某超限辦公樓抗震性能化設計

吳 磊

（北京城建設計發(fā)展集團股份有限公司，北京 100037）

1 工程概況

江西贛江新區(qū)鴻信大廈辦公樓位于贛江新區(qū)。辦公樓塔樓地下2層、地上32層，首層為10.2m通高大堂，在12層和24層設置避難層，標準層層高為4.2m，屋面結(jié)構(gòu)高度為137.35m，塔樓為框架核心筒結(jié)構(gòu)。裙房為6層開放式辦公空間，屋面結(jié)構(gòu)高度26.95m，與塔樓相連。該工程總建筑面積9.8萬m2，其中地上建筑面積5.9萬m2?；撅L壓為0.45kN/m2。

2 結(jié)構(gòu)設計標準及抗震設防有關參數(shù)

2.1 結(jié)構(gòu)設計標準

該項目結(jié)構(gòu)設計標準如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)設計標準

2.2 抗震設防有關參數(shù)

根據(jù)地勘報告及《建筑抗震設計規(guī)范》（GB 50011—2010）（以下簡稱《抗規(guī)》），選擇與地震相關的計算分析參數(shù)，參數(shù)匯總?cè)绫?所示[1]。規(guī)范提供的地面設計動參數(shù)如表3所示。

表2 抗震設防有關參數(shù)

表3 規(guī)范提供的地面設計動參數(shù)

2.3 針對超限采取的技術措施

針對偏心布置超限（偏心率X向0.2214，Y向0.4394）導致的平面不規(guī)則，采取如下措施：（1）通過豎向構(gòu)件的調(diào)整布置，減小整體結(jié)構(gòu)質(zhì)心、剛心的偏離；（2）調(diào)整結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，使底部樓層的最大扭轉(zhuǎn)位移比為1.36，6層以上塔樓的最大扭轉(zhuǎn)位移比＜1.20；（3）核心筒內(nèi)的樓板厚度加厚至150mm，樓板d10@150雙層雙向配筋；（4）地面7層及以下周邊框架柱抗震等級提高一級，箍筋全高加密，裙房頂及以上2層塔樓周邊框架柱抗震等級提高一級或兩級，箍筋全高加密。

針對局部收進導致的豎向不規(guī)則（裙房頂高＞塔樓20%且收進＞25%），采取如下措施：（1）加大首層薄弱層豎向構(gòu)件的截面尺寸，使該工程側(cè)向剛度盡可能平穩(wěn)過渡，減少剛度突變；（2）裙房屋面板厚度加厚至150mm，樓板d10@150雙層雙向配筋；（3）提高底部剪力墻豎向分布筋配筋率（增加10%以上），對剪力墻進行大震不屈服設計（滿足最小抗剪截面要求）。

針對局部不規(guī)則（有穿層柱、夾層），采取如下措施：（1）取穿層柱計算長度為13.3m，抗震等級提高一級來進行承載力復核，對其進行大震不屈服設計（抗彎抗剪不屈服）；（2）提高夾層處短柱的體積配箍率，短柱箍筋全高加密。

3 超限設計

該工程建筑為A級高度，高度未超限，但有平面不規(guī)則類型1項（扭轉(zhuǎn)位移比與偏心率不重復計項）、豎向不規(guī)則1項、局部不規(guī)則1項，屬于超限高層建筑。依據(jù)《超限高層建筑工程抗震設防管理規(guī)定》（建設部令第111號），應進行超限高層建筑工程抗震設防專項審查，對該工程進行性能化設計。該工程的整體性能目標設定為C。

3.1 多遇地震作用分析

采用YJK建立空間結(jié)構(gòu)模型，首層結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

圖1 首層結(jié)構(gòu)平面布置

通過對比分析主要指標發(fā)現(xiàn)，PKPM和YJK計算結(jié)果基本接近，未發(fā)現(xiàn)異常情況，計算結(jié)果具有較高的可信度。比較分析兩個軟件的計算結(jié)果，并結(jié)合相關規(guī)范的抗震設計要求可得：

（1）周期比均＜0.90，滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術規(guī)程》（JGJ 3—2010）（以下簡稱《高規(guī)》）中規(guī)定的周期比限值要求，兩方向結(jié)構(gòu)剛度和振動特性基本接近[2]。

（2）前13階振型的質(zhì)量參與系數(shù)均＞90%，滿足《抗規(guī)》中規(guī)定的要求。

（3）底部局部樓層剪重比（X向0.735%，Y向0.652%），兩個方向地震力均小于規(guī)范要求，設計時地震內(nèi)力需按《抗規(guī)》5.2.5條及《高規(guī)》4.3.12條調(diào)整。

（4）位移角由風荷載作用控制，層間位移角最大值（X方向為1/1932，Y方向為1/2325），滿足《高規(guī)》中規(guī)定的層間位移角限值1/800的要求。

（5）剪力墻最大軸壓比為0.48，滿足《高規(guī)》中的要求。

計算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)周期比及位移等各項指標符合規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)在地震及風荷載作用下能保持較好抗側(cè)能力，結(jié)構(gòu)平面布置合理，滿足小震彈性的抗震性能要求。

