南昌某超限高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

蔣波，劉凱，許秋華，洪成，符凱

（1.江西省建筑設(shè)計(jì)研究總院集團(tuán)有限公司, 南昌330099；2.南昌工程學(xué)院，南昌330099；3.江西省土木建筑學(xué)會(huì)，南昌330099）

1 工程概況

本工程總建筑面積93 996.5 m2。 地上總建筑面積75 568.13 m2，地下建筑面積18 428.37 m2。建筑總高度（室外地面至大屋面）為37.050m，為高層塔樓，建筑層數(shù)6 層，為A級(jí)高度的高層建筑。 設(shè)計(jì)使用年限為50 年， 基本風(fēng)壓為0.45 kN/m2，基本雪壓為0.45 kN/m2，結(jié)構(gòu)阻尼比取5%。 本工程采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系。 建筑效果圖見(jiàn)圖1。

圖1 建筑效果圖

2 結(jié)構(gòu)布置情況

建筑主樓通過(guò)設(shè)置抗震縫將分為A 塔、B 塔和C 塔3 個(gè)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)抗震單元。 其中，A 塔和C 塔是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，B 塔為鋼結(jié)構(gòu)。 本文以C 塔為例。 剖面圖如圖2 所示。

圖2 C 塔剖面圖

C 塔塔樓結(jié)構(gòu)外圍尺寸99 m×61 m， 平面形狀接近矩形，結(jié)構(gòu)采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系。 主樓C 塔的柱距較為均勻，除局部位置外均為9 m×9 m 柱網(wǎng)， 故本工程框架柱采用鋼筋混凝土柱。 主樓A 塔樓屋面荷載較大， 樓面荷載一般均在0.6～1.5 kN/m2,且除局部外跨度均為9 m×9 m 柱網(wǎng)。 考慮到使用的舒適性及經(jīng)濟(jì)性，故決定框架梁采用鋼筋混凝土梁。 平面圖如圖3 所示。

圖3 C 塔平面圖

3 結(jié)構(gòu)超限情況及抗震性能化目標(biāo)

本工程存在以下3 項(xiàng)不規(guī)則情況：扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、樓板不連續(xù)、局部有躍層柱。

超限部分為抗震設(shè)防類別為乙類的框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，破壞形態(tài)為彎剪型，綜合考慮建筑的功能、重要性和規(guī)模等各種因素，確定主樓抗震性能目標(biāo)為D 級(jí)，在滿足性能目標(biāo)D 的基礎(chǔ)上，根據(jù)構(gòu)件重要性計(jì)算從嚴(yán)控制，針對(duì)不同構(gòu)件制定的不同的性能水準(zhǔn)（見(jiàn)表1 和表2）用以指導(dǎo)結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)。

表1 抗震性能化目標(biāo)表

表2 各性能水準(zhǔn)結(jié)構(gòu)預(yù)期的震后性能狀況

4 結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算

4.1 多遇地震彈性分析

根據(jù)JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》（以下簡(jiǎn)稱《高規(guī)》5.1.12 條規(guī)定，本工程結(jié)構(gòu)計(jì)算采用PKPM 和盈建科YJK 兩個(gè)結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行整體計(jì)算，并進(jìn)行對(duì)比分析[1]。根據(jù) 《高規(guī)》5.1.13 條規(guī)定計(jì)算時(shí)考慮平扭耦聯(lián)計(jì)算結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，偶然偏心單向地震作用及雙向地震作用。 多遇地震作用下及風(fēng)荷載作用下主要計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 多遇地震作用下及風(fēng)荷載作用下主要計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表3 可以看出，按振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算得到的數(shù)據(jù)均滿足規(guī)范的要求，結(jié)果基本一致,結(jié)構(gòu)構(gòu)件均處于彈性狀態(tài)。說(shuō)明本工程結(jié)構(gòu)遇“小震”時(shí)可以達(dá)到“不壞”的設(shè)防目標(biāo)。

