泰州某超限高层抗震性能设计

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　　摘  要 ：随着我国城镇化建设进程的快速推进，超限高层建筑的数量快速上升，而其在地震工况下的安全性能成为必须重视的问题。该文通过对泰州某超限高层项目在小震、中震和大震工况下的结构计算分析，对其结构安全性进行了全面和准确的论证，经过论证可知其抗震设计达到预期目标，满足建筑使用要求，结构方案安全可行，从而最终得出其抗震性能满足结构安全的结论。
　　关键词 ：超限高层 ;抗震性能设计 ;弹性分析 ;弹塑性分析
　　中图分类号 ： TU352 文献标志码 ：A
　　0 引言
　　超限高层是指超过规范要求限制的高层建筑。随着我国城镇化建设进程的快速推进，建筑规模的不断扩大以及建筑技术的长足进步，超限高层建筑出现在我国绝大多数城市的开发建设中，而这其中必须引起充分重视的问题之一是它的抗震性能是否能够满足结构安全的要求。
　　1 工程概况
　　该项目位于泰州市中心 ， 总建筑面积 238 802.23 ㎡，由两栋超高层办公塔楼（平面镜像关系）和商业裙房组成。超高层塔楼地上 53 层（1～4F 层高 4.5，5F 以上标准层层高 3.4 m），地下 3 层，总结构高度 186.15 m，平面尺寸57.8m×33.1m 高宽比 5.61，核心筒高宽比 16.15。
　　结构体系 ：采用钢筋混凝土框架 - 核心筒结构，楼盖形式为钢筋混凝土主次梁楼盖，核心筒与外框架组成双重抗侧体系。
　　主要构件：外框柱截面尺寸首层 1500mm×1900mm，2F以上逐次减小，至顶部楼层收至 600mm×800mm;核心筒外墙厚度由首层 1 000 mm 逐次减小，至顶部楼层收至 400 mm;柱墙混凝土强度由底部 C60（1 至 20F） 逐次变化至顶部楼层C40 ;标准层框架梁截面 400mm×600mm（内框梁）和 400mm×700mm（外框梁）。
　　超限判定情况 ：（1）高度超限 ：结构高度 186.15  m大于 7 度区 B 级高度限值 180 m 。2）扭转不规则 ：考虑偶然偏心的扭转位移比为 1.38，大于规范判定值 1.2。3）楼板局部不连续 ：2层楼面开洞面积约 40.5%，大于规范判定值 30%，同时形成3根穿层框架柱，为局部不规则。
　　2 结构抗震性能目标
　　根据该项目的场地条件、结构特点和社会影响，初步拟定本项目的抗震性能目标为 D 级。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》3.11.1 和 3.11.2 的规定，D 级性能目标表示在多遇地震（小震）下结构基本无损坏，不需修理即可继续使用;在设防烈度地震（中震）下结构为中度损坏，在修复或加固后可继续使用 ;在罕遇地震（大震）下结构出现比较严重的损坏，但不出现倒塌，需排险大修。
　　3 结构整体抗震分析与设计
　　3.1 多遇地震下的弹性分析
　　该項目基础分析程序采用北京盈建科软件有限责任公司编制的基础设计软件 YJK-F（2.0.1 版），同时采用 Etabs（2018 版）程序进行计算对比分析，2种模型的计算结果接近，整体控制指标如下 ：第一、二振型均为平动且周期较为接近，Tt/T1 均小于 0.85。楼层质量分布除避难层和顶层活载较大，形成一定突变外，其他楼层质量分布均匀，该层楼层质量与相邻下一层质量比均小于规范限值 1.50。2个方向的层间位移角分别为 1/901 和 1/755， 均为地震工况控制，且小于规范限制（1/659）。层间侧移刚度比值和楼层抗剪承载力比值均在规范限制范围内，无软弱层和薄弱层。地上各楼层在 X 和 Y 方向的剪重比 1.27% 和 1.39% 均满足规范要求（>1.2%）。