基于性能化設(shè)計與分析的贛州某高層超限結(jié)構(gòu)

林 鵬，霍維剛，尹 琦

（廣州珠江外資建筑設(shè)計院有限公司 廣州510060）

1 工程概況

本項目位于贛州市章江新區(qū)核心區(qū)域，交通便捷。項目設(shè)有1 棟塔樓及其附屬裙房，場地周邊地勢平坦，項目總建筑面積142 545 m2，其中地上塔樓共44 層，建筑面積74 921 m2，建筑屋面高度為190.6 m，屋面塔冠最高處為220.0 m。裙房地上3層，地下3層，總建筑面積17 467 m2，建筑高度為20.9 m。項目建筑效果如圖1所示。

圖1 建筑效果Fig.1 Architectural Renderings

本項目塔樓地上部分主要分為4 個功能區(qū)間，即低區(qū)辦公區(qū)、高區(qū)辦公區(qū)、公寓區(qū)和酒店區(qū)，分別由層高為4.5 m、7.8 m 和5.0 m 的避難層分隔，辦公區(qū)和公寓區(qū)層高均為4.2 m，酒店區(qū)層高為3.6 m［1］。本項目結(jié)構(gòu)設(shè)計采用50年設(shè)計基準(zhǔn)期，安全等級為二級。本建筑為丙類建筑，采用標(biāo)準(zhǔn)的抗震設(shè)防類別，項目場地為二類場地，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范：GB 50011—2010（2016年版）》［2］劃分抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計基本地震加速度值為5 gal。地面粗糙度類別為C 類，風(fēng)荷載體型系數(shù)為1.4，承載力設(shè)計采用50 年一遇的基本風(fēng)壓0.3 kN/m2，并考慮1.1的放大系數(shù)，結(jié)構(gòu)舒適度設(shè)計采用10年一遇的基本風(fēng)壓0.2 kN/m2。

2 基礎(chǔ)設(shè)計

根據(jù)《贛州章江F25-4 地塊項目詳勘巖土勘察報告工程》，結(jié)合主體結(jié)構(gòu)具體受力特點，底板底面標(biāo)高位于強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖。塔樓基礎(chǔ)采用樁徑分別為2 000 mm、1 800 mm 和1 000 mm 的大直徑灌注樁，樁長約10～22 m。樁端持力層位于中（微）風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖，巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值frk=5.69 MPa。塔樓以外部分包括裙房區(qū)域采用天然基巖上的柱下獨立基礎(chǔ)，基底持力層位于強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖，承載力特征值fak=300 kPa。在塔樓的周邊設(shè)置了不均勻沉降后澆帶，以減小結(jié)構(gòu)整體沉降變形對地下室的影響。

3 結(jié)構(gòu)體系

結(jié)合建筑平面功能、立面造型、抗震（風(fēng)）性能、施工周期以及造價合理等因素，本工程塔樓結(jié)構(gòu)體系采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，核心筒為鋼筋混凝土剪力墻筒體；塔樓22層（第二避難層）起至屋面按照建筑使用要求，樓面單邊逐漸向內(nèi)收進(jìn)，過渡平緩，豎向夾角約為3°。因建筑首層大堂使用要求，結(jié)構(gòu)首層層高為9.6 m，位于34 層的酒店大堂層高為7.7 m。塔樓中部共設(shè)置3 處避難層供設(shè)備功能間使用，第一避難層層高為4.2 m，第二避難層為7.8 m，第三避難層為5.0 m。塔樓中具有特殊使用要求的樓層層高與標(biāo)準(zhǔn)層層高極易形成剛度突變，通過合理布置樓層剪力墻使上下剛度趨于近似。塔樓底部區(qū)域框架柱內(nèi)設(shè)型鋼，以控制軸壓比，減小柱截面尺寸，提高結(jié)構(gòu)整體性能。

結(jié)構(gòu)的傳力路徑，即豎向荷載通過樓面水平構(gòu)件傳遞給核心筒和外框架柱，最終傳遞至基礎(chǔ)。水平作用下產(chǎn)生的剪力和傾覆彎矩由外框架與核心筒共同協(xié)調(diào)承擔(dān)。當(dāng)結(jié)構(gòu)遭遇頻遇地震作用時，核心筒部分吸收大部分能量，外框架僅吸收小部分能量，使結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)；當(dāng)遭遇罕遇地震作用時，核心筒作為第一道放線吸收大部分能量，使其部分構(gòu)件發(fā)生破壞屈服，外框架作為第二道防線，為結(jié)構(gòu)的抗側(cè)體系提供保護(hù)。結(jié)構(gòu)整體模型及主要抗側(cè)力豎向結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)體系Fig.2 Structure System

