長沙某超高層結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計

李練兵 潘 艷 莫林輝

1 工程概況

本工程位于長沙市開福區(qū)，湘雅路與芙蓉中路交匯處的東北角，總建筑面積約46萬m2。

本項目設(shè)有四層地下室，1棟超高層公寓（46層）和10棟超高層住宅塔樓（56～57層）。其中裙房商業(yè)兩至三層，超高層住宅塔樓結(jié)構(gòu)主體高度為179.220～181.980m左右，均為剪力墻結(jié)構(gòu)。

各塔樓均為為超B級高度建筑。由于各棟塔樓類型相似，本文以高寬比較大的1#B座為代表，進行結(jié)構(gòu)分析，其余棟采用相同的分析方法。

2 設(shè)計條件和參數(shù)

本工程設(shè)計基準期及設(shè)計使用年限為50年，設(shè)計安全等級為二級，抗震設(shè)防類別為標準設(shè)防類（丙類），抗震設(shè)防烈度為Ⅵ度（0.05g），設(shè)計地震分組為第一組，建筑場地類別為Ⅱ類，場地多遇地震的特征周期為0.35s，罕遇地震的特征周期為 0.40s[1，2]。

本工程設(shè)計采用《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）計算風荷載。根據(jù)規(guī)范要求，進行風荷載作用下位移計算時采用長沙市50年一遇的基本風壓值0.35kPa；在進行構(gòu)件承載力計算時，按基本風壓乘以1.1考慮，即0.385kPa。地面粗糙度為C類。風荷載體型系數(shù)取1.4。計算時考慮順風向與橫風向風振效應[3]。

風荷載作用下舒適度驗算時，采用《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）規(guī)定的10年一遇風荷載標準值0.25kPa，計算時結(jié)構(gòu)阻尼比取0.02。

3 結(jié)構(gòu)體系和布置

本工程塔樓以地下室頂板作為主體結(jié)構(gòu)嵌固端，結(jié)構(gòu)高寬比11.73。根據(jù)工程特點，塔樓采用純剪力墻結(jié)構(gòu)體系。

本工程剪力墻布置盡量滿足建筑使用功能要求，1#B棟基礎(chǔ)頂至第五層主要剪力墻墻厚400或350，兩端山墻剪力墻墻厚400到頂，六層及以上主要剪力墻墻厚300，個別墻厚根據(jù)軸力為300-250-200。剪力墻混凝土強度等級由C60逐漸遞減至C35。

1#B棟剪力墻平面布置詳見圖1所示。

圖1 1#B標準層結(jié)構(gòu)布置圖

為盡量保證住宅樓內(nèi)部凈高，住宅內(nèi)部主梁梁高采用400～600mm。梁混凝土強度等級C30。樓板厚度一般由計算確定，最小厚度100mm，根據(jù)板跨度100～140mm；結(jié)構(gòu)弱連接部位板厚140mm；屋面及機房層頂板厚120mm。樓板混凝土強度等級C30。

4 結(jié)構(gòu)超限分析和對策

4.1 結(jié)構(gòu)超限分析

本工程1#B座主體屋頂高度為181.980m，超過規(guī)范B級高度部剪力墻結(jié)構(gòu)限值（170m）11.98m，超限值高度7.0%，屬于超B級高度建筑。

除高度超限外，根據(jù)《全國超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點》[4]相關(guān)規(guī)定，本工程還存大如下超限情況：①平面不規(guī)則：本工程考慮偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比大于1.2，屬扭轉(zhuǎn)不規(guī)則；②樓板不連續(xù)：奇數(shù)層樓板開大洞，樓板有效寬度小于50%，開洞面積大于30%，錯層大于梁高。

根據(jù)上述分析，本工程為超B級高度，一般規(guī)則性超限項為二項，無特別不規(guī)則項，屬于高度超限、不規(guī)則超限的高層建筑，需進行超限抗震專項審查。

4.2 結(jié)構(gòu)抗震性能目標

綜合考慮本工程抗震設(shè)防類別、設(shè)防烈度、場地條件、結(jié)構(gòu)自身特性、經(jīng)濟性和安全性等因素，本工程的結(jié)構(gòu)抗震性能目標擬定為C類。

