高层钢筋混凝土框架-核心筒结构抗震性能化分析

范俊俊

（安徽熙初建筑设计有限公司，安徽 合肥 230001）

1 工程概况

某项目建筑总高度为147.20m，地上30 层，地下2层，设2 个避难层（10 层和20 层），各标准层层高5.0m，避难层层高为3.6m。结构采用钢筋混凝土框架芯管结构体系，基础采用钻孔桩基础，工程设计参考年限50 年，设计寿命50 年，基本设计等级为A 级。中心管框架结构是高层建筑中最重要的结构形式。外框架和核心筒剪力墙形成的双重抗侧力体系具有良好的抗侧刚度和抗倾覆能力[1]。

2 工程地质与地基基础设计

场地位于抗震设防烈度Ⅶ度区，根据场区工程地质条件分析，场地地层较简单，地貌类型较单一，其他不良地质现象，为抗震一般地段。根据本次勘察，场地覆盖层厚度19.0～25.8m，建筑场地类别为Ⅱ类，场地特征周期值为0.35s。场地地基土自上而下分别为：杂填土层、粉质粘土层、中细砂层、圆砾。

采用桩基+承台+防水板的基础形式，采用钻孔灌注桩，桩径1200mm。选择风化粉砂岩层为桩端持力层，标准值可以达到7000kPa，长度在22m 左右，桩端进入持力层超过2m。经过现场试桩，单桩竖向承载力特征值达12500kN。承台的厚度主要有2800mm 和3000mm 两种，防水板的厚度达到了500mm，混凝土等级为C40。

本工程属于超限高层，布桩时特别注意减小桩中心与竖向荷载作用中心之间的偏差，同时考虑结构高宽比较大，确保大震作用下结构整体不倾覆，平面周边相应桩基进行加强处理。对周边桩按抗拔桩设计，确保在大震作用下基础安全。

由于本工程Y 向高宽比较大，为保证结构大震不倒，需进行整体抗倾覆验算，为安全起见，采取等效弹性方法计算大震倾覆力。本工程设有两层地下室，抗倾覆验算仅考虑地下室外延一跨计算。抗倾覆计算结果如表1 所示。

表1 抗倾覆计算结果

3 上部结构分析

本项目属于超A 级高度不规则结构。超限高层建筑工程的抗震设防应采取有效的抗震措施，确保超限超限建筑工程达到规范规定的抗震设防目标。根据本项目超支情况及与业主沟通的结果，本项目抗震性能指标选定为《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）3.11.1 中的C 级。结构抗震性能等级按《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）第3.11.2 条选择：在频繁地震下满足性能1 级要求，关键构件和竖向构件一般满足3 级性能要求在设防地震下；至少满足罕见地震性能4 级要求下的性能3 级要求。基于性能的设计必须实现多级抗震设计，而我国的标准现在普遍认为是三个等级的设防：小震不破坏、中震可修复、大震不倒塌[2]。

3.1 小震及风荷载作用下结构分析

结构工程师应采用2 个或2 个以上力学模型的空间计算分析软件[3]，本工程采用SATWE 与YJK 软件进行对比分析，各项整体计算结果吻合良好，表明两个软件的计算分析结果可靠。结构扭转为主的第一自振周期Tt 与平动为主的第一自振周期T1 之比最大为0.51，表明结构的抗扭刚度较强。在考虑偶然偏心的地震作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移与该楼层平均值的比值的最大值X 向为1.12，Y 向为1.12，小于1.2，满足规范要求。在风荷载及地震力作用下的最大层间位移角两个程序计算大值分别为X 向1/1548和Y 向1/1033，满足规范限值要求。弹性时程分析表明少数楼层（上部楼层）时程曲线的最大楼层剪力平均值大于CQC 法计算的楼层剪力，在施工图设计时，取两者包络设计以确保结构的抗震安全性。竖向不存在侧向刚度不规则的情况，也不存在受剪承载力突变的情况。地震作用下，X、Y 向底部局部楼层地震剪力小于《高规》4.3.12 要求，程序计算时已按照规范要求放大地震剪力。该结构刚重比EJd/GH**2 大于1.4，满足高规的整体稳定验算要求，但Y 向小于2.7，需要考虑重力二阶效应。本工程剪力墙最大轴压小于0.5，满足规范要求。经计算结构顶点顺风向最大加速度amax=0.074m/s2，横风向最大加速度amax=0.097m/s2，风振舒适度满足规范要求。各构件均能达到多遇地震下的抗震性能目标。

