柯春明，范一江，陳麗華

（1.華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司安徽分公司，安徽 合肥 230086；2.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院， 安徽 合肥 230086）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，建筑用地日益緊張，為在有限的土地空間上取得更大的建筑使用面積，對(duì)超高層建筑有了更多的建造需求。20世紀(jì)90年代以來，混合結(jié)構(gòu)在我國(guó)超高層建筑中迅速發(fā)展?；旌辖Y(jié)構(gòu)體系可以有效地將鋼、混凝土以及鋼-混凝土組合構(gòu)件進(jìn)行組合，與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，可以減輕自重、加快施工速度、節(jié)約結(jié)構(gòu)占用的面積及空間。對(duì)于200 m以上超高層建筑，其經(jīng)濟(jì)性、防災(zāi)、抗風(fēng)、抗震、防連續(xù)倒塌等性能均有優(yōu)越性。本文探討了混合結(jié)構(gòu)體系在242 m超高層建筑中的具體運(yùn)用，對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員、教學(xué)研究人員有一定的參考價(jià)值。

1 工程概況

合肥綠地中心坐落于包河區(qū)（宿松路、二環(huán)路交口西南角）。項(xiàng)目規(guī)劃242.65 m超高層一棟（D座），80 m高度辦公樓1棟，100 m高度辦公樓1棟，130 m高度辦公樓1棟，住宅4棟，以及12萬m的商業(yè)中心，總建筑面積約42.3萬m。建筑效果圖見（圖1）。

圖1 建筑效果圖

本樓為合肥綠地中心D座超甲級(jí)辦公樓，總建筑面積為132000 m，建筑高度為242.65 m，地下室埋深為16.2 m，為砼柱（型鋼）-鋼梁-砼核心筒結(jié)構(gòu)型式。本樓平面尺寸為45.8 m×45.8 m（長(zhǎng)×寬），結(jié)構(gòu)總高度為242.65 m，長(zhǎng)寬比為1，高寬比為5.3。本樓砼核心筒平面為24.5 m×20.9 m（長(zhǎng)×寬），于46F樓面（標(biāo)高193.3 m）處收進(jìn)為16.8 m×20.5 m，其筒體X向（Y向）高寬比為9.9（11.6）。

本樓抗震按乙類7度（0.10 g）設(shè)防，框柱及砼核心筒墻抗震等級(jí)為特一級(jí)、框梁為一級(jí)。Ⅱ類場(chǎng)地，Tg=0.35 s，W=0.35 kN/m，地面C類粗糙度，風(fēng)荷載計(jì)算時(shí)考慮群體效應(yīng)。

2 結(jié)構(gòu)布置

2.1 概述

D座辦公樓，地面之上57層，地面之下3層，其中地下室層高分別為6.6 m、4.8 m、4.8 m；1-4層為商業(yè)，層高為5.5 m、5.2 m、5.2 m、5.2 m；5-57層，層高為4.1 m；設(shè)備層以上層高為5.6 m、3.7 m、3.2 m。

本樓基礎(chǔ)選用灌注樁（旋挖成孔、樁端后注漿），單樁承載力取6000 kN（d=800 mm），筏形承臺(tái)板厚約4 m。

2.2 結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件信息

表1 結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件信息

3 結(jié)構(gòu)超限情況、抗震性能目標(biāo)及結(jié)構(gòu)分析方法

3.1 結(jié)構(gòu)超限情況

本樓屬于超B級(jí)的一般不規(guī)則高層建筑。

3.2 抗震性能目標(biāo)

抗震性能的目標(biāo)設(shè)為C級(jí)，具體控制指標(biāo)見表2。

表2 抗震性能目標(biāo)

3.3 地震作用下的結(jié)構(gòu)分析方法

本樓結(jié)構(gòu)分析方法詳表3。

表3 結(jié)構(gòu)分析方法

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

4.1 小震下彈性反應(yīng)譜分析

分別選擇Satwe、Midas Building建立三維空間模型并計(jì)算、對(duì)比。計(jì)算顯示，兩種軟件的計(jì)算結(jié)果基本一致，可初步判定模型是準(zhǔn)確、可信的。主要對(duì)比數(shù)據(jù)詳見表4、表5。

表4 彈性分析的位移變形結(jié)果

表5 彈性分析的內(nèi)力結(jié)果

振型有效質(zhì)量參與系數(shù)X 97.92% 96.72%Y 97.84% 96.56%樓層最小剪重比（地震剪力調(diào)整系數(shù)）X 1.25%（1.024） 1.28%（1.0）Y 1.20%（1.067） 1.22%（1.049）樓層側(cè)向剛度比最小值（層號(hào)）X 1.1387（33F） 1.1210（4F）Y 1.1432（32F） 1.1042（4F）最小樓層抗剪承載力比（層號(hào)）X 0.88 （4F） 0.9703（44F）Y 0.89 （4F） 0.9938（33F）穩(wěn)定性（剛重比）X 2.25（地震） 2.34（地震）Y 1.94（地震） 1.99（地震）軸壓比最大值剪力墻 0.42 0.43框架柱 0.61 0.62