2个方向的楼层位移曲线均为弯剪型，曲线光滑无拐角，侧向刚度变化均匀。底部楼层2个方向框架柱承担的倾覆力矩分别为 35.5% 和 29.5%。各层框架柱剪力占底层总剪力的百分比 ：X 向 1～38 层均大于 0.2，不需调整，39F 及以上需进行放大，Y 向 16～36 层均大于0.2，不需调整，15 层以下和 37 层以上均需要放大，放大系数按规范要求取值，以满足外框架作为第二道抗震防线的要求。弹性时程分析结果表明，变形曲线不存在突变，无薄弱层。7 条波的弹性时程平均楼层剪力值，除高区局部楼层需要放大外，其余楼层均小于规范反应谱的计算值。
　　3.2 设防烈度地震下的抗震性能验算
　　3.2.1 计算方法与参数
　　设防地震下的结构抗震性能化分析设计采用等效弹性算法，水平地震影响系数最大值为 0.23，阻尼比为 0.05，周期折减系数为 0.9，连梁刚度折减系数为 0.5，其它参数与计算要求均按规范要求。
　　3.2.2 分析结果
　　中震下基底剪力基本是小震剪力的 2.6～2.7 倍。关键构件 ：底部加强区墙肢在中震弹性工况下的墙肢水平配筋率均在 0.2%～0.67% 之间，底部 5 层的外框柱箍筋均为构造配筋，满足抗剪弹性性能目标 ;二者在中震不屈服工况下的验算结果也表明达到了抗弯不屈的要求。
　　普通竖向构件 ：剪力墙的水平配筋率约 0.20～0.35%，框架柱的箍筋配筋率均为构造配筋，满足抗剪不屈服 ;剪力墙端柱和外框架柱的计算配筋与小震小接近，且基本为构造配筋，满足抗弯不屈服。
　　耗能构件 ：中震不屈服工况下，核心筒搁置楼面次梁的连梁和外框架梁均未出现抗剪超筋，满足中震抗剪不屈服。
　　底部加强区核心筒墙肢拉应力验算 ：在中震不屈服荷载作用下，底部加强区核心筒南、北侧墙肢均出现拉应力（底层拉应力最大），且部分墙肢拉应力大于混凝土强度标准值 ftk，根据当地规定，对于拉应力超过 ftk 的墙肢均设置型钢，含钢率为 1%～2%，以避免核心筒剪力墙在中震作用下出现受拉破坏。 　　3.3 罕遇地震下的弹塑性动力时程分析
　　3.3.1 计算软件与参数
　　采用 MIDAS BUILDING 软件对该结构进行罕遇地震下的弹塑性时程分析。水平地震影响系数最大值为 0.5，阻尼比为 0.07，周期不折减，连梁刚度折减系数为 0.3，其他参数与计算要求均按规范要求。
　　3.3.2 分析结果
　　各组地震波计算完成后，结构处于稳定状态，满足“大震不倒”的设防目标。结构在大震弹塑性时程工况下 X、Y 两个主方向基底剪力平均值分别为弹性结果下的 64.1% 和 67.8%，表示结构整体上进入了中度的塑性。结构在 X、Y 两个方向位移角分别为 1/112 和 1/121，均满足小于 1/100 的要求，最大层间位移角不大于 0.9 倍塑性变形限值，未发生严重破坏。结构整体非弹性耗能，为结构整体耗能的 20～25%，说明整体结构具备较好的耗能机制。底部剪力墙混凝土受压应变在 2 级以内，延性系数绝大部分小于 1，混凝土未压溃，钢筋应变等级在 1 级以内，受拉未屈服。上部剪力墙个别构件剪切应变等级达到 5 级，剪力墙进入开裂状态或屈服状态，进入轻度至中度塑性。连梁中度损害，部分比较严重损坏，整体上进入中度至严重的塑性，在地震中起到了良好的耗能作用。大部分框架柱延性系数小于 1，个别构件发生轻度损坏，说明框架柱进入轻微的塑性。框架梁延性系数 D/D2 大部分在 0.8～2 之间，部分框架梁延性系数超过了 2.0，进入塑性程度较高，框架梁部分构件中度损坏。底部五层外框柱及开洞跃层柱绝大部分延性系数小于1，其中塔楼范围内框架柱全处于弹性，延性系数均在小于1，说明底部外框柱及跃层柱在地震作用下处于轻微塑性状态，抗震性能良好。剪力墙收进层的柱延性系数均小于 1，处于弹性范围内。收进层剪力墙屈服等级绝大部分处于 2 级范围内，只有个别与连梁连接处屈服等级超过了 5 级，延性系数超过了 1.0，說明剪力墙收进处结构具有良好的抗震性能。动力弹塑性时程分析表明在地震波作用下，核心筒压弯部分屈服，不发生混凝土压溃，剪力墙体剪切变形个别构件破坏，剪力墙底部局部进入塑性 ;框架柱基本处于弹性阶段，具有较好的二道防线;框架梁及连梁端部形成充分的塑性铰，实现了耗能机制。结构具有良好抗震性能，能实现既定的抗震性能目标。
