王 旭

（中鐵房地產(chǎn)集團北方有限公司 北京 100066）

1 引言

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和土地資源的緊缺，在人口密集型城市建設(shè)超高層結(jié)構(gòu)具有可行性和必要性[1]。保證超高層結(jié)構(gòu)的抗震性能安全尤為重要。本文通過超高層工程實例，結(jié)合基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計及抗震性能分析，在超高且存在平面及豎向不規(guī)則情況下提出適宜的結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計目標(biāo)。

2 項目概況

該項目位于重慶市北濱路，總建筑面積約為27.7萬m2，其中5＃公寓樓為本次重點研究超高層建筑。建筑結(jié)構(gòu)高度145.75 m，地上三十七層，在11層和25層處設(shè)兩個避難層；因建筑功能需要，在35層和36層處單獨設(shè)置兩個設(shè)備夾層；地下室三層。5＃公寓樓立面效果如圖1所示。

圖1 5＃公寓立面效果圖

（1）主體概況

本建筑采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)，B級高度，水平荷載和地震作用為設(shè)計主要控制因素。由于建筑需要提高客廳及臥室的通透感，建筑物角部不允許設(shè)置結(jié)構(gòu)柱。標(biāo)準(zhǔn)層建筑平面布置如圖2所示。結(jié)構(gòu)布置在滿足建筑使用功能的同時，盡量做到簡單規(guī)則、受力明確、經(jīng)濟合理，剪力墻盡量布置在樓電梯間及建筑周邊，如圖3所示。結(jié)構(gòu)的X向?qū)挾葹?8.4 m，Y向?qū)挾葹?4.4 m；X向高寬比5.13，Y向高寬比5.97。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)層建筑平面布置

圖3 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置

（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計主要參數(shù)

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011—2010）（2016年版）和《建筑抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》等國家現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范，結(jié)構(gòu)設(shè)計所采用的設(shè)計基準(zhǔn)期為50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，抗震設(shè)防烈度6度，地震動峰值加速度0.05 g，設(shè)計地震分組第一組，場地類別Ⅲ類，屬抗震不利地段，特征周期0.45 s，彈性分析阻尼比0.05。框架及剪力墻抗震等級為二級，抗震設(shè)防類別為丙類。風(fēng)荷載作用下層間位移角限值1／800，多遇地震作用下層間位移角限值1／800，罕遇地震作用下層間位移角限值1／100。

（3）荷載作用

本工程多遇地震、設(shè)防地震、罕遇地震的地震動參數(shù)均按規(guī)范建議值采用?；撅L(fēng)壓0.44 kN／m2。

3 超限情況

（1）超限判別

本建筑在偶然偏心的規(guī)定水平力作用下，層間位移比為1.22，大于1.2，判定本工程為扭轉(zhuǎn)不規(guī)則；38層因建筑功能所需，客廳區(qū)域為兩層挑空，導(dǎo)致有效樓板寬度小于50%，造成樓板局部不連續(xù)；避難層11層、25層因建筑功能所需，存在穿層柱，造成局部不規(guī)則。

（2）超限措施

根據(jù)以上超規(guī)超限等復(fù)雜情況，綜合考慮類似工程中的相關(guān)資料[1－2]，采取加強剪力墻及底部加強區(qū)框架柱、加強穿層柱、加厚不連續(xù)樓板且增強配筋等措施。

4 抗震性能目標(biāo)

本工程抗震設(shè)計在滿足國家、地方規(guī)范外，根據(jù)性能化抗震設(shè)計的概念進行設(shè)計。根據(jù)《建筑工程抗震性態(tài)設(shè)計通則》和《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3—2010）第3.11.1條文說明進行抗震性能評估，并同時綜合考慮抗震設(shè)防類別、設(shè)防烈度、場地條件、結(jié)構(gòu)特殊性、建造費用、震后損失和修復(fù)難易程度等因素[3－4]。

