房弱連接位置的樓蓋安全性，基于整體模型，采用規(guī)范反應(yīng)譜和動(dòng)力時(shí)程法計(jì)算了裙房樓板小中大地震作用，以分析裙房樓板的抗震性能。多遇地震及設(shè)防地震下裙房各樓層的主拉應(yīng)力見表4，小震及中震作用下樓板的局部區(qū)域最大主拉應(yīng)力分別為1.2MPa及3.01MPa，裙房樓板能夠滿足小震不開裂、中震不屈服的抗震性能目標(biāo)。在核心筒樓電梯間開洞處，尤其中央樓電梯間開洞位置，板帶寬度較小，樓板應(yīng)力出現(xiàn)峰值。

表4 裙房樓板主拉應(yīng)力 MPa

裙房屋蓋通過大震時(shí)程分析，得到薄弱連接部位最不利截面，見圖11中1-1斷面中樓板剪力為5588kN，依據(jù)G.0.3-2、G.0.4-1《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》按深梁校核大震抗剪截面及抗剪承載力[5]，表5給出了該板帶的校核信息，滿足大震抗剪不屈服的性能目標(biāo)。

圖11 裙房樓板最不利位置

表5 板帶校核信息

同時(shí)圖12也給出了彈塑性模型大震時(shí)程作用下屋面樓板的損傷云圖，可以看出樓板損傷等級(jí)基本處于無損傷-輕度損傷之間，在平面凹角以及與塔樓相連的根部位置存在一定的中度損傷，針對(duì)上述區(qū)域設(shè)計(jì)中通過配置斜向鋼筋予以加強(qiáng)。然而由于多塔結(jié)構(gòu)振型耦聯(lián)復(fù)雜以及工程裙房樓板開洞較多，連接較薄弱，即使進(jìn)行了針對(duì)性加強(qiáng)，在實(shí)際大震中裙房樓板薄弱部位仍有可能發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞，為保證地震作用下薄弱連接部位退出工作后，各結(jié)構(gòu)單體獨(dú)立承載的能力，在后續(xù)設(shè)計(jì)中采用整體模型、各塔樓分開的模型、單獨(dú)裙房模型進(jìn)行承載力分析，并取包絡(luò)設(shè)計(jì)。

圖12 屋面樓板損傷云圖

6 結(jié)語

文中采用多種軟件，分別進(jìn)行了彈性計(jì)算及動(dòng)力彈塑性時(shí)程計(jì)算，詳細(xì)地評(píng)估了弱底盤雙塔結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)在地震作用下的變形、承載及耗能能力，尋找出了結(jié)構(gòu)薄弱部位，為設(shè)計(jì)過程中的加強(qiáng)提供了依據(jù)，從而保證了結(jié)構(gòu)能具備良好的剛度及延性。