　　3.4 特殊构件分析
　　3.4.1 穿层柱分析
　　入口大堂位置形成跨越二层的穿层柱（3 根），全高9.0 m，通过线性屈曲分析，得出其计算长度系数均小于《混凝土结构设计规范》（GB 50010）规定的 1.25，构件设计时按规范取值偏于安全。经计算分析，小震和中震工况下穿中国新技术新产品 2020 NO.5（下） 工 程 技 术层柱均达到了抗弯弹性和抗剪弹性 ;大震工况下抗弯和抗剪均不屈服。
　　3.4.2 二层楼板应力分析
　　除局部核心筒墙体位置及平面凹角区域应力集中外，小震作用下楼板主拉应力均远小于 C30 混凝土的抗拉强度设计设计值 ft=1.43 N/mm2，满足小震弹性性能目标 ;在中震不屈服荷载工况下楼梯间对应的核心筒区域板的最大主拉应力约为 1.8 N/mm2 ，小于楼板混凝土抗拉强度标准值ftk=2.01N/mm2。满足中震不屈服的性能目标。中震下楼板主应力如图 1 所示。
　　4 主要抗震加强措施
　　4.1 增强核心筒墙体延性的措施
　　控制墙肢轴压力和剪力水平，满足大震截面抗剪要求，确保墙肢在大震下的延性且不发生剪切破坏 [1] ;核心筒角部和墙肢端部增加配筋，在边缘构件内尽量使用箍筋以约束混凝土，对中震作用下拉应力较大的墙肢，增加钢骨共同承担拉力，保证墙肢延性 ;在关键区域的连梁中布置对角斜筋，增强连梁延性。
　　4.2 增强外框架延性的措施
　　框架柱轴压比控制在规范建议的限值 0.75 以内。对于剪跨比小于 2 的柱采用箍筋全高加密，并按规范适当提高体积配箍率。考虑角柱对塔楼抗侧刚度贡献较大，且处于受力不利的位置，因此，加强角柱的配筋，提高角柱的抗震延性。增强抗扭刚度 ：调整抗侧力结构的布置，尽量使结构两方向刚度布置均匀，加强外围构件的刚度，增大结构的抗扭刚度。针对室内外高差 1.2 m 的情况，设计中通过在高差处框架梁顶部加腋的措施，减少错层的不利影响。针对穿层墙柱、大开洞、弱连接的加强措施有3点。1）增大二层入口大堂等处的穿层柱柱顶梁截面尺寸，增加上下楼盖厚度对柱的约束。穿层墙柱在计算上人工复核柱计算长度系数，进行稳定屈曲验算，同时提高穿层柱所承担的剪力值（将穿层柱所在楼层的最大柱剪力值附加给每根穿层柱），其他按照前述性能要求进行设计 。2）构造上，柱配筋加强，箍筋全长加密，墙分布筋配筋率加强，边缘构件配筋加强，箍筋全长加密。对于大开洞和弱连接部分，加大大开洞周边及上一层相关位置、弱连接区域的楼板厚度，双层双向配筋 。3）在计算上补充地震作用下楼板应力计算。
　　5 结论
　　该文讨论了采用 YJK、Etabs 程序对整体结构进行了抗震、抗风验算，各项分析计算结果基本吻合，能满足规范要求。小震变形曲线不存在突变，无薄弱层 ;中震计算表明，在设防地震作用下，各类构件均满足预定的性能目标。通过罕遇地震动力弹塑性分析，表明结构整体进入了中度塑性，未发生严重破坏，具有较好的耗能机制和二道防线作用，实现了既定的抗震性能目标。综合以上分析，该工程抗震设计可达到预期的性能目标，同时也满足建筑的使用要求，结构方案是安全可行的。
　　参考文献
　　[1] 李光明 ， 吴宏磊 ， 杨扬 . 浦发银行办公楼超限高层结构设计 [J]. 结构工程师 ，2019，35（3）：1-5.
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