金沙洲一號T2棟超限高層結構抗震設計

楊豐瑞

廣州市城市規劃勘測設計研究院有限公司 廣東 廣州 510060

對于超限高層建筑結構，需要設計及相關研究人員重點關注其抗震性能分析方法及相應的抗震設計策略[1]。本文結合實際工程中一棟超限高層商業建筑，對結構超限類型進行判別和分析[2]。通過多種軟件計算、對比、分析和設計，使結構主體最終達到設定的抗震性能目標，并根據結構超限情況和相關規范要求提出相應的抗震構造措施。

1 工程概況

金沙洲一號商業樓項目位于廣州市白云區金沙洲大橋北側、彩濱中路西側。其中T2棟塔樓，建筑功能為商業，地上建筑面積約為2.66萬m2，地下2層，地上28層，結構高度139.95m。T2棟與相鄰塔樓在地下室頂板以上設置200mm防震縫分隔開來，以獨立的單塔樓作為結構主體。抗震設防烈度為7度(0.1g)，II類場地，抗震設防類別為丙類[3]。建筑效果圖如圖1所示。

圖1 建筑效果圖

2 結構設計要點

2.1 結構體系及布置

T2棟塔樓為鋼筋混凝土框架-剪力墻結構，平面呈矩形，中部為剪力墻組成的核心筒，同時考慮結構剛度及受力需要，在外框設置剪力墻。為保證結構剛度自下而上均勻變化，剪力墻混凝土強度下部C60變化至上部C35，截面分層減小。規定地震力作用下，底層框架部分傾覆力矩百分比X向7.9%〈10%，Y向9.7%〈10%，按剪力墻結構進行設計，框架部分按框架-剪力墻結構的框架進行設計，外框剪力墻周邊邊緣構件，按框架柱設計。全樓采用現澆鋼筋混凝土梁板樓蓋，盡可能布置單向板，外圈梁高700mm，框架梁高控制在800mm以內。板厚一般為100mm，核心筒局部板厚150mm。T2棟塔樓標準層平面尺寸為38m x 29.6m，標準層層高4.95m，平面布置如圖2所示。

圖2 T2棟塔樓標準層結構平面布置

2.2 基礎設計

本工程有2層地下室，主樓范圍基礎面標高為-9.80m。基礎采用鉆孔灌注樁基礎，樁規格為1.0m～1.4m，單樁抗壓承載力特征值6800KN～13300KN。基礎持力層為微風化巖，基礎混凝土強度等級C35。地下一層板厚0.15m；地下二層底板厚0.6m。主體結構完成后，塔樓范圍內結構自身重量可抵消地下水反力，可不考慮抗浮問題；塔樓外地下室抗浮采用抗拔鉆孔灌注樁。

2.3 超限情況

根據《高層建筑混凝土結構技術規程》（J G J 3-2010）[4]、《廣東省超限高層建筑工程抗震設防專項審查實施細則》[5]、《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》[6]的相關要求進行判別：本工程T2棟塔樓采用框架-剪力墻結構體系，位于抗震設防烈度7度區，高度為139.95m，屬于B級高度，不存在其他不規則情況，屬于高度超限工程，需要進行抗震設防專項設計。

2.4 抗震性能目標

為達“小震不壞，中震可修，大震不倒”的抗震設防目標，本工程對整體結構及構件進行性能化設計。根據《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ3－2010)第3.11節，本工程結構預期的抗震性能目標要求達到C級，相應小震、中震和大震下的結構抗震性能水準分別為水準1、水準3和水準4。

3 結構分析

3.1 小震反應譜分析

本工程小震反應譜采用YJK和MIDAS兩種三維計算軟件對結構計算結果進行對比和分析，主要參數如表1所示。

表1 小震振型分解反應譜法主要計算結果

由表1可知，YJK與MIDAS的計算結果比較接近，印證計算結果可信。結構的主振型以平動為主，整體結構周期比、剪重比、層間位移角，及結構上下層側向剛度比、受剪承載力等分析數據，均滿足規范限值要求，說明結構體系設計合理。

3.2 彈性時程分析

本工程按《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ3-2010)4.3.5條規定，選用YJK軟件中的5組天然波和2組人工波，對結構補充多遇地震下的彈性時程分析，結論如下： (1)兩種分析方法得出的樓層剪力和傾覆彎矩曲線形狀基本一致；(2)樓層位移曲線光滑無突變，反映結構側向剛度較為均勻；(3) 彈性時程分析得出的中、低區樓層內力平均值小于規范反應譜法得出的樓層內力，高區部分樓層結果則反之；(4)考慮雙向地震作用下，實際地震力調整最大放大系數為1.270。

