某拟建超限超高层国际广场结构设计及分析＊

刘 洪，黄首赟，马克俭，冯献慧，才 琪

(贵州大学 空间结构研究中心，贵州 贵阳 550003)

本工程为B 级高度建筑，地面以上45 层，主要用于办公，结构高度为200.2 m;地面以下3 层，主要为停车库及设备用房。在11，21，29 和37 设置了避难层和设备层。

图1 建筑效果图

图2 建筑剖面图

结构设计使用年限50 年，结构安全等级为二级，抗震设防烈度为6 度，基本地震加速度为0.05 g，建筑抗震设防类别丙类，结构高度为B 类;地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类，特征周期0.35;

1 结构体系

根据建筑结构的总高度、抗震设防烈度、建筑的功能等情况，本工程采用钢筋混凝土框架－核心筒结构形式。为提高结构抵抗侧向位移的性能，在电梯间核心筒及楼梯间位置设置了抗震墙，。由于考虑到本工程的总高度较高，为了提高竖向抗侧力构件的侧向刚度，核心筒重要部分墙厚为850～450 mm，并在框架柱内设置芯柱，以提高框架柱的延性。嵌固层确定为地下室顶板，该层楼板厚度为200 mm，采用双层双向配筋，配筋率为0.25%。

图3 标准层结构平面布置图

2 结构超限类型和程度

本结构高度200.200 m，钢筋混凝土框架－核心筒结构形式在6 度B 级高度时，规范规定适用的最大高度为210 m，本工程属B 级高度建筑。31 层刚度小于上相邻三层刚度平均值的80%，31 层刚度薄弱，结构是竖向不规则的［1］［2］。

图4 计算模型(PKPM 模型)

3 抗震性能设计

结构抗震性能目标应根据结构方案和结构使用者要求选取，并采取措施以达到抗震性能目标的要求;结构抗震性能目标如下表1:

表1 结构抗震性能目标

结构构件的承载力设计要求见表2

表2 结构构件承载力设计要求

针对本工程结构的特点和超限情况，本工程总体按性能目标C 的要求设计，计算方法依据高规3.11 条所列各水准的验算公式计算。结构抗震性能水准要求:在多遇地震时要求满足第1 抗震性能水准，在偶遇地震时要求满足第3 抗震性能水准，在罕遇地震时要求满足第4 抗震性能水准;

4 静力弹塑性分析

4.1 大震推覆介绍

推覆分析的目的是确认结构大震不倒的抗震设防目标并找出结构薄弱部位，并采取相应措施加强薄弱部位。因此，结构推覆前，先按小震计算配筋进行推覆，确认结构体系是否合理;结构推覆后，确定大震不倒目标是否能实现，以及找出结构薄弱部位并加强薄弱部位。按规范“大震不倒”的抗震设防目标的要求，罕遇地震作用下采用EPDA＆PUSH 程序对结构进行PUSH-OVER 分析。

4.2 大震推覆结果

本工程即按照该分析流程，整体参数显示，结构体系能够保证大震不倒的性能目标，以下图表为结构的计算分析结果。

表3 罕遇地震静力推覆结果

4.3 大震推覆结果分析

1)罕遇地震作用下，在性能点处，0 度方向最大层间弹塑性位移角为1/345，90 度方向最大层间弹塑性位移角为1/271，均小于钢筋混凝土框架－核心筒结构层间弹塑性位移角限值1/100;符合《高层建筑混凝土技术规程》第3.7.5 条的规定，建筑物可实现既定的C 性能目标。

2)结构在加载开始时，少数连梁出现屈服，之后有极少数框架梁出现塑性铰，在性能点处时墙体出现拉弯状态。经验算，墙体混凝土未出现屈服，处于弹性状态。

3)各个方向推覆下，底部剪力墙出现拉弯状态，但混凝土抗拉不屈服，且不存在受剪破坏。

图5 0 度方向罕遇地震分析的PUSH-OVER 性能曲线

图6 主方向罕遇地震塑性铰图

4)根据之前制定的性能目标，大震保证加强部位不屈服，为保证墙体拉剪状态的性能，在施工图阶段提高墙体分布筋配筋率，将底部加强部位的墙体分布筋配筋率提高至0.5%，确保加强部位大震安全。