3.2 中震作用下的结构承载力复核

本工程在中震作用下的抗震性能目标：关键构件（底部加强部位）：受弯不屈服，受剪弹性；普通竖向构件：受弯不屈服，受剪弹性；耗能构件：受剪不屈服。

中震不屈服条件设定：调整地震影响系数最大值αmax=0.23 按中震取值（按规范取值）；取消组合内力调整（强柱弱梁，强剪弱弯）；荷载作用分项系数取1.0（组合值系数不变）；材料强度取标准值；抗震承载力调整系数γrE 取1.0；连梁刚度折减0.5；结构阻尼比取0.06；不考虑风荷载参与组合；周期折减系数为1.0；中梁刚度增大系数：按规范计算取值。

中震弹性条件设定：调整地震影响系数最大值αmax=0.23 按中震取值（按规范取值）；取消组合内力调整（强柱弱梁，强剪弱弯）；荷载分项系数按规范取值；材料强度取设计值；抗震承载力调整系数按规范取值；连梁刚度折减0.6；结构阻尼比取0.05；不考虑风荷载参与组合；周期折减系数为0.9；中梁刚度增大系数：按规范计算取值。本工程剪力墙中震均可满足规范要求。在中震作用下，在核心筒中部分墙肢出现受拉，除个别小墙肢外，单肢墙拉应力均小于混凝土抗拉强度标准值。但考虑组合墙作用后，所有墙肢均满足拉应力小于混凝土抗拉强度标准值。中震出现小偏拉的墙体设置型钢。施工图阶段对于出现拉应力的墙肢通过提高竖向纵筋配筋率以抵消受拉墙肢的拉力，同时受拉墙肢的抗震等级按特一级进行设计。综上所述各构件均能达到中震下抗弯不屈服、抗剪弹性验算的抗震性能目标。

3.3 大震不屈服等效弹性法承载力复核

本工程在大震作用下的抗震性能目标：关键构件（底部加强部位）：受剪不屈服；普通竖向构件：满足受剪截面控制条件；耗能构件：允许部分发生严重破坏。

大震不屈服设计方法（等效弹性法）：调整地震影响系数最大值：αmax=0.5；取消组合内力调整（强柱弱梁，强剪弱弯）；荷载作用分项系数：1.0（组合值系数不变）；材料强度取标准值；抗震承载力调整系数γre：1.0；连梁刚度折减：0.3；结构阻尼比取：0.07；不考虑风荷载参与组合。周期折减系数取：1.0。中梁刚度增大系数：1.0。

根据《高层建筑混凝土技术规程》（JGJ 3—2010），按公式（3.11.3-4）（3.11.3-5）进行大震作用下底部加强部位及沿竖向历次变截面位置墙体的受剪截面验算。大震结果采用规范反应谱进行计算分析结果，提取典型墙体，分析楼层的剪压比变化情况。计算结果表明，剪力墙能满足大震下的最小受剪截面要求（剪压比小于0.15）。

3.4 大震作用下结构动力弹塑性时程分析

《高规》第5.1.13 条：“B 级高度的高层建筑、混合结构和复杂高层建筑结构，宜采用弹塑性静力或弹塑性动力分析方法补充计算”。本工程采用YJK-EP 软件进行罕遇地震下的动力弹塑性时程分析，选用与规范反应谱在统计意义上比较接近的三组地震波，采用两组地面设计谱加速度时程记录、一组地面设计谱人工波加速度时程记录进行双向分析。梁柱采用纤维束单元、墙单元采用基于混凝土损伤本构理论的平板壳单元。单轴应力－应变曲线取《混规》附录C.2 条中提出的混凝土模型。钢筋采用理想弹塑性材料本构关系。地震波选取情况如表2 所示。

表2 地震波选取

分析表明，结构各层间弹塑性位移角均小于规范的相关极限要求，结构抗侧向力主要构件破坏不严重，局部构件屈服但不引起局部变形。倒塌或危及结构整体安全，且结构整体性好，能满足“大震不倒”的抗震性能目标要求。

