大底盘双塔超限高层建筑结构抗震性能化设计

　　摘要：某大底盘双塔超限高层建筑，建筑结构高度190.5米，主要采用剪力墙结构体系。综合建筑功能、场地条件、设防类别、结构类型和不规则性等，设定抗震性能目标为C级，应用SATWE和YJK进行整体分析，PUSH&EPDA和STRAT进行弹塑性分析补充论证。分析结果显示，各项指标均满足现行规范要求，结构体系合理，加强措施可行，满足抗震设防目标要求。

　　关键词：大底盘双塔；超限高层；抗震性能化设计；弹塑性分析

　　中图分类号：TU973文献标志码：A文章编号：2095-2945（2018）14-0093-03

　　引言

　　基于性能的抗震設计是建筑抗震设计的发展方向，文章以实际工程为案例，进行抗震性能化设计，采取多种分析方法对结构体系和构件进行分析计算，并提出加强措施，使得建筑物达到“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防目标。

　　1工程概况和设计参数

　　项目位于佛山市南海区，建筑物由1座（45层）、2座（44层）和大底盘裙楼（4层）组成的产业及配套用房用途公共建筑，地下两层车库，两栋单塔以裙楼中轴为对称布置，总建筑面积约16.8万m2。1座和2座建筑结构高度190.5m，裙楼为21.6m。

　　本工程正负0至裙楼屋面部位为重点设防（乙类），其余部位为标准设防（丙类）。抗震设防烈度7度，II类场地，设计地震第一组，地震加速度值0.1g，特征周期0.35s，设计使用年限50年，安全等级二级，重要性系数1.0，地基基础甲级。风荷载基本风压0.5kN/m2，地面粗糙度B类，体形系数1.4。

　　2结构体系和基础选型

　　建筑物高宽比为6.4，结合建筑功能用途，选用钢筋混凝土剪力墙结构体系，其中裙楼部分为框架结构，局部存在框支转换结构和大跨度框架结构，楼盖选用钢筋混凝土梁板体系，典型结构布置见图1和图2。计算嵌固层选定为地下室顶板。

　　场地地基岩土种类复杂、不均一，起伏变化大，通过对各勘探孔进行土层厚度分析，结合超高层墙柱底荷载大的情况，选用旋挖成孔混凝土灌注桩基础，以微风化岩（frp=15MPa）为桩端持力层。

　　图2典型标准层结构布置图

　　3结构超限情况及抗震性能目标

　　根据文献[2]及[3]的有关规定，本工程属于高度超限建筑（超B级高度限值），存在楼板不连续、尺寸突变、构件间断和穿层柱等不规则项。综合建筑结构体系和超限情况，结构抗震性能目标选定为C级（1、3、4），各构件抗震性能目标见表1。结构层间位移角限值为：小震弹性1/1000，大震弹塑性1/120。

　　4计算分析及结果

　　根据性能目标，分别采用不同软件和不同的计算方法对结构进行分析论证。以SATWE为主要计算主程序进行小震、中震和大震等效弹性分析，采用YJK进行小震弹性校核对比和弹性时程补充分析，同时补充了大震作用下的PUSH&EPDA静力推覆和STRAT动力弹塑性分析论证。

　　4.1小震弹性分析

　　本工程进行了多塔和单塔的弹性分析计算，考虑偶然偏心地震作用、双向地震作用、平扭耦联及施工模拟3等主要参数。计算结果见表2，剪重比在底部部分楼层不满足，通过增加计算振型数和放大地震剪力系数调整后可满足要求，其余各主要指标均满足现行规范要求。

　　根据文献[2]的要求，选取了5组天然波和2组人工波补充弹性时程分析。地震波有效峰值加速度（36cm/s2）和持续时间（结构基本自振周期的5～10倍，且大于15s）均满足规范要求，且前三个周期的平均地震影响系数与反应谱结果相差不超过20%。每条地震波计算的结构底部剪力不小于反应谱计算结果的65%，七条波计算的结构底部剪力平均值不小于反应谱计算结果的80%。时程分析的剪力、弯矩、位移和位移角曲线与反应谱计算所得的曲线相似，指标结果均满足规范要求。

　　4.2中、大震作用下弹性和不屈服分析

　　按性能目标对结构进行中、大震作用下的等效弹性计算。随着地震力增大，构件塑性铰陆续开展，计算时适当考虑结构阻尼比增加和连梁刚度折减，不考虑与抗震等级有关的构件内力调整系数。弹性分析和不屈服分析时，材料强度分别为设计值和标准值。

　　由计算分析可见：（1）中震作用下，关键构件和普通竖向构件均满足抗弯不屈服和抗剪弹性，耗能构件抗弯和抗剪均不屈服。其中部分剪力墙的抗弯计算配筋和抗剪计算配筋比小震时要大，部分框架梁和连梁的抗剪计算配筋比小震时要大。（2）大震作用下，底部加强区剪力墙可满足抗剪不屈服，其余剪力墙满足抗剪截面，框支转换梁和转换柱均满足抗弯不屈服和抗剪不屈服，耗能构件大部分屈服。其中部分剪力墙的抗剪计算配筋比小震和中震时要大。（3）剪力墙的剪应力满足性能目标要求。（4）中震不屈服作用下，局部墙肢出现拉应力。

　　4.3大震弹塑性分析

　　采用PUSH对单塔进行静力推覆分析，结果见表3，在结构性能点处最大层间位移角均满足限值1/120，可实现“大震不倒”的抗震设防目标。经查小、中、大震性能点处的结构损伤分布图，小震时保持弹性工作状态，中、大震时部分耗能构件的塑性铰陆续开展。由表3基底剪力对比分析可见，大震作用下结构体系通过构件屈服进入弹塑性阶段的屈服，起到较好的耗能作用，表明本结构体系具有一定的延性。底部结构转换处，转换梁、转换柱在小、中、大震性能点均处于弹性状态，无损伤。