3.3 中震等效彈性分析

本工程采用等效彈性方法進行中震驗算，控制各類構件在中震下的受彎及受剪承載力滿足水準3的性能要求。驗算結果如表2所示。

表2 中震截面性能匯總表

分析結果可知，中震下結構滿足底部加強區剪力墻及普通豎向構件僅輕微損壞、框架梁及連梁僅輕度損壞或部分中度損壞的性能水準，各抗側力構件能達到第3水準的抗震性能目標。

3.4 大震動力彈塑性分析

本工程按《建筑抗震設計規范》(GB 50011-2010) 要求，選擇了1組人工波和2組天然波，采用Sausage有限元分析軟件對結構建立有限元模型，如圖3。對該高層框架-剪力墻結構進行了罕遇地震下的動力彈塑性時程分析，具體結果見表3。

表3 大震作用下結構彈塑性分析結果

圖3 T2棟SAUSAGE有限元模型

大震彈塑性分析結果表明，結構彈塑性基底剪力約為多小震下結構彈性基底剪力的3.9～5.8倍，說明部分結構構件進入屈服階段，發生塑性變形，剛度有所退化，地震作用減少[7]。結構在地震作用下最大頂點位移0.612m，最大彈塑性層間位移角1/178，滿足規范1/100的限值要求。

對于主體結構，在考慮重力二階效應及大變形的條件下，整體結構能夠完成整個彈塑性時程分析過程而不發散，最終能保持直立，滿足“大震不倒”的設防要求。對于結構部件，各組地震波作用下的損壞破壞情況如下：

1.剪力墻混凝土損傷大部分為連梁損壞，剪力墻底部加強區僅出現輕度損壞，其它部位墻肢均未出現顯著損傷，剪力墻損傷總體上滿足所設定的性能目標。

2.2 根框架柱底部出現輕度損壞，1根框架柱頂部出現點狀中度損壞，2根框架柱頂部出現輕度損壞，其余柱子均未出現顯著受壓損壞框架柱總體達到預設的性能水準要求。

3.除少部分靠近洞口和剪力墻端部的框架梁出現輕度損壞或點狀中度損壞，其余梁均未出現顯著受壓損傷，達到預設的性能水準要求，框架梁總體滿足所設定的性能目標。

綜上，結構整體和各構件能達到第4水準的抗震性能目標。

4 針對超限情況采取的措施

4.1 設計和構造措施

1.底部加強區剪力墻按中震性能水準3、大震性能水準4 的性能目標進行設計；底部加強區剪力墻墻身豎向分布筋最小配筋率提高至0.40%，約束邊緣構件縱向鋼筋最小配筋率1.4%，配箍特征值增大20%。

2.針對塔樓標準層樓板電梯井大開洞的情況，電梯井范圍內樓板加厚至150mm，底、面筋拉通，配筋率不小于0.25%。

3.針對罕遇地震作用下第28層柱頂端出現點狀中度損壞情況，提高頂層框架柱抗震構造措施，抗震等級提高至特一級。

4.加強梯板鋼筋與核心筒剪力墻的連接，梯板分布鋼筋適當加強，并錨入周邊與之相連的核心筒剪力墻中，對核心筒剪力墻形成有效加強。

5.外框剪力墻周邊邊緣構件，按框架柱設計。

4.2 計算手段

1. 結構整體分析計算采用兩個不同的彈性分析軟件YJK和MIDAS進行對比分析，并采用考慮扭轉耦聯振動影響的振型分解反應譜法計算。

2. 按規范要求，采用彈性時程分析法進行多遇地震下補充計算，輸入2組人工波和5組天然波，并將結果與反應譜分析結果相比較，取時程分析計算結果的包絡值，與振型分解反應譜法計算結果的較大值設計。

3. 對關鍵構件、普通豎向構件、耗能構件按擬定的性能目標，進行中震第3水準和大震第4水準驗算，采取相應加強措施。

4. 對結構進行罕遇地震下的動力彈塑性分析，確保結構能滿足第二階段抗震設防水準要求，并對薄弱構件制定相應的加強措施。

5 結語

綜上所述，金沙洲一號商業樓T2棟為B級高度的超限高層結構，在設計中采用概念設計方法，采用多種程序對結構進行小震彈性、小震彈性時程、中震等效彈性以及大震動力彈塑性時程等計算分析。計算結果顯示，多項指標均表現良好，滿足規范的有關要求。說明按本工程所采取的抗震設計方法對超限高層結構進行分析，可驗證結構設計是否安全可行。根據計算分析結果和概念設計方法，對關鍵和重要構件適當加強，保證結構在地震作用下的延性性能，使結構整體及各構件的抗震性能目標達到C級，說明對超限高層結構采取一定的抗震加強措施，可進一步保證結構的抗震安全性。