5)根据X、Y 向推覆结果发现:第二避难层附近混凝土裂缝有所增加;由于存在鞭梢效应，塔楼顶部裂缝有所增加。在后期施工图中，第二避难层及上下2 层以及塔楼顶部墙体提高水平和竖向分布筋最小配筋率至0.40%。

5 动力弹塑性分析

5.1 动力弹塑性分析介绍

结构在大震作用下出现较大的塑性变形是允许的，但应将变形位移限定在规范规定范围内，以防结构倾覆倒塌。根据抵抗地震设防目标，对结构进行弹塑性动力分析，主要了解塔楼结构在罕遇地震作用下的弹塑性性能，包括基本参数和破坏过程。

5.2 地震波的选取和计算结果

根据地震波的选取原则，通过试算选取三条地震波对结构进行动力时程计算分析。分析中采用双向地震输入，主次方向地震波峰值比例为1 ∶0.85。按照规范要求，主方向地震波最大值调整为125 cm/s2。

5.3 塑性铰的分布情况

考虑到Y 方向刚度相比于X 方向较弱，故选主方向为Y 向的情况加以说明。通过楼层铰分布图可以看出:框架柱未出现塑性铰;大部分框架梁出现塑性铰，尚有小部分梁端未出现塑性铰;底部加强部位的框架柱未出现塑性铰。

表4 结构整体计算结果汇总

5.4 弹塑性动力分析结论

罕遇地震作用下，弹塑性时程分析过程收敛，结构最大层间位移角1/245，小于抗震性能目标限值:1/200 钢筋混凝土(框架－核心筒结构);满足“罕遇地震不倒”的基本要求。［3］

构件性能评估

图7 主方向最大层间位移角曲线

图8 标准层铰分布(USER3)

图9 CD轴立面剪力墙裂缝和梁、柱塑性铰分布图

核心筒位置的连梁上是塑性铰主要分布的地方，结构在罕遇地震作用下，剪力墙加强区域及框架柱未产生塑性铰。承载力满足要求，并在弹性工作状态，结构满足“强墙肢弱连梁”。

结构在罕遇地震时无明显的薄弱层，也没有明显薄弱部位。顶部位置由于鞭梢效应，位移角有变化。整个结构变形值满足规范限值，保证结构具有足够的延性。抵御倾覆能力达到要求，满足“大震不倒”的设计目的。

需要注意的是结构在大震作用下，核心筒底部出现拉弯状态，为保证核心简的抗震性能目标:大震不屈服，底部加强部位核心筒墙体分布筋配筋率提高为0.5%。延伸至嵌固端下一层，确保加强部位大震安全。

通过推覆和动力弹塑性分析，可以看到第二避难层附近由于层高变化，上下墙体不连续等因素造成高斯点和裂缝增多，是需要特别加强的部位。

6 超限处理主要措施

针对性技术措施:

1)适当提高竖向构件的抗震安全储备，框架柱承载力按偶遇地震弹性设计控制，剪力墙承载力按罕遇地震不屈服控制。

2)底部加强部位框架柱设置芯柱，以增加结构刚度和提高框架柱延性，柱箍筋全高加密。

3)框架柱纵筋配筋率提高到1.2%以上，在底部加强区域，底部墙的垂直和水平分布筋不少于0.50%的最小配筋率。

4)核心筒外筒剪力墙墙肢设置约束边缘构件。

5)刚度薄弱的12 层、31 层及相邻两层按中震弹性和小震放大1.25 倍地震力的包络设计配筋，同时保证竖向构件大震不屈服。

6)加强地下室顶楼板传递剪力的能力，板厚加厚至200 mm，配筋率0.25%。［4］

7 结论

总结全文可知，在抗震设计中，对结构进行了弹性、弹塑性计算分析，除保证结构在多遇地震下完全处于弹性阶段外，还补充了关键构件在偶遇地震和罕遇地震下的验算。计算结果表明，多项力学性能均表现良好，基本满足规范的规定。

［1］住房和城乡建设部.超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点［R］.(建质［2010］109号).

［2］JGJ 3－2010.高层建筑混凝土结构设计规程［S］.北京:中国建筑工业出版社.

［3］JGB50011－2010.建筑抗震设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社.

［4］Jonathan Kerry.麦慧琳，苏国柱，等.北京国锐金嵿A，B 座塔楼结构设计［J］.建筑结构，2014，44(24)54－58.