4.3 抗震加強措施

針對超限情況，結(jié)合本工程特點，在結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造方面采取了一系列的措施，確?？拐鹦阅苣繕说膶崿F(xiàn)，保證結(jié)構(gòu)的安全。

在結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造方面采取的加強措施主要有：①加強穿層剪力墻墻身配筋率不小于0.5%，墻厚不小于300；②由于結(jié)構(gòu)超B級高度，底部五層剪力墻在滿足規(guī)范穩(wěn)定性要求的前提下均適當加強，主要剪力墻厚度均不小于350mm；控制底部加強區(qū)剪力墻軸壓比不大于0.55，加強剪力墻底部加強區(qū)墻身配筋率至0.35%；③三層約束邊緣構(gòu)件層以上兩層設(shè)置過渡層，抗震等級按二級，其邊緣構(gòu)件豎向鋼筋配筋率采用1.0%，體積配箍率特征值取0.15，剪力墻墻身配筋率0.30%；④奇數(shù)層及避難層開洞區(qū)域一側(cè)板厚加厚至120～140并雙層雙向布筋。

5 結(jié)構(gòu)彈性分析

5.1 計算分析概述

結(jié)構(gòu)彈性階段（多遇地震）的設(shè)計分析采用北京盈建科軟件股份有限公司YJK、北京邁達斯技術(shù)有限公司的MIDAS/building軟件分別進行計算。

分析中考慮了偶然偏心和雙向地震作用，振型組合方法采用考慮扭轉(zhuǎn)耦連的CQC方法，考慮本工程隔墻情況，周期折減系數(shù)為0.85，結(jié)構(gòu)阻尼比取值為0.05，連梁剛度折減系數(shù)取值為0.7，按規(guī)范要求考慮重力二階效應。

5.2 結(jié)構(gòu)周期與振型

兩種軟件計算得到結(jié)構(gòu)第1振型、第2振型均為平動振型，第三振型為扭轉(zhuǎn)振型，且計算結(jié)果接近。YJK計算的T1=4.938s，T2=4.889s，Tt=4.889s，結(jié)構(gòu)第1扭轉(zhuǎn)振型與第1平動振型的比值，YJK計算結(jié)構(gòu)為0.44，MIDAS的計算結(jié)果是0.44，均小于規(guī)范限值0.85。

5.3 結(jié)構(gòu)主要指標參數(shù)

多遇地震和風荷載作用下，計算得到的結(jié)構(gòu)。

主要指標參數(shù)結(jié)果見表1?？梢钥闯觯瑑煞N軟件的分析結(jié)構(gòu)比較接近，最大層間位移角及位移比均滿足規(guī)范要求且有較大富余，說明結(jié)構(gòu)整體剛度較大。X向和Y向風荷載作用下的基底剪力均大于地震作用下基底剪力，結(jié)構(gòu)指標為風控。

在重力荷載代表值與多遇地震水平地震及風荷載標準值共同作用下，滿足《高規(guī)》12.1.7條結(jié)構(gòu)高寬比大于4時基礎(chǔ)底面不宜出現(xiàn)零應力區(qū)的規(guī)定，且多遇地震下抗傾覆彎矩比值遠大于3.0，表明多遇地震下結(jié)構(gòu)的抗傾覆能力具有足夠的安全儲備。

表1 結(jié)構(gòu)主要指標參數(shù)

5.4 彈性時程分析

采用YJK對塔樓進行小震彈性時程分析，以作為結(jié)構(gòu)小震反應譜分析的補充計算。

本工程彈性時程分析采用3條地震波輸入，2條為地面加速度記錄時程TAI02769、USA00622，另1條為場地人工波RH4TG035。調(diào)整后各波峰值加速度為18gal，主次方向的有效峰值加速度比為1：0.85。彈性時程分析結(jié)果略。

