超限高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

陳震

（廣東博意建筑設(shè)計院有限公司，廣東佛山 528000）

1 工程概況

海南某項目位于海口市海甸島。該項目為超高層辦公樓，地面以上29 層，建筑高度96.9 m；地下室2 層，深度為9.9 m。地上建筑面積46 118.29 m2，地下總建筑面積109 795.49 m2。

項目勘察結(jié)果表明，場地內(nèi)不存在滑坡、危巖、崩塌、采空區(qū)、地面沉降及影響場地穩(wěn)定性的活動斷裂等不良地質(zhì)作用。①層為雜填土，局部存在建筑碎塊；⑦1 層為粉質(zhì)黏土中，夾有一些半成巖的硬塊，未發(fā)現(xiàn)其他對工程不利的埋藏物；③層、④1 層為砂土，嚴重液化，在消除飽和砂土液化及軟土震陷影響后，適宜進行本工程建設(shè)。場地存在填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土等軟弱土層。

根據(jù)最新建筑條件，本工程建筑±0.000 m 標高相當于絕對標高為4.3 m（85 國家高程）。地下室底板面標高為-9.90 m（相當于絕對標高-5.60 m）。

2 結(jié)構(gòu)體系及設(shè)計條件

2.1 結(jié)構(gòu)體系

綜合建筑抗震等性能和造價等因素考慮，以框架-剪力墻結(jié)構(gòu)作為背景塔樓項目的結(jié)構(gòu)體系，并以剪力墻和框架組合成多道防線，為結(jié)構(gòu)提供抗側(cè)剛度及承載能力。核心筒剪力墻厚度由550 mm—450 mm—400 mm 過渡，部分剪力墻內(nèi)設(shè)置型鋼。豎向構(gòu)件混凝土強度等級為C40～C60，標準層結(jié)構(gòu)布置見圖1。

圖1 標準層結(jié)構(gòu)布置

2.2 設(shè)計條件

背景項目以8 度設(shè)計抗震設(shè)防烈度，丙類抗震設(shè)防類別，Ⅱ類場地，B 類地面粗糙度，有0.30g 設(shè)計基本地震加速度值、0.4 s 特征周期、0.75 kN/m2的50 年重現(xiàn)期基本風(fēng)壓、1.4 風(fēng)荷載體型系數(shù)[1-3]。

2.3 超限情況

本項目建筑高度為96.9 m，屬于超A 級但未超B 級高度框架-剪力墻結(jié)構(gòu)；在考慮偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比大于1.2，存在1 項一般不規(guī)則項[4-5]。

3 結(jié)構(gòu)分析計算

彈性分析選用盈建科軟件（盈建科2.0.3）和ETABS 軟件（ETABS 2016 C16.2.1）進行計算，取地下室頂板為嵌固端。綜合扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)、雙向地震作用、偶然偏心等影響。計算主要輸入?yún)?shù)：周期折減系數(shù)取0.95，阻尼比0.05，梁剛度放大系數(shù)按GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（2015 年版）第5.2.4條取值。整體計算對比結(jié)果見表1。

表1 兩種軟件整體計算結(jié)果對比表

以YJK 與ETABS 軟件分析結(jié)果為基礎(chǔ)，結(jié)合規(guī)范要求和結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計理念可見：兩種軟件所得計算結(jié)果相近，表明所建模型和理論計算結(jié)果有一定可靠性，所建模型可作為設(shè)計依據(jù)。各項宏觀計算指標（如周期、結(jié)構(gòu)總質(zhì)量、基底剪力、傾覆力矩等）均能基本滿足規(guī)范要求，且相應(yīng)指標參數(shù)差異滿足《海南省超限高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計要點（試行）》（瓊建質(zhì)〔2019〕3 號）的要求。

3.1 多遇地震下彈性動力時程分析

除以振型分解反應(yīng)譜法為基礎(chǔ)所開展的抗震計算外，本項目還以時程分析法作為補充驗算。

3.1.1 地震時程選擇

基于結(jié)構(gòu)第一、第二周期主要振型周期點，以與規(guī)范譜差異小于±20%的范圍選取時程波地震影響系數(shù)。

考慮大小震作用下塔樓第一自振周期約2.52 s，因此，時程波有效持續(xù)時間應(yīng)控制在5 倍自振周期以上，計算時以12.5 s 作為時程波持續(xù)時間，以波形首次出現(xiàn)0.1 倍峰值為起始點，以最后出現(xiàn)0.1 倍峰值為終止點。

所得時程曲線計算結(jié)果應(yīng)滿足平均底部剪力大于80%振型分解反應(yīng)譜法結(jié)果，且各地震波底部剪力應(yīng)大于65%反應(yīng)譜法結(jié)果。

綜合底部剪力、時程波持續(xù)時間和有效峰值等因素考慮，以2 組人工合成波和5 組天然波作為研究對象開展分析。

3.1.2 彈性時程分析結(jié)果

彈性時程分析的基底剪力及位移見表2 及表3。

表2 小震時程與反應(yīng)譜基底剪力的對比

表3 小震時程與反應(yīng)譜層間位移角最大值的對比

從表2 可見：7 組地震波平均底部剪力大于80%反應(yīng)譜法底部剪力，且各地震波底部剪力均大于65%反應(yīng)譜法底部剪力，即所選取的地震波符合要求。

從表3 可見：7 組地震波計算的層間位移角及樓層位移平均值均滿足《海南省超限高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計要點（試行）》限值1/727，且均為彎剪型位移曲線，不存在較大突變，有較為均勻的結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度。

3.2 中震構(gòu)件承載力分析

為保證結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)件安全可靠，本工程采用YJK 程序進行了中震構(gòu)件承載力分析。計算參數(shù)見表4。

表4 中震等效彈性計算方法參數(shù)取值

基于本工程的重要性及結(jié)構(gòu)超高超限情況，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計按表5 中抗震設(shè)防性能目標進行。

表5 中震等效彈性計算方法參數(shù)取值

經(jīng)計算，底部加強部位的剪力墻暗柱配筋均由中震控制，結(jié)構(gòu)平面中間部位外側(cè)剪力墻端柱需設(shè)置型鋼滿足中震抗彎不屈要求，結(jié)構(gòu)平面四角位置處的墻肢在3～20 層需設(shè)置型鋼才能滿足抗剪截面的要求。

4 結(jié)語

本項目在綜合抗震原則及建筑特點的基礎(chǔ)上，仔細考慮了整體結(jié)構(gòu)的布置情況及受力體系，使其整體結(jié)構(gòu)性能盡可能保持良好。以性能化設(shè)計方法進行抗震設(shè)計，除確保小震作用下結(jié)構(gòu)保持彈性階段外，還通過多種計算方式計算結(jié)構(gòu)的彈性和彈塑性，從所得結(jié)果可見，結(jié)構(gòu)有較良好的性能指標表現(xiàn)，符合規(guī)范要求。