南昌某超限高层建筑结构设计与分析

蒋波，刘凯，许秋华，洪成，符凯

（1.江西省建筑设计研究总院集团有限公司, 南昌330099；2.南昌工程学院，南昌330099；3.江西省土木建筑学会，南昌330099）

1 工程概况

本工程总建筑面积93 996.5 m2。 地上总建筑面积75 568.13 m2，地下建筑面积18 428.37 m2。建筑总高度（室外地面至大屋面）为37.050m，为高层塔楼，建筑层数6 层，为A级高度的高层建筑。 设计使用年限为50 年， 基本风压为0.45 kN/m2，基本雪压为0.45 kN/m2，结构阻尼比取5%。 本工程采用框架-剪力墙结构体系。 建筑效果图见图1。

图1 建筑效果图

2 结构布置情况

建筑主楼通过设置抗震缝将分为A 塔、B 塔和C 塔3 个独立的结构抗震单元。 其中，A 塔和C 塔是钢筋混凝土结构，B 塔为钢结构。 本文以C 塔为例。 剖面图如图2 所示。

图2 C 塔剖面图

C 塔塔楼结构外围尺寸99 m×61 m， 平面形状接近矩形，结构采用框架-剪力墙结构体系。 主楼C 塔的柱距较为均匀，除局部位置外均为9 m×9 m 柱网， 故本工程框架柱采用钢筋混凝土柱。 主楼A 塔楼屋面荷载较大， 楼面荷载一般均在0.6～1.5 kN/m2,且除局部外跨度均为9 m×9 m 柱网。 考虑到使用的舒适性及经济性，故决定框架梁采用钢筋混凝土梁。 平面图如图3 所示。

图3 C 塔平面图

3 结构超限情况及抗震性能化目标

本工程存在以下3 项不规则情况：扭转不规则、楼板不连续、局部有跃层柱。

超限部分为抗震设防类别为乙类的框架-剪力墙结构，破坏形态为弯剪型，综合考虑建筑的功能、重要性和规模等各种因素，确定主楼抗震性能目标为D 级，在满足性能目标D 的基础上，根据构件重要性计算从严控制，针对不同构件制定的不同的性能水准（见表1 和表2）用以指导结构构件设计。

表1 抗震性能化目标表

表2 各性能水准结构预期的震后性能状况

4 结构抗震计算

4.1 多遇地震弹性分析

根据JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构设计规程》（以下简称《高规》5.1.12 条规定，本工程结构计算采用PKPM 和盈建科YJK 两个结构分析软件进行整体计算，并进行对比分析[1]。根据 《高规》5.1.13 条规定计算时考虑平扭耦联计算结构的扭转效应，偶然偏心单向地震作用及双向地震作用。 多遇地震作用下及风荷载作用下主要计算结果见表3。

表3 多遇地震作用下及风荷载作用下主要计算结果

根据表3 可以看出，按振型分解反应谱法计算得到的数据均满足规范的要求，结果基本一致,结构构件均处于弹性状态。说明本工程结构遇“小震”时可以达到“不坏”的设防目标。

4.2 弹性时程分析

弹性时程分析时选取1 条人工波（ArtWave-RH1TG035）和2 条 天 然 波 （Chi-Chi，Taiwan-05_NO_2959 和Chi-Chi，Taiwan-03_NO_2469）作为时程分析的地震波曲线。 3 组地震波持续时间依次为13.9 s、43.4 s、22.4 s，对上述3 条波进行时程分析时，需要对其进行修正，将各条波的小震时程加速度峰修正为18 cm/s2，大震时修正为125 cm/s2。 规范谱与反应谱对比图如4 所示。 基底剪力比较见表4。

表4 基底剪力比较

表4 列出了各条波以及平均值与CQC 法的基底剪力比较结果。 从图4 可以看出，本工程所选的3 条波的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所用的地震影响系数曲线相比，在对应于结构主要振型的周期点上不相差20%。

图4 规范谱与反应谱对比图

经过对3 条波X，Y 向的层间剪力曲线， 弯矩曲线和最大层间位移角曲线综合分析表明，3 条波计算的各层剪力曲线变化形式各不相同， 但3 条波的层剪力平均值曲线和CQC 法计算的层剪力曲线底部变化形式一致， 数值差异不大。 根据规范要求，对于层剪力采用弹性时程分析最大值与CQC 法的较大值进行设计。 根据弹性时程分析结果，CQC法分析时各楼层的地震剪力地震乘以上述放大系数即可完成包络设计。