4.2 小震彈性時(shí)程分析

本樓選擇北京某工程技術(shù)有限公司提供的雙向波（5道天然波、2道人工波）進(jìn)行分析，彈性時(shí)程分析主要結(jié)果詳見表6。由表6可知，計(jì)算得到的底部剪力平均值小于CQC法的底部剪力數(shù)值，按CQC法進(jìn)行設(shè)計(jì)是可行的。

表6 彈性時(shí)程分析結(jié)果

4.3 中震作用分析

4.3.1 中震驗(yàn)算

通過Satwe進(jìn)行中震分析，按中震彈性計(jì)算對(duì)底部加強(qiáng)部位剪力墻進(jìn)行抗剪彈性判別，按照中震不屈服計(jì)算對(duì)底部加強(qiáng)部位剪力墻的抗彎能力、非底部加強(qiáng)部位剪力墻、框架梁、連梁進(jìn)行屈服判別。

4.3.2 躍層柱中震彈性驗(yàn)算

2層、32層越層柱方向的地震內(nèi)力，按同層普通柱考慮多道防線的地震剪力與越層柱地震剪力之比，放大越層柱在該方向的所有地震內(nèi)力（M、N、V），然后計(jì)入計(jì)算長(zhǎng)度（底層計(jì)算高度取10.7 m），進(jìn)行相關(guān)的中震彈性設(shè)計(jì)。

4.3.3 二層大開洞邊樓板分析

對(duì)二層大洞口邊的樓板按彈性樓板考慮平面內(nèi)、外的剛度（樓板單元按彈性膜6計(jì)算）進(jìn)行分析，以保證樓板能滿足其抗震性能要求。對(duì)樓板大洞口邊緣樓板及其上層樓板采用雙層雙向配筋，拉板最小配筋率為0.35%；局部應(yīng)力較大位置根據(jù)中震計(jì)算結(jié)果加大配筋，并控制鋼筋應(yīng)力。

結(jié)論：在中震作用下，各項(xiàng)控制指標(biāo)均達(dá)到抗震性能目標(biāo)水準(zhǔn)3的要求。

4.4 大震動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析

4.4.1 分析模型

本工程選用Midas Building系列軟件中的結(jié)構(gòu)大師（Structure Master 2013）進(jìn)行大震下的動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析。砼材料的本構(gòu)關(guān)系采用了單軸受壓應(yīng)力－應(yīng)變本構(gòu)模型，鋼筋本構(gòu)關(guān)系采用簡(jiǎn)化的二折線模型，墻單元的剪切特性材料本構(gòu)關(guān)系使用剪力退化三折線模型。鋼筋砼梁/柱滯回曲線采用可以考慮剛度和強(qiáng)度退化的修正武田三折線模型，鋼筋砼梁/柱非線性單元類型選擇為彎矩-旋轉(zhuǎn)角單元（M -θ），剪力墻采用纖維模型來模擬。本樓大震分析時(shí)，選用了在統(tǒng)計(jì)意義上和反應(yīng)譜（規(guī)范）比較接近的三組地震波，分別為人工波A（L765-1、L765-2）、天然波B（L0223、L0224），天然波C（L0397，L0398）。各地震動(dòng)特征周期和本工程場(chǎng)地比較接近，有效持時(shí)大于5倍結(jié)構(gòu)基本周期，且大于15 s，天然波和人工波都采用了水平雙向地震輸入。

動(dòng)力彈塑性分析前，對(duì)本工程先行計(jì)算并取得計(jì)算數(shù)值。為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，按計(jì)算數(shù)值超配15%確定實(shí)際配筋數(shù)值，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行動(dòng)力彈塑性分析。

4.4.2 計(jì)算結(jié)果分析

結(jié)構(gòu)基底剪力（在各地震動(dòng)作用下）達(dá)到小震數(shù)值的3.9～5.5倍，地震作用量級(jí)合理，各地震動(dòng)作用下最大層間位移角（彈塑性）分布規(guī)律一致，未發(fā)生異常突變情況，最大層間位移角為1/140（規(guī)范限值1/100），初步判斷結(jié)構(gòu)達(dá)到“大震不倒”的性能目標(biāo)基本要求。

桿系（梁、柱）構(gòu)件，其輸出狀態(tài)兩種：開裂、屈服前為狀態(tài)1，屈服、屈服后為狀態(tài)2。墻應(yīng)變等級(jí)（剪切向纖維）劃分，按延性系數(shù)（μ=總應(yīng)變/屈服應(yīng)變）為5個(gè)等級(jí)：分別μ=0.6、0.8、1.0、2.0、4.0，第3等級(jí)為屈服狀態(tài)。剪力墻剪切向彈塑性狀態(tài)列于（表7），框架梁、連梁最終塑性狀態(tài)列于（表8）。

