超高层建筑抗震性能设计分析

2021-05-30

工程技术研究 2021年7期

中国建筑东北设计研究院有限公司，辽宁沈阳 110000

1 工程概况

某大厦为高层办公写字楼，总共54层，其中地面50层、地下4层，建筑总面积为94167m2，主体高度为168m。地上第1～4层是商业用房，第4层的顶部建立设备层；第5～50层为办公用房；地下第1～4层是地下停车场，地下第4层建立甲六级的人防掩蔽工程场所。该大厦的主体结构为钢筋混凝土的框架及核心筒的结构，设计年限为50年，抗震为乙类，安全等级为二级，设计地震的分组为第一组，抗震烈度为6度，场地为Ⅱ类，特征周期为0.35s，设计地震加速度为0.05g。

2 结构抗震预期性能和目标

依据项目的实际特点，并和建设方进行协商后明确抗震的设计需要达到《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）中的性能要求。

（1）小震作用（αmax=0.05）：未对性能的等级造成破坏，且层间位移角未达限值1/800，符合标准弹性的要求，主体的结构构件抗震的承载力符合规范，全部构件在弹性工作的状态。

（2）中震作用（αmax=0.13）：对性能等级造成的损坏可修复，层间位移角的限值为1/400，主体框架柱在弹性状态，剪力墙的抗剪承载力在基本弹性下，框架梁允许部分进入塑性，剪力墙连梁允许部分进入塑性，剪力墙受弯承载力允许部分进入塑性。

（3）大震作用（αmax=0.33）：性能等级达到无倒塌，层间位移角的限值为1/200，剪力墙和框架柱可以进入塑性，但对变形能控制，符合抗剪截面的最低标准，剪力墙连梁可入塑性，框架梁可入塑性，并且需要符合抗剪截面的最低标准，剪力墙的受弯承载力可入塑性，但能控制拉应力。

3 结构整体的分析和计算

3.1 小震下反应谱弹性

此次选择使用SATWE与Midas Building两种软件，分析时的相关参数如下：风荷载w0=0.40kN/m2，地面的粗糙程度设定为B类；地震影响系数αmax=0.04，另外需要考虑偶然偏心与双向地震，因此计算时的振型数设为24；剪力墙和框架的结构抗震等级均为一级。SATWE与Midas Building的弹性计算结果对比如表1所示。

表1 SATWE与Midas Building的弹性计算结果对比

由表1可知，不同的软件显示的弹性的结果大致相同，各项指标也属于正常状态，符合相关的标准和规范，建筑的整体结构稳定验算达标。在建筑中部的一些楼层内，偶然偏心地震的作用下，楼层出现的最高位移比高于1.2，但均低于标准限值1.4。另外，由于Y方向长，X方向偶然的偏心距离大，并且结构在第1阶的扭转周期与平动周期的比值小于0.8，进一步表明建筑结构抗扭转的性能十分高。总之，在小震的分析内，该建筑的结构在各项控制的指标中完全符合标准，并且构件抗震的承载力和层间位移也完全符合当前的相关标准和规范。

依据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）的相关标准和要求，对高于150m的建筑结构要求其具备良好使用的各项基本条件，并满足舒适度的控制标准要求。通过详细的分析和计算，此次研究的建筑结构顶点的最大加速度为0.05m/s2，低于标准限值，因此该建筑具备良好的舒适度。

3.2 中震弹性分析

依据对性能的设计要求，针对建筑的结构开展中震弹性分析，剪力墙与框架柱受剪承载力依据中震的弹性标准进行设计，剪力墙的受弯承载力则根据中震不屈服进行设计。使用SATWE计算软件进行计算，考虑中震弹性设计的最高影响系数，取αmax=0.12，并保留荷载分项系数与材料分项系数，但不需要考虑结构抗震内力的调整系数、增大系数，以及承载力的抗震调整系数γRE。在设计中震不屈服时，最大影响的系数依据中震进行考虑，材料与荷载的分项系数为1.0，钢筋与混凝土使用强度标准值。

最终的计算结果显示，在中震下建筑的框架柱符合弹性，剪力墙受剪承载力也符合基本的弹性，剪力墙的受弯承载力也达到标准，而在中部的一部分剪力墙连梁出现超筋的情况。

3.3 结构弹性时程的分析

对小震的反应谱法结果进行核对，对比其和SATWE弹性的分析结果。依据Ⅱ类场地波库采用天然波TH2TG035、TH3TG035和人工波RHITG035开展弹性时程的对比分析，最终的分析显示，时程的分析结构底部的剪力平均≥反应谱法的80%，并且在地震波下的结构底部，其剪力≥反应谱法的65%，完全符合标准和规范。

3.4 结构静力弹塑性的分析

使用Midas Building对静力弹塑性进行分析，于各框架梁的梁端和框架柱柱端设立框架铰，于墙体设立墙铰。以X方向、Y方向的地震层剪力来确定分布荷载为加载的模式，并将位移的增量当作增量的控制，然后开始X方向、Y方向的静力弹塑性分析。模拟建筑受力时，在静力弹塑分析前考虑恒荷载与活荷载下初始内力与变形，因此设定初始荷载为1.0×恒荷载值+0.5×活荷载值。据结果显示，X方向、Y方向的能力谱和地震需求谱的曲线存在交点，进一步证明建筑结构具有一定的抗倒塌能力，完全能起到抵抗地震的作用，符合“大震不倒”标准。在大震下，X方向、Y方向产生的层间位移角最大分别为1/361、1/365，符合大震下的限值标准。另外，在X方向、Y方向的等效阻尼比分别为9.065%、2.11%。依据能力谱的最终结果，证明建筑结构的性能在“小震不坏”与“大震不倒”间，但距“大震不倒”还存在一些富余，整体结构在强度方面处于上升段。

在建筑结构的X方向，梁铰的出现顺序与部位如下：（1）当建筑结构的顶点位移处在小震水平之前，大概67mm时，结构保持弹性，未发现塑性铰的出现。（2）当建筑结构的顶点位移处在中震水平，大概192mm时，在建筑的第24～50层出现第一批塑性铰，然后随之出现更多的塑性铰，出铰单元比为0.8%。（3）当建筑结构的顶点位移处在大震水平，大概371mm时，塑性铰依据楼层进行上下式的发展，并逐步连通全层，但是即使在大震水平，其出铰单元比也较低，只有6.0%。

4 地基基础

此次工程基础设计的等级依据标准为甲级。根据现场的实地勘查报告，显示现场地势比较平坦，标高在46.3～47.8m，现场的土层由上至下依次为3～6m的杂填土层、2.1～2.2m的淤泥质土层、0.9～2.2m的冲积土层、1.5～5.5m的洪积土层、0.4～6.1m的残积粉质黏土层、0.6～8.6m的强风化泥质粉砂岩层、22.7m的中风化泥质粉砂岩层，在钻孔的有效深度内未出现断裂构造和新构造，并且拟建现场并无对建筑稳定造成影响的不良地质。

在该建筑的场地范围，中风化的泥砂砾岩层能够设计成桩端的持力层，该层的埋深在18～21m，由于该建筑地下一共4层，在经过全面综合性的分析后决定使用人工挖孔灌注的基础桩，并确定桩端的持力层为中风化泥质粉砂岩，框架柱下为一柱一桩，剪力墙与筒体则使用多桩的联合承台方案。

该工程的高层与地下的荷载存在较大的差别，但持力层是中风化的泥砂砾岩，并且实际的计算结果显示两者沉降的变形差较小，在主体施工时利用设立后浇带来降低变形差，确保能够达到相关标准，且该建筑不设置沉降缝。