鑒于擬建建筑為B級高度建筑，同時結(jié)構(gòu)較為規(guī)則，因此其抗震性能目標(biāo)選用D級。根據(jù)D級性能目標(biāo)要求，結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件性能目標(biāo)如表1所示。

表1 抗震性能目標(biāo)

5 多遇地震計算分析

多遇地震計算采用振型分解反應(yīng)譜法，不是本文研究重點，只做簡要說明。本工程采用盈建科和ETABS兩種分析軟件計算多遇地震作用，結(jié)果互為校核?？紤]偶然偏心及雙向地震作用，CQC法進行振型組合，兩者計算結(jié)果較為接近，分布規(guī)律相同。第一振型與第二振型為平動，且周期較為接近，約為4.5 s；第三振型為扭轉(zhuǎn)振型。各計算結(jié)果數(shù)值上滿足規(guī)范要求，驗證了結(jié)構(gòu)的合理性和正確性[5－7]。

6 設(shè)防地震計算分析

采用盈建科軟件對關(guān)鍵構(gòu)件，如底部加強區(qū)及其上一層剪力墻、避難層穿層墻驗算中震抗剪承載力彈性及正截面承載力不屈服的性能目標(biāo)。

（1）中震等效彈性層間位移角驗算

中震等效彈性計算的層間位移角X方向為1／600，Y 方向為 1／621。計算結(jié)果表明，中震條件下結(jié)構(gòu)的最大層間位移角滿足1／200的規(guī)范限值要求。

（2）中震彈性構(gòu)件性能目標(biāo)驗算

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第三章相關(guān)規(guī)定，采用等效彈性方法對構(gòu)件的性能目標(biāo)進行驗算。底部加強區(qū)（以層高最大的1層為例）和11層避難層關(guān)鍵構(gòu)件中震等效彈性分析計算結(jié)果如圖4、圖5所示。其計算結(jié)果表明關(guān)鍵結(jié)構(gòu)構(gòu)件能夠滿足性能水準(zhǔn)要求。

圖4 底部加強區(qū)（1層）關(guān)鍵構(gòu)件中震性能目標(biāo)計算結(jié)果

圖5 避難層11層關(guān)鍵構(gòu)件中震性能目標(biāo)計算結(jié)果

7 罕遇地震計算分析

（1）罕遇地震等效彈性層間位移角及整體穩(wěn)定驗算

大震等效彈性計算的層間位移角X方向為1／250（20 層），Y 方向為 1／239（19 層）。計算結(jié)果表明，大震下結(jié)構(gòu)的最大層間位移角滿足不大于1 ／100的規(guī)范限值要求[8－10]。

大震等效彈性計算的抗傾覆穩(wěn)定結(jié)果如表2所示。

表2 大震等效彈性計算的抗傾覆穩(wěn)定計算結(jié)果

可見，結(jié)構(gòu)大震下的整體穩(wěn)定滿足要求，且?guī)缀鯚o零應(yīng)力區(qū)。

（2）罕遇地震不屈服目標(biāo)驗算

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第三章相關(guān)規(guī)定，采用等效彈性方法對構(gòu)件的性能目標(biāo)進行驗算。底部加強區(qū)（以層高最大的1層為例）和11層避難層剪力墻的大震等效彈性分析計算結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 底部加強區(qū)（1F）關(guān)鍵構(gòu)件大震性能目標(biāo)計算結(jié)果

圖7 避難層11層關(guān)鍵構(gòu)件大震性能目標(biāo)計算結(jié)果

由關(guān)鍵構(gòu)件按大震不屈服計算的配筋結(jié)果可知，大部分墻體水平鋼筋為構(gòu)造配筋。一層樓電梯間區(qū)域的剪力墻豎向鋼筋計算結(jié)果較大。經(jīng)查看構(gòu)件信息發(fā)現(xiàn)該部位墻肢受拉，施工圖設(shè)計時需要對其邊緣構(gòu)件縱筋和墻身豎向分布筋進行加強。

（3）罕遇地震作用下動力彈塑性分析

計算結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的動力響應(yīng)，研究結(jié)構(gòu)在強烈地震作用下的變形形態(tài)、構(gòu)件的塑性及損傷情況，以及整體結(jié)構(gòu)的彈塑性行為。