在罕见地震波输入过程中，结构的破坏模式可描述为以下3 种情况：①在罕见地震作用下，结构连梁首先出现塑性铰，一般先于框架梁进入弯曲屈服状态，但不会发生剪切屈服。具有良好的多线防御系统和能量消散。②大部分框架柱处于第一屈服工作状态，没有随着时间的推移而发展，没有一个具有剪切屈服。框架梁柱破损不严重，梁破损大于柱破损，结构具有良好的“强柱弱梁”体系，具有良好的第二道防线。③中心管剪力墙底部配筋区域处于受弯屈服状态，表明结构呈现“梁铰破坏”机制，满足“强墙柱、弱耦合”的延性设计要求梁”。

结构在三波作用下的最大层间弹塑性位移角为X方向1/244，Y 方向1/221，满足规范限值1/110 的要求。总体上，结构在罕见地震输入下的弹塑性响应和破坏机制满足结构地震工程的概念设计要求。

4 针对结构超限的抗震加强措施

（1）使用不同力学模型的两个空间分析程序SATWE和YJK 进行计算，将两个程序得出的不利结果用于施工方案设计中的结构构件设计。在计算小地震时，考虑了扭转耦合和偶发的5%偏心率和双向地震的不利组合。

（2）本项目采用弹性时程分析法进行补充计算。计算结果表明，除部分楼层外，所选地震波的平均值和现场波计算结果均小于采用标准方法分解现场振型响应谱得到的结果，表明项目使用安全可行。然而，根据SATWE 程序的模态形状分解反应谱方法，需要根据结构某些楼层反应谱结果的时程分析结果对地震力进行放大和调整。调整后的地震力满足规范的剪重比要求。

（3）将剪力墙底部加筋部分在中等地震应力下的抗震等级提高到特殊等级，将剪力墙底部未加筋部分提高到一级。设计中，下部配筋区墙体横向和纵向分布配筋的最小配筋率提高到0.35%，其他部位剪力墙的最小配筋率提高到0.3%。

（4）对于结构的重要构件，如下剪力墙，根据规定的抗震性能目标，采用小地震和中地震计算结果中的最大值进行构件设计。例如，在下筋区发生大地震时，不满足剪压比要求的墙柱采用钢截面放置，地震中偏心应力较小的墙体为放置与钢部分。

（5）在约束边缘构件层与上部构造边缘构件层之间设置1 层过渡层。

（6）对于少数剪力过大的连梁，应适当增加连梁的周向比和腰部配筋，并按《高规》9.3.8 的要求，内管连梁应设置斜筋对角线。跨高比小于2，高比小于1 的连梁采用交叉支撑，满足强剪弱弯抗震概念设计要求。

（7）对于薄弱部位和重要构件，采用比规范更严格的加固结构，提高结构在罕见地震作用下的抗震能力，严格控制竖向构件的轴压比，提高结构的最小抗压比.剪力墙约束钢筋边缘构件，最小体积环比。

（8）中心管外跨度走廊楼板应采取加固措施：楼板厚度不小于130mm，双层双向加固，各方向配筋率不小于0.25%，在局部应力较大的地方应根据计算结果增加配筋。并控制钢筋的拉力，确保地震时楼板剪力得到有效传递，提高结构的整体抗震性能。

（9）对结构进行弹塑性动力分析，得到的最大层间位移角满足规范限值要求，发现结构体系相对薄弱的部位。在施工图阶段，对局部破坏整体刚度的墙体单元，加强约束边缘单元的加固和墙体单元的竖向和水平分布。

5 结语

总而言之，受到地震作用与风荷载的影响，采用软件分析方式，使各式指标保持一致，框架—核心筒结构构建保持在弹性阶段，其承载能力和变形能力可以满足建筑规范的要求。在频繁地震和风荷载作用下，PKPM 和YJK 两款软件分析的指标基本一致；结构构件处于弹性阶段，承载能力和变形能力满足现行规范要求。在设防烈度地震作用下，下部配筋部位的剪力墙和柱处于不挠曲状态，可以满足“中震可修”的抗震性能指标。在罕见地震作用下，结构层间弹塑性位移和位移角满足规范限值要求，结构主要抗侧力构件未受到严重破坏；能达到“不遭受大地震”的抗震性能指标。可见，该结构在抗震性能指标设定的规定地震动下，满足各等级抗震性能的要求，安全、可靠、合理，符合规范要求。