結(jié)構(gòu)主要尺寸，環(huán)向框架梁截面為500 mm×800 mm，徑向框架梁截面辦公區(qū)為400 mm×600 mm，公寓區(qū)為400 mm×700 mm，酒店區(qū)為400 mm×700 mm，水平構(gòu)件混凝土等級為C30；框架柱直徑截面為1 850～800 mm，其中19 層以下采用型鋼混凝土柱，19 層以上采用鋼筋混凝土柱，混凝土等級為C60～C35；核心筒外側(cè)剪力墻截面厚度為800～400 mm，核心筒內(nèi)部剪力墻截面厚度為400～250 mm，混凝土等級為C60～C35；標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)布置和核心筒收進(jìn)部位結(jié)構(gòu)布置如圖3、圖4所示。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)布置Fig.3 Standard Structure Plan

圖4 核心筒收進(jìn)位置結(jié)構(gòu)布置Fig.4 Structure Plan of the Core Wall Setback

塔樓結(jié)構(gòu)整體抗震等級為二級，塔樓首層和第二避難層（22F）抗震等級為一級，酒店大堂（34F）抗震構(gòu)造措施等級為一級。本項目嵌固端的選取以盡量真實的反映主體結(jié)構(gòu)底部的實際受力狀況為原則，計算分析表明，地下1 層的樓層側(cè)向剛度大于首層樓層側(cè)向剛度的2倍，具備了作為嵌固層的必要條件，故選取首層塔樓為嵌固端。

4 超限概況及性能目標(biāo)

4.1 超限概況

項目采用框架核心筒結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)高度為190.5 m，結(jié)構(gòu)平面呈類三角形，外周邊由曲率不同的圓弧構(gòu)成，高寬比為4.06，根據(jù)建筑戶型布置，酒店康體層平面存在平面開洞尺寸大于相應(yīng)邊長的30%；首層X、Y 向均存在層間受剪承載力比小于0.8 的情況，21 層Y 向存在層間受剪承載力比小于0.8 的情況，但均大于0.75；22F及以上樓層平面單邊逐漸向內(nèi)收進(jìn)，外圍2 個框架柱傾斜向內(nèi)收進(jìn)，收進(jìn)角度約為3°；首層有局部框架柱穿層情況；根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點》［3］，判定本工程塔樓高度為超A級不超B級高度，結(jié)構(gòu)體系存在承載力突變、樓板不連續(xù)、局部穿層柱以及斜柱等不規(guī)則類型。

4.2 性能目標(biāo)

結(jié)構(gòu)的性能目標(biāo)是衡量結(jié)構(gòu)在遭遇地震作用時是否能夠達(dá)到事先預(yù)定的性能要求，可綜合性的描述結(jié)構(gòu)遭遇地震作用時的性能需求水準(zhǔn)。結(jié)合文獻(xiàn)［4］本項目性能水準(zhǔn)設(shè)定為C 級，具體抗震性能目標(biāo)細(xì)化如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)Tab.1 Structure Performance Target

5 性能化分析

5.1 小震彈性分析

由于項目為超限高層建筑，分別采用YJK 和Mi?das 兩個不同力學(xué)模型的空間分析程序進(jìn)行計算。結(jié)構(gòu)計算考慮偶然偏心地震作用、雙向地震作用、扭轉(zhuǎn)耦合及施工模擬。計算結(jié)果如表2 所示，2 個軟件在小震工況下所得的結(jié)構(gòu)基本特性基本一致。

表2 小震工況下結(jié)構(gòu)基本特性對比Tab.2 The Compared of Structure Characteristic Subjected to Small Earthquake

本項目根據(jù)場地類別、特征周期和相應(yīng)的反應(yīng)譜特性，選用2 條天然時程TH001TG035 和TH002TG035，人工合成1條地震動時程RH1TG035進(jìn)行彈性時程分析。經(jīng)過分析計算所選用的3組時程曲線的平均地震影響系數(shù)與規(guī)范反應(yīng)譜相比較，其差值在20%以內(nèi)，可滿足計算要求。

5.2 中震等效彈性分析

在中震工況作用下，采用等效彈性分析方法，構(gòu)件正截面計算取材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，斜截面計算取材料強(qiáng)度設(shè)計值，不考慮地震內(nèi)力調(diào)整，得出結(jié)構(gòu)整體力學(xué)性能如表3 所示。從表3 可知，中震工況和小震工況下，首層的基底剪力之比X 向為2.62，Y 向為2.65。此結(jié)果與中震和小震的最大地震影響系數(shù)之比3.0 較為接近，可認(rèn)為結(jié)構(gòu)整體基本處于彈性狀態(tài)。根據(jù)結(jié)構(gòu)各層性能計算結(jié)果分析，均可滿足關(guān)鍵構(gòu)件正截面不屈服，斜截面彈性的性能目標(biāo)，普通構(gòu)件也處于不屈服狀態(tài)。在中震不屈服工況作用下，底部均未出現(xiàn)拉應(yīng)力。

