超高层写字楼结构抗震设计分析

2022-07-25矫良健JIAOLiangjian

价值工程 2022年22期

矫良健JIAO Liang-jian

（重庆市设计院有限公司，重庆 400000）

1 工程概况

金融城6 号项目位于重庆市江北嘴中央商务区A06号地块，北面为建设中的高档住宅江北嘴壹号院·东苑，南面为建设中的高档写字楼俊豪ICFC 金融中心，西面为已建成运营的江北嘴金融城3 号项目，东面为已建成运营的IFS国际金融中心。项目紧邻江北城北大街及轨道六号线和九号线换乘站江北城站，并与轨道1#出口直接相连，地理环境优越且交通便捷。

本文介绍其中3#塔楼，为高档写字楼，地上共44 层，建筑高度200 米。

2 3#塔楼针对性设计措施

2.1 塔楼柱加强措施

①3#塔楼下部1/4 高度的楼层，塔楼柱采用型钢混凝土柱。

②外框柱，柱轴压比按0.80 控制，配筋按一级构造措施控制。

③L1～L2 外框柱（通高11.2 米），柱轴压比限制较规范减小0.1，按0.75 控制。体积配箍率不小于1.5%，全高加密，箍筋直径不小于14。纵筋配筋率不小于1.5%。

④3#楼VIP 办公区局部通高柱（通高9.6 米），体积配箍率不小于1.2%，全高加密，箍筋直径不小于12，纵筋配筋率提高0.1%。

⑤屋面大跨处柱，全高加密，体积配箍率不小于1.2%，箍筋直径不小于12，纵筋配筋率提高0.1%。

⑥净高与柱宽之比小于4 的柱，体积配箍率不小于1.2%，并全高加密。

2.2 筒体加强措施

①筒体剪力墙轴压比按0.55 控制。

②底部加强区，筒体四角约束边缘构件配筋率按1.45%控制，其余外墙按1.35%控制，内墙按1.3%控制，配箍特征值0.24，外墙分布筋按0.4%控制，内墙按0.35%控制。

③其余区域，筒体四角均设置约束边缘构件，其余区域设置构造边缘构件，筒体四角配筋率按1.4%控制，配箍特征值0.2，其余外墙配筋率按1.2～0.9%控制（楼层往上逐步减小），内筒配筋率按1.1%～0.8%控制（楼层往上逐步减小）。外墙分布筋按0.4%控制，内墙按0.3%控制。

2.3 其他加强措施

①筒体内板厚120mm，配筋按双层双向拉通配置，最小配筋率为0.25%；

②塔楼平面四个角部采用双向梁系，角部区域双层双向配筋，配筋率不小于0.3%，钢筋直径采用8，间距不大于150。

3 3#楼结构的单、多塔模型对比分析

3.1 振周期及振型特性

表1 3#楼塔楼周期（多塔模型与单塔模型）

3.2 楼层的位移和位移角

从计算结果可以看出，单塔和多塔的计算模型周期及位移结果吻合较好。3#塔楼裙房以上楼层在单，多塔模型的计算结果差异较小。

3.3 单多塔分析小结

从计算结果可以看出，单塔和多塔的计算指标结果（周期、位移等）结果吻合较好。可见塔楼裙房以上楼层在单，多塔模型的计算结果差异较小，可以满足计算要求的。因此3#塔楼在后续超限分析中采用单塔模型为代表是可行的。在施工图设计中，塔楼裙房以上采用单塔和多塔的计算结果包络值作为配筋依据，裙房以下采用多塔整体模型进行设计。

4 3#楼小震弹性振型分解反应谱法计算结构的主要控制指标

4.1 3#楼周期和振型

分别计算3#塔楼结构的前27 个周期振型，列出塔楼结构的前6 个振型的周期值和振型描述：

如表2 所示，两个软件计算的周期振型接近，第一扭转周期Tt 与第一平动周期的比值Tt/T1 满足《高规》（JGJ 3-2010）的要求。

表2 3#楼周期振型统计表

可以看出二者计算结果相近，规律性一致。根据抗震规范（GB50011-2010）5.2.5 条，剪重比应达到0.64%（X向），0.67%（Y 向）。而计算剪重比分别为0.59%（X 向），0.62%（Y 向）。配筋设计时，各楼层地震剪力相应放大以满足规范剪重比要求。

4.2 3#楼水平作用下结构的位移

表3 3#楼楼层层间位移角结果

由以上结果可知，地震作用下，楼层竖向构件最大位移（或层间位移）与平均值之比，在裙房以上楼层最大1.20。两个方向最大层间位移角满足规范限值（1/1000）。

4.3 3#楼楼层刚度比，抗剪承载力比

从计算结果可知，YJK 和Midas 计算的楼层侧向刚度的分布规律一致，各层侧向刚度与相邻上层侧向刚度的比值均满足规范要求。抗剪承载力比值，均大于0.75，满足规范要求。除转换层及屋顶电梯机房部位外，结构各层抗剪承载力沿高度变化均匀，无明显薄弱部位。