3.2 小震彈性動力時程分析

根據(jù)《抗規(guī)》5.1.2條要求，需采用時程分析法進行多遇地震下的補充計算。根據(jù)《高規(guī)》中對地震波選取的相關規(guī)定（頻譜特性、有效峰值、持續(xù)時間），采用YJK程序選取了符合要求的7組時程波（其中天然波5條、人工波2條）進行多遇地震下的彈性動力時程分析。在前兩個周期點上，選取的7組時程波的平均地震影響系數(shù)與規(guī)范反應譜地震影響系數(shù)相差不到10%，滿足《抗規(guī)》規(guī)定。

通過時程分析計算結(jié)果可以看出：（1）時程法計算出的各底部剪力值介于YJK軟件振型分解反應譜法計算結(jié)果的0.86～1.28（相差≤35%）；時程法計算出的平均底部剪力值介于YJK軟件振型分解反應譜法的0.95～1.04（相差≤于20%），選取的地震波合理有效。（2）時程分析的位移曲線平滑無突變、層間位移角曲線4F（對應計算層數(shù)7F）局部增大，層剪力變化均勻，與YJK小震結(jié)果較為接近。（3）29層及以上層時程工況樓層剪力曲線不在反應譜法的樓層剪力曲線范圍內(nèi)（平均地震剪力是振型分解反應譜法的1.05～1.14倍），需把高區(qū)的反應譜法計算的地震剪力放大。

時程法與規(guī)范反應譜法計算結(jié)果基本吻合，在施工圖階段運用振型分解反應譜法進行構(gòu)件驗算時，將高樓層（20層以上）的地震剪力放大1.1倍，通過對時程工況的包絡設計，確保結(jié)構(gòu)安全。

3.3 設防地震作用分析

在中震作用下，采用PKPM-SATWE程序進行彈性反應譜分析，根據(jù)抗震性能目標，對底部加強區(qū)及裙房上下層豎向構(gòu)件的抗彎、抗剪性能分別做中震不屈服和中震彈性設計。在計算中將結(jié)構(gòu)阻尼比設為0.06，連梁剛度折減系數(shù)調(diào)整為0.5，不考慮風荷載作用參與地震組合。材料強度調(diào)整為各相應標準值。主要設計參數(shù)如表4所示，計算結(jié)果如表5所示。

在設防地震作用下，最大層間位移角（X向1/606，Y向1/367）滿足中震作用下最大位移角小于彈性位移角限值要求。

表4 設防地震計算主要設計參數(shù)

表5 設防地震計算結(jié)果

頂部樓層的豎向構(gòu)件均未出現(xiàn)拉應力，通過對比剪力墻及框架柱的配筋計算結(jié)果，中震下的縱筋均不大于小震下的計算結(jié)果，抗剪利用率儲備普遍較高，按照小震配筋滿足抗彎中震不屈服、抗剪中震彈性的性能目標。

3.4 罕遇地震作用分析

采用非線性分析軟件（PKPM-PUSH&EPDA）對結(jié)構(gòu)進行罕遇地震作用下的彈塑性靜力推覆分析，得到結(jié)構(gòu)在大震作用下的反應[3]。根據(jù)規(guī)范要求，荷載加載類型為倒三角形，豎向荷載作用方式為桿端加載，用球面弧長法進行走步控制，考慮二階效應。

分別進行X向抗倒塌驗算、Y向抗倒塌驗算以及82度方向抗倒塌驗算可得，該工程在3個荷載加載方向的性能點最大層間位移角分別為1/292、1/341、1/217，均＜1/200，滿足罕遇地震作用下的性能目標要求。

4 設計總結(jié)

（1）該工程結(jié)構(gòu)體系較為合理，采取的抗震技術措施較為有效，結(jié)構(gòu)具有較好的抗側(cè)能力，各項指標滿足規(guī)范的要求。（2）采用的PKPM-SATWE和YJK兩個程序的計算結(jié)果及變化規(guī)律基本一致，各項指標均滿足規(guī)范要求。（3）時程法計算出的基底剪力與反應譜法較接近，變化規(guī)律基本一致，符合設計要求。高樓層結(jié)構(gòu)地震作用效應需放大取時程法計算結(jié)果的平均值進行包絡設計。（4）設防地震作用分析結(jié)果表明，層間位移角小于限值要求，豎向構(gòu)件配筋有較大安全儲備，滿足中震可修的抗震設防目標。（5）罕遇地震作用分析結(jié)果表明，層間位移角小于規(guī)范規(guī)定的限值，整體承載力達到極限后可維持穩(wěn)定，滿足大震不倒的抗震設防目標。

5 結(jié)束語

該工程為超限建筑，采用多道防線的抗震設防概念和關鍵構(gòu)件基于性能設計的理念，通過對各種工況下的計算分析論證了結(jié)構(gòu)體系安全合理，達到了預定的抗震性能目標。