4.2 彈性時(shí)程分析

彈性時(shí)程分析時(shí)選取1 條人工波（ArtWave-RH1TG035）和2 條 天 然 波 （Chi-Chi，Taiwan-05_NO_2959 和Chi-Chi，Taiwan-03_NO_2469）作為時(shí)程分析的地震波曲線。 3 組地震波持續(xù)時(shí)間依次為13.9 s、43.4 s、22.4 s，對(duì)上述3 條波進(jìn)行時(shí)程分析時(shí)，需要對(duì)其進(jìn)行修正，將各條波的小震時(shí)程加速度峰修正為18 cm/s2，大震時(shí)修正為125 cm/s2。 規(guī)范譜與反應(yīng)譜對(duì)比圖如4 所示。 基底剪力比較見(jiàn)表4。

表4 基底剪力比較

表4 列出了各條波以及平均值與CQC 法的基底剪力比較結(jié)果。 從圖4 可以看出，本工程所選的3 條波的平均地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應(yīng)譜法所用的地震影響系數(shù)曲線相比，在對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)主要振型的周期點(diǎn)上不相差20%。

圖4 規(guī)范譜與反應(yīng)譜對(duì)比圖

經(jīng)過(guò)對(duì)3 條波X，Y 向的層間剪力曲線， 彎矩曲線和最大層間位移角曲線綜合分析表明，3 條波計(jì)算的各層剪力曲線變化形式各不相同， 但3 條波的層剪力平均值曲線和CQC 法計(jì)算的層剪力曲線底部變化形式一致， 數(shù)值差異不大。 根據(jù)規(guī)范要求，對(duì)于層剪力采用彈性時(shí)程分析最大值與CQC 法的較大值進(jìn)行設(shè)計(jì)。 根據(jù)彈性時(shí)程分析結(jié)果，CQC法分析時(shí)各樓層的地震剪力地震乘以上述放大系數(shù)即可完成包絡(luò)設(shè)計(jì)。

4.3 中、大震等效彈性分析

按結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)要求，使用YJK 軟件進(jìn)行中震是否能夠達(dá)到抗震性能水準(zhǔn)4 和大震是否能夠達(dá)到抗震性能水準(zhǔn)5 的要求進(jìn)行復(fù)核，并與小震結(jié)果取包絡(luò)設(shè)計(jì)。A 塔小震彈性、中、大震等效彈性分析的計(jì)算結(jié)果比較見(jiàn)表5。

表5 計(jì)算結(jié)果

分析結(jié)果表明：在設(shè)防烈度地震作用下，由YJK 軟件計(jì)算結(jié)果顯示關(guān)鍵構(gòu)件和框架梁的正截面承載力均未出現(xiàn)超配筋的情況，即滿足中震不屈服、抗剪承載力滿足中震彈性的要求，說(shuō)明結(jié)構(gòu)在設(shè)防烈度地震（中震）作用下能達(dá)到預(yù)期的性能目標(biāo)。

本塔樓按彈性方法計(jì)算的結(jié)構(gòu)層間位移角限制為1/800。從計(jì)算結(jié)果可以看出，在中震作用下，結(jié)構(gòu)變形小于2 倍彈性位移限值，在大震作用下結(jié)構(gòu)變形不大于4 倍彈性位移限值，結(jié)構(gòu)變形在中、 大震作用下均能滿足預(yù)設(shè)的抗震性能水準(zhǔn)的要求。

4.4 動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析

本工程選用了 PKPM-SAUSAGE 的兩組天然波TH016TG040_CHI-CHI TAIWAN-03 9-20-1999 TCU073（下文簡(jiǎn) 稱 “ 天 然 波 一”）、TH047TG040_CORINTH GREECE 2-24-1981 CORINTH（下文簡(jiǎn)稱“天然波二”）和一組人工波RH3TG040 （下文簡(jiǎn)稱 “人工波”）， 共3 組地震波， 采用SAUSAGE 軟件進(jìn)行了罕遇地震作用下的彈塑性時(shí)程分析。本次罕遇地震作用下的彈塑性時(shí)程分析地震峰值加速度取125 cm/s2。

