中冶天府大厦框筒结构超限分析设计

李 天, 梁 川, 杜 勇

(中国十九冶集团有限公司勘察设计分公司， 四川成都 611700)

1 工程概况

本项目由2栋楼组成，其中塔楼为带一跨裙房的超高层办公楼，裙楼为多层商业，地下三层。地上建筑面积为85 295.80 m2，地下建筑面积为34 889.63 m2，总建筑面积为120 185.43 m2。地下室为商业、停车库和设备用房。

塔楼由一个结构单元构成，总建筑高度为157.650 m，地面以上38层，超过A级高度规范限值(130 m)，属于B级高度结构，标准层层高3.9 m。结构单元长47.000 m，宽40.300 m，高宽比3.912。核心筒长20.450 m、宽16.300 mm，高宽比：9.67。塔楼采用抗侧刚度大的框架-核心筒结构。在配合建筑平面布局和功能要求的前提下，结构上对抗震墙进行灵活性布置，即纵横同时设置抗震墙，使其互为翼缘，目的是为了同时满足刚度要求和抗震墙平面外稳定性要求。建筑概况、结构典型计算标准层平面布置及计算模型如图1～图3。

图1 天府大厦效果图

图2 典型标准层平面布置

图3 空间计算模型

2 小震反应谱计算对比解析

本塔楼采用YJK、SATWE及MIDAS Building进行常规计算结果的对比计算分析。主要分析结果详见表1。

由以上对比分析结果可知：结构模型分析准确，各阶振型清晰，振型成份合理；结构体系具有满足规范要求的抗侧刚度和抗扭刚度；结构侧向刚度沿房屋高度变化较均匀，无软弱层(薄弱层施工图设计时按规范调整)。

3 小震弹性时程分析

本工程弹性时程分析时所采用的地震波按特征周期与本工程相同或相近的原则，从YJK软件提供的时程曲线库中选取两条人工波和五条自定义天然波时程曲线。各地震波反应谱与规范反应谱对比如图4。

由YJK软件按弹性时程分析法计算，各条地震波所得基地剪力及其平均值与按振型分解反应谱法计算所得基底剪力比较详表2。

主方向最大楼层剪力如图5、图6，最大层间位移角曲线如图7、图8所示。

由以上分析结果可知：所选取的小震时程波基本满足抗震设计规范的选波要求，与规范反应谱在统计意义上相符。塔楼在结构主方向上的基底剪力，单条地震波输入的弹性时程分析所得的基底剪力不小于按振型分解反应谱法计算所得基底剪力的65 %，且不大于135 %；七条地震波输入的弹性时程分析所得基底剪力的平均值不小于按振型分解反应谱法计算所得基底剪力的80 %，且不大于120%。七组地震波时程计算所得的结构最大层间位移角均小于GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》[1]规定的限值。故本塔楼在小震作用下结构整体和结构构件的抗震性能满足设计要求。

表1 小震计算结果对比

表2 基底剪力比较

图4 规范普与地震波谱对比

图5 地震波作用方向为0°时楼层剪力曲线

图6 地震波作用方向为90°时楼层剪力曲线

图7 地震波作用方向为0°时层间位移角曲线

图8 地震波作用方向为90°时层间位移角曲线

4 中震作用下结构性能分析

中震作用下的结构抗震性能分析不考虑风荷载效应的组合，不考虑与抗震等级相关的内力调整系数。当按弹性计算时，需考虑荷载分项系数﹑材料分项系数和抗震承载力调整系数，当按不屈服计算时，不考虑荷载分项系数﹑材料分项系数和抗震承载力调整系数。中震作用下结构构件设定的性能目标为：底部加强部位的剪力墙、框架柱等关键构件的抗剪、抗弯承载力应满足不屈服性能要求；一般部位的剪力墙、框架柱允许部分屈服，抗剪截面应满足要求；大部分框架梁、连梁等耗能构件允许进入屈服阶段，部分允许破坏。塔楼中震作用下按弹性和不屈服计算所得的结构整体性能详表3。

