合肥某超限高层建筑结构抗震分析与设计

徐永波

(安徽省建筑设计研究总院股份有限公司，安徽合肥 230001)

1 工程概况

本项目位于安徽省合肥市包河区。本楼分A、B、C三段，其中A段为7层裙楼，B段和C段均为48层办公楼。三段建筑由三层地下室连为一体，地上设变形缝完全断开。B塔楼和C塔楼结构高度均为198.4 m，平面尺寸均为45.7 m×45.7 m，均为框架-核心筒结构，建筑使用功能及结构布置基本一致。本文所述对象为B、C塔楼。项目整体效果详见图1。

图1 项目整体效果

本楼6层以下为商业，层高为5.4～5.7 m；6层以上为办公和避难层，层高分别为3.9 m和4.5 m，避难层分别设置于10F、23F、36F。平面详见图2。

图2 B、C塔楼标准层结构平面

B、C塔楼6层以下抗震设防类别为重点设防类，7层及以上抗震设防类别为一般设防类，设防烈度为7度，建筑场地类别为Ⅱ类，地震分组为第一组。结构安全等级为一级，设计使用年限为50 a。地面粗糙度类别为B 类，50 a重现期基本风压为0.35 kN/m2。

2 超限情况的结构分析与设计

2.1 结构体系

本工程采用框架-核心筒结构体系，核心筒材料为钢筋混凝土；外框架底部为型钢混凝土柱，上部为混凝土柱。核心筒角部内壁至洞边的最小距离为1.3 m，加上筒外墙厚0.9 m可达到2.1 m，超过核心筒外墙厚度的2倍，筒体完整性较好。核心筒上的连梁对整体刚度影响较大，是塔楼优化设计的重点内容，本工程结合设备管线穿墙要求，把部分连梁设计成双连梁，避免了刚度过大带来的负面影响。

2.2 结构超限类型

按GB50011-2010《建筑抗震设计规范》(简称《抗规》)、JGJ3-2010《高层建筑混凝土结构技术规程》(简称《高规》)和建质〔2015〕67号《超限高层建筑工程抗震设防审查技术要点》有关规定：7度B级钢筋混凝土框筒结构的最大适用高度为180 m，本楼高度为198.4 m，属超B级高度的钢筋混凝土框架-核心筒高层建筑。另外，本工程还有1项偏心布置不规则项，1～5层Y向偏心率为17.69 %～27.33 %(B塔楼为17.79 %～27.49 %)，大于0.15。

2.3 结构抗震性能目标

本工程的抗震根据性能化设计的概念和要求进行。在满足国家、地方规范基础上，与专家、业主沟通认为塔楼的结构抗震性能总体目标定位C级～D级之间，如表1所示。

表1 抗震性能目标

根据各构件失效可能引起结构的连续破坏及危及生命安全的严重后果程度，本工程把1～4层底部加强区的核心筒墙和框架柱定为本楼的关键构件，5层及层以上的核心筒墙和框架柱定为本楼的普通竖向构件，全楼框架梁和剪力墙上的连梁定为本楼的耗能构件。

本工程各类构件要满足性能目标需达到的具体设计要求如表2所示。

表2 满足抗震性能目标具体设计要求

3 结构抗震分析

3.1 小震分析

小震分析主要含弹性反应谱分析两个软件对比和弹性时程分析。

3.1.1 弹性反应谱分析

在小震作用下，结构全部处于弹性状态，构件承载力和变形满足规范要求。主计算程序为SATWE，用于结构主要设计指标的控制以及构件配筋计算；补充计算程序MIDAS BUILDING,用于结构主要设计指标复核及重点部位构件配筋包络。

反应谱分析时构件抗震等级：对于剪力墙和连梁，地下二层、地下三层为一级，地下一层及地上八层为特一级，地上八层以上为一级；对于框架柱和梁，地下二层、地下三层为二级，地下一层及以上为一级。

两种软件分析的各项指标基本一致，且满足规范要求，表明计算分析软件可行，模型计算结果可信。

3.1.2 弹性时程分析

依据《高规》5.1.2条规定，本楼采用弹性时程分析方法进行多遇地震下的补充计算，以发现CQC法未发现的不足和薄弱之处。本文选取符合统计意义的5条天然波和2条人工波，取计算结果的平均值与反应谱法计算结果的较大值。不同地震波与CQC法下结构受力如图3所示。

由图3知，时程分析法显示结构的反应特征、变化规律与反应谱法分析基本一致，基底剪力和层间位移角等指标最大值与CQC结果接近；多条地震波楼层剪力的平均值在结构顶部大于反应谱的计算结果，反映出自振周期较长的结构，其高振型对于高柔结构顶部的鞭梢效应是非常明显的。设计时，结构地震作用取7条时程曲线计算结果平均值与振型分解反应谱法计算结果的较大值。

3.2 中震分析

按前述抗震性能化设计的内容要求，用SATWE软件对结构进行设防地震作用下的分析计算，采用CQC法分别按中震弹性和中震不屈服两种要求进行分析计算。

从计算结果可知，各层核心筒剪力墙和框架柱按中震弹要求下的配筋计算值均小于核心筒剪力墙水平钢筋配筋率限值和框架柱箍筋配筋率限值。通过对比可知，部分计算结果一般小于小震弹性计算加抗震等级调整后的墙柱配筋结果，可满足底部加强部位外框柱与筒体抗剪中震弹性的性能目标，以及上部非底部加强部位外框柱与筒体抗剪中震不屈服的性能目标。底部加强区和非底部加强区各层核心筒剪力墙和框架柱按中震不屈服要求下的配筋计算值均小于筒体剪力墙约束边缘构件配筋率限值和框架柱纵筋配筋率限值。各层框架柱纵筋在中震不屈服作用下与小震弹性相同，均为构造配筋，可满足底部加强部位和非底部加强部位外框柱与筒体正截面中震不屈服的性能目标。框架梁、连梁在中震作用按不屈服要求下的抗剪箍筋计算结果值均小于框架梁、连梁的箍筋配筋率限值。计算结果一般略小于小震弹性计算加抗震等级调整后的梁箍筋配筋结果，可满足抗剪中震不屈服的性能目标。