通過(guò)對(duì)比各地震波X 與Y 向大震彈塑性與大震彈性的結(jié)構(gòu)頂部位移時(shí)程曲線圖可以發(fā)現(xiàn)X 方向與Y 方向的大震彈塑性最大基底剪力相比大震彈性最大基地剪力有所減少，這表明結(jié)構(gòu)大震下吸收和耗散了較大的地震能量， 說(shuō)明結(jié)構(gòu)具有良好的耗能性能和減震性能。

各組地震波大震彈塑性時(shí)程分析作用下結(jié)構(gòu)最大頂點(diǎn)位移及最大層間位移角見(jiàn)表6。

表6 各組地震波大震彈塑性時(shí)程分析作用下結(jié)構(gòu)最大頂點(diǎn)位及最大層間位移角

C 塔樓天然波一作用下計(jì)算的結(jié)果最不利X 向最大層間位移角達(dá)到1/235（7 層），人工波一作用下計(jì)算的結(jié)果最不利Y 向最大層間位移角達(dá)到1/320 （7 層）， 均小于彈塑性層間規(guī)范限值（1/100），該工程在大震下的變形滿足要求。

按照《抗規(guī)》大震下性能4 結(jié)構(gòu)層間位移參考指標(biāo)——結(jié)構(gòu)不嚴(yán)重破壞，變形不大于0.9 倍塑性變形值，即層間位移角不大于0.9×1/100=1/111[2]。 3 條地震波結(jié)果表明結(jié)構(gòu)抗震能力在大震下可以滿足性能目標(biāo)4 的要求。

4.5 樓板損傷

如圖5 所示，樓板在大震作用下表現(xiàn)較好，僅僅在開(kāi)洞等處出現(xiàn)了極少輕微損傷，其余無(wú)損傷，可以保證大震下水平力良好的傳遞，起到有效地協(xié)調(diào)豎向構(gòu)件變形的作用。

圖5 各層樓板損傷分布圖及損傷圖例

4.6 剪力墻損傷

如圖6 所示全樓剪力墻在大震作用下大部分完好，少量出現(xiàn)輕度（輕微）損壞。 剪力墻連梁在大震作用下出現(xiàn)了較嚴(yán)重破壞，充分發(fā)揮了其耗能構(gòu)件的作用。 滿足抗震性能水準(zhǔn)5的要求（《高規(guī)》）。

圖6 人工波剪力墻損傷分布圖及損傷圖例

4.7 框架損傷

如圖7 和圖8 所示， 全樓框架柱基本未出現(xiàn)塑性鉸，僅在屋面以上構(gòu)架層柱根部極少量出現(xiàn)。 框架柱承載力足夠，未出現(xiàn)明顯損傷。 全樓僅局部框架梁端部出現(xiàn)極少量塑性鉸，均處于IO（即刻使用狀態(tài)），且未出現(xiàn)明顯損傷；大懸挑（斜撐）及大跨框架梁均未出現(xiàn)塑性鉸，充分說(shuō)明框架抗震性能良好。

圖7 人工波框架損傷分布圖

圖8 框架塑性鉸圖

5 針對(duì)超限情況采取的措施

1）嚴(yán)格按規(guī)范要求控制框架柱軸壓比、剪壓比。

2）加大底部?jī)蓪涌蚣芰骸⒅⒖蚣芗袅皦Χ酥㈥P(guān)鍵構(gòu)件（懸挑梁、躍層柱）配筋可以達(dá)到大震下的輕度、輕微損壞或無(wú)損壞狀態(tài)的目標(biāo)。

3）對(duì)大洞口邊弱連接的板采取雙層雙向配筋，保證大震下水平力的有效傳遞，起到有效地協(xié)調(diào)豎向構(gòu)件變形的作用。

6 結(jié)語(yǔ)

本工程建筑對(duì)整體結(jié)構(gòu)及構(gòu)件進(jìn)行了分析， 依據(jù)不同性能目標(biāo)，進(jìn)行了抗震分析。 對(duì)各層樓板，框架和剪力墻進(jìn)行了專項(xiàng)分析。 計(jì)算及研究分析結(jié)果表明， 結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范提出的“小震不壞、中震可修、大震不倒”的要求。 結(jié)構(gòu)體系安全可行，合理有效[3]。