按照規(guī)范要求從太平洋工程地震研究中心（PEER）的地震波庫中選取5組天然波及YJK軟件生成的2組人工波，并按最大基底剪力的原則選出反應(yīng)最大的2組天然波和1組人工波進行大震彈塑性計算。

本工程選用天然波 1（Iwate＿Japan＿NO5619）和天然波 2（Chuetsu-oki＿Japan＿NO4855）及人工波 1，采用PKPM-SAUSAGE軟件進行罕遇地震作用下的彈塑性時程分析，峰值加速度取規(guī)范值144 cm／s2。各組地震波均按地震主方向為X向和Y向分別進行加載，主方向與次方向的加速度峰值比值為1∶0.85。

結(jié)構(gòu)在3條地震波作用下的彈塑性分析整體計算結(jié)果見表3～表5。

表3 YJK模型與SAUSAGE模型周期與質(zhì)量對比

可見兩軟件計算結(jié)果中周期比較接近，就總質(zhì)量而言，YJK模型不包括鋼筋質(zhì)量，而SAUSAGE模型包括，故SAUSAGE模型總質(zhì)量大于YJK模型。

表4 各組地震波作用下結(jié)構(gòu)最大頂點位移及最大層間位移角

為判斷模型的合理性，列出YJK模型與SAUSAGE模型周期與質(zhì)量對比，見表3。

由表4可知，各條波X向及Y向?qū)娱g位移角均滿足規(guī)范1／100的彈塑性層間位移角限值要求。

表5 結(jié)構(gòu)大震彈塑性與彈性最大基底剪力

由表5可知，罕遇地震作用下的結(jié)構(gòu)基底剪力與小震CQC的比值約為5.48～6.59，說明6度區(qū)框剪結(jié)構(gòu)有良好的抗震性能，結(jié)構(gòu)部分進入彈塑性階段。

由剪力墻和框架在大震下的損傷性能指標(biāo)可以看出，剪力墻的中重度損傷主要集中在連梁位置。少部分墻肢出現(xiàn)輕度損傷，主要分布于結(jié)構(gòu)中部的水平墻肢上?？蚣艽蟛糠謽?gòu)件出現(xiàn)輕微、輕度損傷，中部部分框架梁出現(xiàn)中度損傷?？偠灾Y(jié)構(gòu)損傷主要集中在連梁和框架上，說明連梁和框架起到耗能作用[11－12]。

在考慮重力二階效應(yīng)及大變形條件下，結(jié)構(gòu)在地震作用下的X、Y向最大頂點位移分別為606.4 mm、626.2 mm，滿足“大震不倒”的設(shè)防要求；主體結(jié)構(gòu)在各組地震波作用下X、Y向最大彈塑性層間位移角分別為 1／183、1／180，滿足規(guī)范彈塑性層間位移角限值（1／100）要求。剪力墻損傷主要集中在底部加強區(qū)墻肢處，可采取提高邊緣構(gòu)件縱筋、箍筋及墻身分布筋配筋率的措施進行加強，以提高其抗變形能力和抗震性能。通過大震彈塑性分析及采取的相應(yīng)措施，認(rèn)為結(jié)構(gòu)能滿足大震抗震性能要求。

8 結(jié)論

本建筑在設(shè)防烈度6度區(qū)，抗震不利地段，為B級高度且存在三項不規(guī)則的框架剪力墻結(jié)構(gòu)。通過采取合理的結(jié)構(gòu)布置、采用多力學(xué)模型對比分析、考慮適量的地震力放大系數(shù)等方式，嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)規(guī)范要求，可以保證結(jié)構(gòu)的彈性分析滿足規(guī)范要求。通過對關(guān)鍵構(gòu)件采取必要的加強措施，并經(jīng)軟件計算分析，可以滿足結(jié)構(gòu)在設(shè)防地震和罕遇地震下性能設(shè)計目標(biāo)D級的要求。