表3 中震作用下結(jié)構(gòu)基本性能Tab.3 The Structure Characteristic with Design Seismic

5.3 大震等效彈性分析

大震工況作用下，采用等效彈性的分析方法，不考慮地震內(nèi)力調(diào)整和承載力調(diào)整，構(gòu)件材料強(qiáng)度采用標(biāo)準(zhǔn)值，可得出結(jié)構(gòu)整體力學(xué)性能如表4 所示，從表4可知，上部結(jié)構(gòu)最大層間位移角X 向為1/270，Y 向為1/264，均出現(xiàn)于結(jié)構(gòu)高度的中部位置。大震工況和小震工況下，首層的基底剪力之比X 向為5.68，Y 向為5.77。根據(jù)各層的性能計算結(jié)果，部分樓層的豎向構(gòu)件正截面出現(xiàn)了屈服，可基本滿足預(yù)設(shè)性能目標(biāo)。

表4 罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)基本性能Tab.4 The Structure Characteristic with Rare Seismic

6 大震動力彈塑性分析

6.1 材料本構(gòu)

混凝土材料采用彈塑性損傷模型，該本構(gòu)模型能夠考慮混凝土材料的拉壓強(qiáng)度差異、剛度及強(qiáng)度退化以及拉壓循環(huán)裂縫閉合呈現(xiàn)的剛度恢復(fù)等性質(zhì)，材料的軸心抗壓和軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范：GB 50010—2010（2015 年版）》［5］采用。應(yīng)力應(yīng)變及損傷示意如圖5所示。

鋼筋采用雙線性隨動硬化模型，在循環(huán)加載過程中，材料沒有出現(xiàn)明顯的剛度退化，分析過程中考慮了材料的包辛格效應(yīng)，其動力硬化模型如圖6所示。

圖5 混凝土拉、壓剛度恢復(fù)示意Fig.5 The Stiffness of Concrete Tension and Compression

圖6 鋼材的動力硬化模型Fig.6 The Dynamic Hardening Model of Steel

6.2 模型基本特性及地震動時程輸入

動力彈塑性時程分析應(yīng)用SAUSAG 軟件，采用小彈性時程分析中的的3條地震動時程，如圖7所示，分別按X 向、Y向為主方向（主次方向地震波峰值比例為1∶0.85）進(jìn)行雙向輸入，共分析6 個彈塑性動力時程分析工況。為了方便下文統(tǒng)計，將3 個輸入時程TH001TG035、TH002TG035 和RH1TG035 分別命名為Case1，Case2 和Case3。為了考慮配筋率對整體結(jié)構(gòu)的影響，整個彈塑性分析模型采用YJK 軟件中的小震計算配筋輸入，有限元模型如圖8所示。

圖7 地震動時程記錄Fig.7 Ground Motion Time History Record

圖8 有限元模型Fig.8 Finite Element Model

經(jīng)分析結(jié)構(gòu)的彈性模型與彈塑性模型的基本特征參數(shù)如表5所示，結(jié)構(gòu)前6階周期比較接近，結(jié)構(gòu)彈性模型質(zhì)量為132 861.5 t，彈塑性模型質(zhì)量為135 691.2 t，兩者質(zhì)量相差2.09%，可滿足下一步計算分析要求。

表5 模型特征參數(shù)比較Tab.5 Compared of the Model Characteristic

6.3 動力彈塑性時程響應(yīng)

大震地震作用下彈塑性模型基底剪力與小震作用下彈性模型基底剪力分析如表6所示。

表6 基底剪力分析Tab.6 Base Shear Analysis

由表6可知，X向結(jié)構(gòu)彈塑性模型在3條地震動時程工況的基底剪力，約為彈性模型小震工況基底剪力的6.19 倍，Y 向結(jié)構(gòu)彈塑性模型在3 條地震動時程工況的基底剪力，約為彈性模型小震工況基底剪力的5.61倍；根據(jù)圖9的層間位移角分布來看，位于層高突變的22 層和34 層出現(xiàn)較小位移角突變，其余層結(jié)構(gòu)位移角分布平滑，變化均勻，結(jié)構(gòu)最大層間位移角出現(xiàn)在上部結(jié)構(gòu)中部位置，滿足滿足文獻(xiàn)［4］要求且符合一般結(jié)構(gòu)受力規(guī)律特性。