4.4 3#楼振型分解反应谱法计算总结

采用YJK 及MIDAS两软件进行对比计算。两者小震反应谱计算结果十分接近，规律相同。各计算结果数值上满足规范要求。由于层高及墙肢变化的原因，局部楼层刚度及受剪承载力有波动。底部加强部位剪力墙设为关键部位，设计将进行加强。后续设计将以YJK 计算结果为依据。

5 3#楼结构小震弹性时程反应分析

5.1 3#楼地震波选取

按《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）的规定，时程分析所采用的加速度时程曲线，“其平均地震影响系数曲线应与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符”，根据本工程结构周期，场地类别以及本工程的抗震设防标准，选出5 条天然地震波和2 条人工地震波。弹性时程分析采用YJK 进行计算分析。从对比结果中可以看到，7 条地震波平均地震影响系数曲线与振型分解反应说是谱法所用的地震影响系数曲线相比，在在前三阶振型的周期点上相差不大于20%，统计意义上相符，满足规范要求。

5.2 3#楼结构小震弹性时程分析总结

在进行弹性时程分析的阶段中，主要是采取7 条地震波开展计算的。待计算环节通过相关的参数比分析，相关的平均底部的剪力和振型分解产生的计算结构均达到的相关标准要求。时程分析表明：1#楼在X 向7 条时程波计算的楼层底部剪力平均值能够在一定的范围上对计算值反应出来，其计算值为89%；在Y 向计算的楼层底部剪力平均值分别为反应谱的计算值98%。

在进行施工图设计的过程中，考虑到结构稳定性，针对地震作用的效应振型分解反应普法以及7 条波时程法计结果，则需要按照包络值进行设计。

6 3#楼大震动力弹塑性时程分析

本报告通过大震作用下的动力弹塑性分析，拟达到下述目的：

①对整体结构的相应情况进行评价。采取基底等参数，对其塑性的开展程度进行评价；

②对计算结构的整体变化情况进行分析，对结构中存在的测量变形情况进行评价；对结构层的变化情况进行全面计算，针对软弱层与薄弱层进行评价（根据结构层位移的角度进行比较）；

③对抗侧构建的损伤分布进行评价（包含了框架梁柱、剪力墙损伤信息与发展程度的信息），对抗侧力在遇到作用时其性能水准是否达到要求。

分析软件：选用YJK 软件对结构进行弹塑性动力时程分析。基于钢筋混凝土结构额单元参数需要按照弹性计算的结构与相关的规范要求进行钢筋配置。

模型简化：因弹塑性动力时程分析时间长，计算工作量大，对计算模型做了适当的简化处理：删除了裙房部分。

3#楼地震波的选择：

《高规》第5.5.1 条第6 款规定：进行动力弹塑性计算时，地面运动的加速度时程的选取、预估罕遇地震作用时的峰值加速度取值以及计算结果的选用应符合该规程

4.3.5 条的规定。

第4.3.5 条主要要求有：

①选择3 组或是选择7 组地震波进行。

②针对地震波产生的“有效持续时间”不能够小于于周期的5 倍，且时间不能超过15 秒。

③分析可知，相关多组地震时曲线的平均地争影响曲线值与采取的统计方法相同。相关条文中对统计意义的解析方向为：相对于结构主要的振周期位置点相差值≤20%

按照上述选择出来的资料进行分析，各个组波的弹性参数值均存在一定的特征值。相关剪力参数见表4 中分析。

表4 1#楼各条地震波弹性时程剪力与弹性振型分解反应谱的剪力对比表

7 3#楼罕遇地震弹塑性时程分析主要计算结果

大震弹塑性时程与弹性时程计算基底剪力对比如表5。

表5 大震弹塑性时程与弹性时程计算基底剪力对比表

以人工波为例，对比基底剪力的弹性与弹塑性时程曲线，如图1、图2 所示。

图1 X 向底部剪力时程曲线

图2 Y 向底部剪力时程曲线

以人工波为例，对比顶点位移的弹性与弹塑性时程曲线，如图3、图4 所示。

图3 X 向屋面位移时程曲线

图4 Y 向屋面位移时程曲线

计算结果显示，罕遇地震作用下，结构周期有一定程度的增长，结构刚度出现部分退化。结构底部弹塑性地震剪力较弹性地震剪力有一定减少，说明罕遇地震作用下因为上部塔楼部分构件的屈服，发生塑性变形，有效的耗散了地震能量，结构弹塑性剪力出现滞后现象。随着地震的作用，两主方向下结构弹塑性位移时程比弹性时程从基本重合到有明显的滞后，表明结构的损伤逐渐发展导致结构变柔，周期延长的现象。

X 向地震作用时的楼层最大层间位移角为1/201（29层），Y 向地震作用时的楼层最大层间位移角为1/221（29层），满足规范大震下弹塑性位移角不大于1/133 的限值，而且也满足水准4 性能目标1/163 的限值。

够形成较好的耗能机制。综合结构层位移及层间位移角指标，验证了在大震下，结构整体塑性发展程度有限，无明显薄弱层，结构体系中的各构件均能达到性能目标的要求。

人工波1 的总内能、框架柱内能、框架梁内能及墙柱内能曲线如下图，从图中可以看出，梁从开始到最后所占耗能比例最高，其次是墙柱、框架柱。说明结构在地震作用下，主要是连梁耗能，耗能受力机制合理，满足抗震设计原则要求。