表7 剪切彈塑性狀態(tài)比例（剪力墻）

表8 彎曲彈塑性狀態(tài)比例（梁端）

綜上所述，大震作用下：

框柱（大部分）處于第一屈服狀態(tài)，這主要是因本工程柱內(nèi)設(shè)置型鋼，采用的滯回模型曲線為與砼柱一樣的修正武田三折線，其屈服強(qiáng)度定義與砼柱相同，第一屈服階段定義為柱外邊緣受彎開裂至受壓一側(cè)最外端的砼達(dá)到極限應(yīng)變之間的狀態(tài)。而鋼梁的第一屈服狀態(tài)為截面外側(cè)開始屈服至全截面應(yīng)力達(dá)到屈服應(yīng)力之間的狀態(tài)，這就容易造成柱子在較小的荷載下也能出現(xiàn)第一階段的鉸。同時(shí)本工程定義的型鋼混凝土柱近似開裂面P—M—M值與屈服面相比均較低，柱子開裂至第二屈服之間塑性發(fā)展空間很大，從柱延性系數(shù)數(shù)據(jù)可看出，雖然柱較早地出現(xiàn)了第一屈服狀態(tài)的鉸，但整個(gè)過程中，柱均一直處于第一屈服狀態(tài)，塑性鉸未發(fā)展，延性系數(shù)值均較小。從框架梁的延性系數(shù)數(shù)據(jù)也可看出，整個(gè)過程中梁延性系數(shù)均比柱大，塑性鉸發(fā)展程度大于柱，因此我們認(rèn)為結(jié)構(gòu)能滿足強(qiáng)柱弱梁的要求。

結(jié)論：在大震作用下，未發(fā)生整片墻剪切屈服、破壞，連梁彎曲屈服普遍先于框架梁，結(jié)構(gòu)具備良好的多道防線及耗能體系，各指標(biāo)達(dá)到設(shè)定目標(biāo)（水準(zhǔn)4）的要求。

5 非結(jié)構(gòu)荷載作用、設(shè)計(jì)策略及措施

5.1 非結(jié)構(gòu)荷載作用

5.1.1 差異沉降效應(yīng)

本樓采用旋挖機(jī)械鉆孔樁，樁基直接落在中風(fēng)化巖層上，采取樁端后注漿以減少樁底沉渣的影響，控制建筑物的絕對(duì)沉降量。適當(dāng)加強(qiáng)底部樓層的框架梁，且其與筒體相連的節(jié)點(diǎn)均采取鉸接方式，適當(dāng)減少底部加強(qiáng)區(qū)墻、柱軸壓比數(shù)值，以提高豎向構(gòu)件抵抗非結(jié)構(gòu)荷載的能力。

5.1.2 砼收縮和徐變影響

為考慮補(bǔ)償施工期間和將來使用過程中的軸向壓縮影響，本工程應(yīng)采取以下措施：嚴(yán)格控制混凝土制作工藝，通過試驗(yàn)確定混凝土合適的配合比，并據(jù)此精確計(jì)算施工期間和使用期間的收縮徐變量；控制內(nèi)筒的軸壓比，適當(dāng)在筒內(nèi)設(shè)置構(gòu)造型鋼，增加筒體配筋量；在施工和使用期間，建立完整的變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，加強(qiáng)變形監(jiān)測(cè)，并在施工期間根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)隨時(shí)調(diào)整后期的預(yù)留量；樓板配筋采用雙層雙向方式并適當(dāng)加強(qiáng)。

5.2 設(shè)計(jì)策略及措施

（1）最小墻身配筋率提高：底部加強(qiáng)區(qū)0.40%，其它部位時(shí)0.35%（水平、豎向）。對(duì)于個(gè)別剪切屈服超過5級(jí)應(yīng)變等級(jí)的墻，邊緣構(gòu)件當(dāng)為約束時(shí)縱筋配筋率不小于1.5%，如為構(gòu)造則按約束處理。

（2）軸壓比大于0.30的邊緣構(gòu)件按約束邊緣構(gòu)件配筋。

（3）連梁剪力過大時(shí)，加強(qiáng)配箍率、腰筋。

（4）對(duì)于越層柱，箍筋全長(zhǎng)加密，并按中震彈性設(shè)計(jì)。

6 綜合分析結(jié)論

綜上分析結(jié)果，結(jié)論如下：

通過Satwe和Midas/building兩種程序的對(duì)比計(jì)算，結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)構(gòu)件在多遇地震下均處于彈性工作狀態(tài)，層間位移角等各項(xiàng)指標(biāo)滿足規(guī)范要求，可保證小震不壞。彈性時(shí)程分析結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)各層剛度均勻無突變，層間變形比較均勻，沒有明顯薄弱部位。通過大震動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析，表明結(jié)構(gòu)在大震下的抗震性能滿足防倒塌設(shè)計(jì)目標(biāo)，整體結(jié)構(gòu)最大彈塑性變形值小于規(guī)范限值，整體結(jié)構(gòu)和主要抗側(cè)力構(gòu)件仍具有充足的強(qiáng)度和變形能力安全儲(chǔ)備，可保證大震不倒。綜上所述，本工程抗震設(shè)計(jì)可達(dá)到預(yù)期的性能目標(biāo)，在規(guī)范規(guī)定的地震作用下可以保證結(jié)構(gòu)安全可靠。