圖9 層間位移角分布Fig.9 The Story Drift

結(jié)構(gòu)在3條地震波動力時程分析下的塑性損傷分布情況基本類似，以小震工況下最不利工況為例，選Case2號地震時程工況，分析結(jié)構(gòu)在罕遇地震工況下彈塑性時程分析的性能水準(zhǔn)，其應(yīng)力分析結(jié)果如圖10～圖13所示。

由彈塑性分析結(jié)果可知核心筒剪力墻和外框架柱鋼筋屈服和混凝土損傷情況：

剪力墻混凝土最大受壓損傷因子約為0.32，框架柱混凝土最大受壓損傷因子約為0.34；剪力墻鋼筋塑性屈服因子0.60，部分框架柱塑性屈服因子為1.00，進(jìn)入屈服狀態(tài)。

在大震作用下，連梁較墻體先出現(xiàn)損傷，連梁的塑性鉸主要出現(xiàn)在端部區(qū)域，可充分證明連梁發(fā)揮了有效的耗能能力，實現(xiàn)了強(qiáng)墻肢弱連梁的性能目標(biāo)。

在大震作用下，底部加強(qiáng)區(qū)域豎向構(gòu)件基本完好，非加強(qiáng)區(qū)域豎向構(gòu)件（X 方向的框架柱、Y 方向的剪力墻及框架柱）僅局部出現(xiàn)輕微、輕度損傷；此時上部墻體連梁已有部分達(dá)到中度損傷。此結(jié)果表明在大震作用下，連梁破壞程度先于豎向構(gòu)件，保證了整體結(jié)構(gòu)不先于耗能構(gòu)件破壞。

圖10 X地震作用剪力墻損傷Fig.10 The Shear Wall Damage with X Seismic Input

圖11 X 地震作用下框架柱損傷Fig.11 The Frame Column Damage with X Seismic Input

圖12 Y地震作用下剪力墻損傷Fig.12 The Shear Wall Damage with Y Seismic Input

圖13 Y地震作用框架柱損傷Fig.13 The Frame Column Damage with Y Seismic Input

核心筒收進(jìn)部位及相鄰樓層的部分連梁出現(xiàn)中度損傷，剪力墻出現(xiàn)輕度損傷。

7 超限加強(qiáng)措施

根據(jù)類似項目案例［6］，底部加強(qiáng)區(qū)豎向構(gòu)件、核心筒收進(jìn)區(qū)域豎向構(gòu)件和躍層柱設(shè)定為關(guān)鍵構(gòu)件，按設(shè)定的性能目標(biāo)進(jìn)行計算分析并根據(jù)計算結(jié)果進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計。

核心筒底部加強(qiáng)區(qū)域及相鄰上一層剪力墻暗柱，核心筒外圍剪力墻轉(zhuǎn)角部位暗柱，核心筒收進(jìn)樓層及其相鄰樓層暗柱，均設(shè)置為約束邊緣構(gòu)件，其余部分剪力墻暗柱按照構(gòu)造邊緣構(gòu)件設(shè)置。整體結(jié)構(gòu)的約束邊緣構(gòu)件縱筋最小配筋率為1.4%，位于核心筒外圍角部的約束邊緣構(gòu)件縱筋配筋率為1.6%，約束邊緣構(gòu)件配箍特征值相比于文獻(xiàn)［4］規(guī)定的基本要求提高20%；對于構(gòu)造邊緣構(gòu)件縱筋最小配筋率設(shè)定為1.2%，角部為1.4%。

對于塔樓核心筒收進(jìn)區(qū)域，將其樓層板加厚至180 mm，樓板鋼筋按照雙層雙向設(shè)置，配筋率不小于0.25%；對于核心筒收進(jìn)區(qū)域相鄰的上下層樓板、具有大開洞的樓層板、穿層柱頂部樓層板和斜柱起、終樓層樓板均加厚至150 mm，樓板鋼筋按照雙層雙向設(shè)置，配筋率不小于0.25%。增強(qiáng)樓板構(gòu)造措施以提高其抗剪承載力及延性，保證水平力在塔樓間的可靠傳遞。

8 結(jié)論

本項目屬于高層抗震超限建筑，采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系。設(shè)計過程中充分運用了概念設(shè)計方法，整體結(jié)構(gòu)及構(gòu)件全面融合了性能化設(shè)計思想，重點部位采用了嚴(yán)格的抗震構(gòu)造措施，提高了結(jié)構(gòu)的整體延性性能，以滿足結(jié)構(gòu)的整體性能分析要求。最后得出結(jié)構(gòu)設(shè)計合理、安全，可滿足相應(yīng)的性能等級目標(biāo)的結(jié)論，可為下階段的施工圖設(shè)計提供相應(yīng)的指導(dǎo)。