(a)规范谱与地震波谱对比

(b)X向楼层剪力曲线

(c)X向楼层平均剪力与CQC对比

(d)Y向楼层剪力曲线

(e)Y向楼层平均剪力与CQC对比图3 所选地震波与反应谱法结果对比

根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》，中震时出现小偏心受拉的混凝土构件应采用《高规》中规定的特一级构造。中震时双向水平地震作用下墙肢全截面由轴向力产生的平均名义拉应力超过混凝土抗拉强度标准值时宜设置型钢承担拉力，且平均名义拉应力不宜超过两倍混凝土抗拉强度标准值。一层、二层中少量墙肢在中震作用下处出现拉应力，但都小于1Ftk。

3.3 大震分析

3.3.1 大震下等效弹性计算与分析

按设定的性能目标，采用SATWE软件中CQC法进行等效弹性方法进行大震下不屈服近似计算。根据所确定的抗震性能目标要求，大震下各类构件应达到如下要求：关键构件在大震下抗剪截面验算须满足要求，允许部分墙柱达到屈服；普通竖向构件在大震下允许较多墙柱达到屈服，但应满足抗剪截面要求；各层耗能构件在大震下大部分进入屈服阶段，即各层框架梁和连梁在大震下大部分进入屈服阶段。

采用SATWE软件对结构进行大震不屈服竖向构件抗剪截面验算，各层剪力墙和框架柱的截面抗剪要求验算均满足最小截面要求。

3.3.2 大震动力弹塑性时程分析

本工程弹塑性分析采用的计算软件为PKPM-SAUSAGE，分析方法为基于显式积分的动力弹塑性分析方法。在本工程的非线性地震反应分析模型中，所有对结构刚度有贡献的结构构件均按实际情况模拟。本工程选取两组天然波(T1、T2波)和一组人工波(R1波)进行时程分析。

由弹塑性时程分析可知,不同地震波下结构的层间位移角曲线如图4所示。在3条不同地震波作用下，结构大震弹塑性层间位移角分布基本一致，最大层间位移角均出现在结构的中部区域，最大位移角位置与CQC法计算结果基本一致；结构在3条不同地震波作用下的弹塑性层间位移角最大值均满足规范的1/100的要求。

(a)T1波层间位移角曲线

(b)T2波层间位移角曲线

(c)R1波层间位移角曲线图4 弹塑性时程分析层间位移角曲线

3.3.3 构件损伤情况

底部加强区及以上各层剪力墙和框架柱破损程度均较小，大部分均属于轻微到轻度损坏，只有第1层极少数墙的部分区域出现中度损坏，中度破坏区域面积占所在墙的整墙面积的比例很小；从破损及钢筋应力显示来看，大震下的剪力墙端部纵筋和柱纵筋应力均未达到屈服强度，即剪力墙和柱均未达到屈服状态。从破损程度来看，未发现剪力墙剪切破坏，水平筋应力未达到屈服状态。故可判定剪力墙受剪未达到屈服状态。核心筒剪力墙和框架柱抗震性能保持较好，具有足够的抗震承载力，可满足所设定的抗震性能目标。

框架梁大部分为轻微到轻度损坏，极少的梁达到重度损坏，只有少部分的梁达到了屈服；框架梁和连梁吸收大部分地震能量，耗能比较充分，很好地保证了主要墙肢的抗震承载力，满足所设定的抗震性能目标。

4 结论

本工程在设计中采用概念设计方法，根据抗震原则及建筑特点，首先对整体结构体系及剪力墙布置仔细考虑并作优化，使之具有良好的结构性能。抗震设计时，除保证结构在小震下完全处于弹性阶段外，还补充了主要构件在中震、大震下的抗震性能要求。采取多种计算程序进行了计算，计算结果表明，多项指标均表现良好，基本满足规范的有关要求，使不规则程度得到基本有效控制。本工程除满足规范要求的各项抗震措施之外，另外采取的增强措施归纳总结如下：

(1)约束边缘构件按如下要求进行设置：筒角部约束边缘构件全高设置；筒外墙除角部外约束边缘构件外延伸至轴压比0.30 m处，即本楼40层处(标高为165.200 m)；筒内墙约束边缘构件延伸至底部加强区以上3层，即7层处(标高为36.800 m)。

(2)小震设计时补充弹性时程分析，采用结构地震作用取7条时程曲线计算结果平均值与振型分解反应谱法计算结果的较大值进行楼层剪力调整。

(3)配筋结果除满足小震及抗震等级调整、风荷载计算要求外，另与中震弹性和中震不屈服计算结果进行包络设计。

本工程除能够满足竖向荷载和风荷载作用下安全及正常使用要求，可满足小震不坏；中震下主要构件不屈服震后可以修复；大震下不倒塌的抗震设防目标。本高层结构工程在7度设防区进行建设是可行的并且是安全的。