彈性時程分析結(jié)果表明：①每條時程曲線計算所得結(jié)構(gòu)基底剪力均大于振型分解反應譜法的65%；三條時程曲線計算所得結(jié)構(gòu)基底剪力的平均值大于振型分解反應譜法的80%，地震波的選擇滿足規(guī)范要求。②結(jié)構(gòu)在地震作用下的基底剪力大多數(shù)均小于CQC法的樓層基底剪力值。個別地震波頂部樓層地震剪力略大于CQC法，但超出幅度未大于5%，可以采用CQC法計算結(jié)構(gòu)地震力。③3組時程分析的最大層間位移角均小于CQC計算結(jié)果，且結(jié)構(gòu)最大層間位移角均滿足規(guī)范要求。

6 罕遇地震作用下動力彈塑性分析

本工程為超限高層結(jié)構(gòu)，根據(jù)規(guī)范要求和既定抗震性能目標，應進行大震彈塑性分析。本工程設(shè)計中，采用廣州建研數(shù)力建筑科技有限公司開發(fā)的PKPM-SAUSAGE（PKPM Seismic Analysis Usage），對塔樓進行了罕遇地震作用下的動力彈塑性時程分析。

彈塑性時程分析時，選用一條人工地震波，兩條天然地震波。人工波選用特征周期為0.40S對應的地震波RH1TG040，天然波采用TH101TG040，TH052TG040。本項目不考慮豎向地震作用，地震波采用雙向輸入，輸入主方向峰值加速度按規(guī)范調(diào)整取為125gal。主方向與次方向峰值的比值為1：0.85。

由大震彈塑性計算結(jié)果可知，在選取的三組罕遇地震波彈塑性時程分析中，X向最大層間位移角出現(xiàn)在人工波RH1TG040作用下，其值達到1/291，出現(xiàn)在第22層，Y向最大層間位移角亦出現(xiàn)在人工波RH1TG040作用下，其值為1/279，出現(xiàn)在第41層，均滿足規(guī)范限值1/120的要求，兩向頂點位移峰值最大值分別為479mm和513mm，結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)倒塌現(xiàn)象，實現(xiàn)了大震不倒的設(shè)防目標。小震反應譜作用下的基底剪力（考慮到一層底）X向和Y向分別為2446kN和2734kN，各組地震波作用下的最大基底剪力，X向和Y向分別達到14031kN和17661kN，分別為小震反應譜作用下的5.73倍和6.46倍。結(jié)果表明大震作下的基底剪力與小震下的基底剪力比值偏大，說明結(jié)構(gòu)偏剛，結(jié)構(gòu)布置因高寬比較大而由風荷載控制，地震作用下結(jié)構(gòu)偏安全。

圖2人工波R1作用下構(gòu)件的性能水平

圖2 為人工波1作用下剪力墻和連梁和框架梁等耗能構(gòu)件的損傷情況。在大震作用下，剪力墻絕大部分無損壞，少部分出現(xiàn)了輕微損壞，極少部分出現(xiàn)了輕度損壞，無任何重度損壞及嚴重損壞，底部加強區(qū)剪力墻絕大部分無損壞，局部出現(xiàn)輕微損壞，滿足性能目標要求。連梁和框架梁在大震下?lián)p傷耗能效果明顯，部分出現(xiàn)了輕微損壞及輕度損壞，小部分出現(xiàn)了中度損壞及重度損壞，甚至部分出現(xiàn)嚴重損壞，耗能作用明顯，滿足性能目標要求[4]。

7 結(jié)論

（1）塔樓的彈性分析表明結(jié)構(gòu)整體動力特性規(guī)則，主要整體指標滿足規(guī)范限值要求；

（2）對結(jié)構(gòu)提出了抗震性能目標，并采取了相應的加強措施，保證抗震性能目標能夠?qū)崿F(xiàn)；

（3）進行了彈塑性時程分析，對結(jié)構(gòu)的變形和相關(guān)構(gòu)件的性能進行檢查，結(jié)果表明在大震作用下結(jié)構(gòu)的最大層間位移角小于1/120，相關(guān)構(gòu)件的性能滿足既定的性能目標要求。

通過以上工作，我們認為結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)抗震規(guī)范“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設(shè)防要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計是安全的，可為類似工程提供參考與借鑒。

[1《]建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010）[S]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010．

[2《]高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）[S]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011．

[3《]建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）[S]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012．

[4]建質(zhì)[2010]109號超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點[S]．2010．