某超高層多塔結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計

劉金鳳，楊德圣

（中國中元國際工程有限公司，北京100089）

1 引言

近年來,多塔結(jié)構(gòu)越來越多地被工程師采用，對于該類體型不規(guī)則超限高層結(jié)構(gòu)，文獻[1]規(guī)定必須進行超限審查，其中，結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計是重要的組成部分。本文以具體工程為例，對此類工程的性能化設(shè)計進行總結(jié)，并給出具體的加強措施，為類似工程的設(shè)計提供參考。

2 工程概況和超限情況

本工程位于珠海市橫琴新區(qū)，由裙房和2 棟塔樓組成。地下共3 層，主要為設(shè)備用房和汽車庫；裙房8 層，處于塔樓之間，裙房和塔樓不設(shè)縫，主要為商業(yè)、辦公和宿舍；塔樓1、塔樓2 均為框架核心筒結(jié)構(gòu)，層數(shù)分別為44 層和 38 層，高度分別為167.80 m 和 146.20 m?？拐鹪O(shè)防烈度7 度，地震分組第二組，基本加速度0.10g，Ⅳ類場地，特征周期0.75 s，該工程存在樓板不連續(xù)、凹凸不規(guī)則、偏心布置、多塔樓、個別樓層轉(zhuǎn)換及穿層柱、個別樓層扭轉(zhuǎn)位移比超限共六項不規(guī)則，塔樓1、塔樓2 高度分別超出A 級高度限值29.07%和12.46%，為體型不規(guī)則的超高層建筑，具體結(jié)構(gòu)模型如圖1 所示。

圖1 結(jié)構(gòu)模型圖

3 抗震等級和性能目標

根據(jù)文獻[2]和文獻[3]，以及抗震等級（見表1），其中縮進部位屋面層及其上下層塔樓框架柱抗震等級及抗震構(gòu)造措施等級均提高到特一級，為保證地震作用的可靠傳遞，1~6 層塔樓框架柱抗震構(gòu)造措施提高到特一級以保證塔樓與底盤的整體工作。根據(jù)工程超限情況和文獻[2]及專家意見，性能目標定為C 級，具體如表2 所示。

表1 抗震等級

表2 性能目標

4 小震分析

本工程同時采用整體、塔樓1、塔樓2 模型進行分析，其中塔樓模型帶兩跨相關(guān)范圍。本工程位移角、位移比按照整體模型控制，周期比按照整體和塔樓模型分別控制，承載力為整體和塔樓模型包絡(luò)設(shè)計。采用ETABS 和YJK 對小震做對比分析，對結(jié)構(gòu)的可靠性進行驗證，結(jié)果滿足規(guī)范要求，具體如表3 所示。

進行小震彈性時程分析補充計算，選取7 條地震波，每條時程曲線計算所得結(jié)構(gòu)底部剪力均大于振型分解反應譜法計算結(jié)果的65%，多條時程曲線的平均值也大于反應譜法計算結(jié)果的80%，滿足規(guī)范規(guī)定[3]。時程分析法計算結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)的反應特征、變化規(guī)律與反應譜法結(jié)果基本一致，結(jié)構(gòu)無明顯的剛度突變層，由時程分析所得剪力結(jié)果和反應譜法計算的剪力結(jié)果可知無須對振型分解反應譜法剪力結(jié)果進行放大。

表3 小震計算結(jié)果

5 中震性能分析

本工程裙房高度內(nèi)塔樓框架柱均為型鋼混凝土柱，上部為普通鋼筋混凝土柱，柱截面由底到頂逐段減小，核心筒墻體由底到頂逐段減薄，框架柱和剪力墻軸壓比均滿足規(guī)范要求。采用等效彈性法對結(jié)構(gòu)中震下的承載力進行復核，1~3 層底部墻肢局部部位平均拉應力大于2ftk（ftk為混凝土的抗拉強度標準值），通過設(shè)置型鋼和增大墻體豎向鋼筋配筋率把拉應力降到與ftk相等；通過優(yōu)化布置，調(diào)整構(gòu)件截面確保關(guān)鍵構(gòu)件、普通構(gòu)件和耗能構(gòu)件性能目標均滿足表2 的要求。

6 大震性能及大震動力彈塑性時程分析

采用等效彈性法對大震下結(jié)構(gòu)的承載力進行復核，采用佳構(gòu)軟件進行大震動力彈塑性時程分析。等效彈性法結(jié)果表明關(guān)鍵構(gòu)件、普通構(gòu)件、耗能構(gòu)件性能目標均滿足表2 的要求。動力彈塑性時程分析結(jié)果顯示：（1）大震彈塑性和大震彈性基底剪力的比值介于0.565~0.867，結(jié)構(gòu)有足夠的耗能能力；（2）X 和Y 向?qū)娱g位移角最大值分別為1/140 和1/153，滿足規(guī)范規(guī)定；（3）剛度曲線下降較少，結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能；（4）核心筒剪力墻僅底部幾層受到輕微的損傷，框架柱僅裙房局部受到輕微損傷；（5）塔樓范圍內(nèi)梁出現(xiàn)中輕度損傷，裙房范圍內(nèi)梁發(fā)生輕度損傷，個別梁出現(xiàn)嚴重損傷。綜上，本工程主體結(jié)構(gòu)能夠滿足規(guī)范的彈塑性性能要求。

7 采取的加強措施

本工程加強措施：（1）加大塔樓周邊構(gòu)件截面及配筋，增加整體性及抗側(cè)剛度，提高變形協(xié)調(diào)能力；（2）增加穿層柱上下端梁截面，加強其對穿層柱的約束，按照同層正常柱對穿層柱的承載力進行復核；（3）控制塔樓與裙房頂交接部位的層間位移角小于或等于1.15 倍的相鄰下部區(qū)段的層間位移角；（4）加厚體型收進處的裙房屋面板，并設(shè)拉通筋，確保單層單向鋼筋的配筋率不小于0.25%；（5）加厚裙房樓板開大洞部位的周邊板塊，復核該樓層設(shè)防地震樓板應力配筋；（6）提高轉(zhuǎn)換梁、轉(zhuǎn)換柱及斜撐得抗震等級至一級，并均設(shè)置鋼骨，并用Etabs對中震及大震下轉(zhuǎn)換梁、轉(zhuǎn)換柱和斜撐做有限元分析，保證其中震彈性及大震不屈服的性能目標；（7）保證底部加強區(qū)核心筒墻體分布鋼筋配筋率均大于或等于0.6%。

8 結(jié)語

該工程充分考慮概念設(shè)計，對中震及大震下各構(gòu)件的性能目標進行驗算，并使用動力彈塑性時程分析法分析大震下各構(gòu)件的損傷，對薄弱部位和關(guān)鍵構(gòu)件進行加強，最終保證結(jié)構(gòu)滿足性能目標C 的要求。