　　为清晰揭露大底盘双塔的整体抗震受力状况，还采用STRAT对多塔进行了动力弹塑性分析，模型分析中梁柱墙采用纤维单元，楼板采用分层壳纤维单元，由基本纤维的拉压非线性本构特性（单向/二维），实现构件的非线性性能及整体结构的非线性性能。选取了2组天然波和1组人工波进行分析计算，所选地震波满足文献[2]及[3]的要求。

　　计算结果显示：（1）X方向最大层间位移角为1/196（塔1）和1/235（塔2）；Y方向最大层间位移角为1/188（塔1）和1/149（塔2）。大震作用下结构处于稳定状态，满足“大震不倒”的抗震设防目标。（2）结构在X、Y方向基底剪力最大值为182343kN和193914kN，对应的剪重比为5.94%和6.32%。（3）X、Y两个方向顶点位移的平均值分别为0.63m（塔1）和0.72m（塔1）、0.47m（塔2）和0.80（塔2）。大震下整体响应指标满足规范设计要求。

　　通过时程波历时过程分析可见：（1）核心筒连梁屈服出

　　现早、范围大、程度深，有效耗能；框架梁大面积屈服，有效耗能。（2）核心筒底部墙肢，局部轻微抗弯屈服。（3）外围剪力墙底部，局部轻微抗弯屈服。（4）外框柱柱底均未出现拉力。（5）框支转换梁端出现轻微损伤，框支转换柱无损伤。（6）裙楼屋顶大跨度部位结构梁柱未见损伤。（7）裙楼楼板应力局部较大，局部部位屈服。

　　4.4樓板应力分析

　　裙楼结构平面尺寸约为52m×142m，裙楼中部未设分缝，应用PMSAP程序按弹性板6进行分析，揭露大底盘裙楼楼板在中震不屈服作用下的应力分布。同时，考虑由温度变化（温差绝对值为20℃）而引起裙楼楼板的应力变化情况，裙楼屋面25.2米双向大跨度结构在重力作用下的楼板应力情况。

　　由分析结果可见：（1）在中震不屈服作用下，在开洞角部、塔楼核心筒角部、塔楼框架柱部位楼板明显应力集中。（2）在温差变化工况作用下，在建筑边角部、开洞角部、塔楼核心筒角部、塔楼框架柱部位楼板明显应力集中。其中裙楼中部楼板在温升工况作用下出现局部压应力，楼板应力水平不高；在温降工况作用下出现较大拉应力，楼板应力水平较高。中部结构梁和结构柱配筋，在温升和温降工况作用下均在性能目标小震弹性计算结果包络以内。（3）重力作用下大跨度部位楼板的压应力值较高，而受大跨度结构影响的两端相邻跨部位出现较大的拉应力。

　　4.5大跨度屋面舒适性分析

　　裙楼屋面25.2米双向大跨度处，上部设置游泳池，为保证其舒适性使用，采用了STRAT进行舒适度分析。选用竖向地震反应谱和人行加速度时程波输入，经分析：（1）在竖向地震反应谱作用下，最小频率3.8Hz。（2）采用时程分析计算，其加速度最大值0.018m/s2。（3）在恒载和活载作用下，大跨度结构梁在长期刚度下的挠度最大值为24mm，挠度与跨度比值1/1050。主要指标均满足规范限值要求。

　　4.6穿层柱分析

　　本工程存在主要受力结构柱首～二层穿层的情况。应用MidasGen2014进行模拟分析，选择相应的穿层柱，在柱顶端施加单位集中力，求得穿层柱屈曲模态，再得出相应临界荷载系数值。然后，应用欧拉失稳公式Pcr=π2EI/（μL）2，反算出计算长度μL，以此求得穿层柱的计算长度系数。将各穿层柱的计算长度系数输入整楼模型中，进行大震作用下考虑P-Δ作用效应的验算，验算结果显示，强度和稳定满足规范要求。

　　5主要加强措施

　　通过上述论证分析，本工程结构能满足竖向荷载和风荷载作用下的有关指标，且能满足抗震设防目标。结合各构件性能目标要求和薄弱部位的加强方向，采用如下加强措施：（1）剪力墙底部加强区提高墙身分布筋最小配筋率至0.50%。（2）转换梁和转换柱构件内设置型钢加强构件的承载能力和延性性能。（3）提高中震不屈服作用下受拉墙肢的墙身竖向分布筋最小配筋率至0.5%，提高暗柱的纵向配筋率，满足墙肢受拉力要求。（4）裙楼二～五楼板板厚加强至

　　150mm，配置双层双向10@150，裙楼屋面25.2米双向大跨度结构梁及相连结构柱均设置型钢，相邻跨部位延伸2/3跨范围内均设置钢骨混凝土结构梁，加强其强度和刚度。

　　6结束语

　　大底盘多塔超限高层建筑，功能使用要求高，结构体系应用种类多，通过基于性能的抗震设计方法进行了详细的计算分析论证，使得建筑物满足抗震设防要求。针对此类项目，在设计概念和方法论上可以归纳如下：（1）选用合理的结构体系，清晰判断结构超限类别和不规则程度，提出适宜的抗震性能目标。（2）针对设定的性能目标要求，对结构进行详细整体分析，存在薄弱和软弱部位补充更深层次的论证分析，并对提出相应的加强措施。（3）具体分析考虑不同工况组合，以揭露最不利状况的实际受力，避免盲目的全工况考虑包络或仅单工况考虑不周。（4）复杂结构体系应采用多种不同程序进行分析，对比分析论证结果，以保证分析结论的可靠性。

　　作者：古宝铖