表3 中震作用下结构整体性能

由计算结果可以得出：框架柱在中震弹性工况下未出现抗剪、抗弯超筋信息，说明框架柱处于中震抗剪、抗弯弹性的工作状态。框架柱的抗震性能高于本工程设定的性能目标要求。底部加强部位剪力墙在中震弹性(抗剪)、中震不屈(抗弯)工况下未出现超筋信息，说明底部加强部位剪力墙处于中震抗剪弹性﹑抗弯不屈的工作状态，底部加强部位剪力墙的抗震性能高于本工程设定的性能目标要求。故在中震作用下，结构的整体抗震性能及结构构件的抗震性能均满足预先设定的抗震性能目标D要求。

5 大震作用下结构性能分析

大震作用下的弹塑性时程分析采用YJK-A结构分析软件，弹塑性时程分析采用了和弹性时程分析相同的7条波(R1、R2、T1、T2、T3、T4、T5)，分别进行X方向和Y方向的弹塑性时程分析。弹塑性最大层间位移角如图9、图10所示。

图9 X向最大层间位移角曲线

图10 X向最大层间位移角曲线

由分析结果可以得出：在罕遇地震作用下结构的最大弹塑性层间位移角均小于1/110的规范规定限值，层间位移角刚度楼层变化较平缓，说明塔楼的刚度分段均匀。结构整体及各构件的抗震性能满足 “罕遇地震作用下不倒”的要求。为了体现结构在罕遇地震中的破坏情况，下面以罕遇地震下产生的最大层间位移角的人工地震波为例，给出局部位置核芯筒的墙体压伤图(图11、图12)，框架和剪力墙塑性发育情况(图13、图14)。

图11 X向一层墙体压伤

图13 一层构件受拉破坏等级

图14 顶层构件受拉破坏等级

由分析结果可知：计算所得的塔楼结构性能点最大弹塑性层间位移角为1/183(1/155)，均小于规范规定结构允许最大弹塑性层间位移角(1/110)，满足规范规定要求；从墙的损伤情况来看，剪力墙的受拉开裂部位主要发生在底部加强区。墙肢的损伤主要以水平裂缝为主，且大部分墙肢受损轻微，表明结构在罕遇地震下仍有一定的安全储备，剪力墙受压损伤严重的楼层主要集中在9～16层，施工图设计时，加大9～16层损伤严重墙体墙身钢筋的配筋率，底部加强区墙体通过提高配筋率来抵抗地震作用下引起的拉力，改善剪力墙底部加强区的延性；从塑性铰的分布来看，连梁、框架梁出现塑性铰，剪力墙受损轻微、框架柱存在局部楼层轻微受损，符合强柱弱梁的概念设计。

6 抗震加强措施

根据上述分析，在施工图阶段采取以下抗震加强措施：

(1)严格控制剪力墙和塔楼框架柱的轴压比、剪压比，提高竖向构件的承载力和延性；

(2)核心筒内部楼板加厚(150 mm)，配筋率不小于0.3 %、核心筒以外的楼板，配筋率不小于0.25 %；

(3)塔楼框架柱地下一层～三层内设置构造型钢，第四层设型钢柱过渡层，短柱楼层构造设芯柱，柱子出现损伤的楼层，加大其箍筋直径，使结构刚度沿竖向均匀变化。9～16层局部墙体损伤严重，施工图设计时增大墙身钢筋的配筋率；

(4)按中震作用下，框架柱抗剪、抗弯弹性，底部加强部位剪力墙抗剪弹性、抗弯不屈服进行设计；大震作用下，框架柱抗剪、抗弯不屈服，其余标高框架柱抗剪不屈服，底部加强部位剪力墙抗剪不屈服进行设计。

7 结论

本工程塔楼(房屋高度为157.650 m)为具有扭转不规则、局部不规则、承载力突变三项一般不规则的B级高度高层建筑，属于超限高层建筑结构。在小震作用下，SATWE、YJK-A与midas-Building模型计算结果在数值上虽存在一定的差异，但基本规律一致，除个别连梁外，绝大部分构件均处于弹性工作状态。中震作用下，塔楼框架柱的正截面受弯、斜截面受剪基本处于弹性状态(略高于性能目标D[2]的要求)。在大震作用下，塔楼框架柱、底部加强部位剪力墙的正截面受弯、斜截面受剪基本处于不屈状态。本工程通过对小震、中震和大震作用下结构的性能分析，计算结果中的各项指标均满足现行规范和规程的要求并在合理范围内，同时加强概念设计[3]并根据时程分析结果采取有针对性的加强措施，保证结构的安全性。