4.3 中、大震等效弹性分析

按结构抗震性能目标要求，使用YJK 软件进行中震是否能够达到抗震性能水准4 和大震是否能够达到抗震性能水准5 的要求进行复核，并与小震结果取包络设计。A 塔小震弹性、中、大震等效弹性分析的计算结果比较见表5。

表5 计算结果

分析结果表明：在设防烈度地震作用下，由YJK 软件计算结果显示关键构件和框架梁的正截面承载力均未出现超配筋的情况，即满足中震不屈服、抗剪承载力满足中震弹性的要求，说明结构在设防烈度地震（中震）作用下能达到预期的性能目标。

本塔楼按弹性方法计算的结构层间位移角限制为1/800。从计算结果可以看出，在中震作用下，结构变形小于2 倍弹性位移限值，在大震作用下结构变形不大于4 倍弹性位移限值，结构变形在中、 大震作用下均能满足预设的抗震性能水准的要求。

4.4 动力弹塑性时程分析

本工程选用了 PKPM-SAUSAGE 的两组天然波TH016TG040_CHI-CHI TAIWAN-03 9-20-1999 TCU073（下文简 称 “ 天 然 波 一”）、TH047TG040_CORINTH GREECE 2-24-1981 CORINTH（下文简称“天然波二”）和一组人工波RH3TG040 （下文简称 “人工波”）， 共3 组地震波， 采用SAUSAGE 软件进行了罕遇地震作用下的弹塑性时程分析。本次罕遇地震作用下的弹塑性时程分析地震峰值加速度取125 cm/s2。

通过对比各地震波X 与Y 向大震弹塑性与大震弹性的结构顶部位移时程曲线图可以发现X 方向与Y 方向的大震弹塑性最大基底剪力相比大震弹性最大基地剪力有所减少，这表明结构大震下吸收和耗散了较大的地震能量， 说明结构具有良好的耗能性能和减震性能。

各组地震波大震弹塑性时程分析作用下结构最大顶点位移及最大层间位移角见表6。

表6 各组地震波大震弹塑性时程分析作用下结构最大顶点位及最大层间位移角

C 塔楼天然波一作用下计算的结果最不利X 向最大层间位移角达到1/235（7 层），人工波一作用下计算的结果最不利Y 向最大层间位移角达到1/320 （7 层）， 均小于弹塑性层间规范限值（1/100），该工程在大震下的变形满足要求。

按照《抗规》大震下性能4 结构层间位移参考指标——结构不严重破坏，变形不大于0.9 倍塑性变形值，即层间位移角不大于0.9×1/100=1/111[2]。 3 条地震波结果表明结构抗震能力在大震下可以满足性能目标4 的要求。

4.5 楼板损伤

如图5 所示，楼板在大震作用下表现较好，仅仅在开洞等处出现了极少轻微损伤，其余无损伤，可以保证大震下水平力良好的传递，起到有效地协调竖向构件变形的作用。

图5 各层楼板损伤分布图及损伤图例

4.6 剪力墙损伤

如图6 所示全楼剪力墙在大震作用下大部分完好，少量出现轻度（轻微）损坏。 剪力墙连梁在大震作用下出现了较严重破坏，充分发挥了其耗能构件的作用。 满足抗震性能水准5的要求（《高规》）。

图6 人工波剪力墙损伤分布图及损伤图例

4.7 框架损伤

如图7 和图8 所示， 全楼框架柱基本未出现塑性铰，仅在屋面以上构架层柱根部极少量出现。 框架柱承载力足够，未出现明显损伤。 全楼仅局部框架梁端部出现极少量塑性铰，均处于IO（即刻使用状态），且未出现明显损伤；大悬挑（斜撑）及大跨框架梁均未出现塑性铰，充分说明框架抗震性能良好。

图7 人工波框架损伤分布图

图8 框架塑性铰图

5 针对超限情况采取的措施

1）严格按规范要求控制框架柱轴压比、剪压比。

2）加大底部两层框架梁、柱、框架剪力墙及墙端柱、关键构件（悬挑梁、跃层柱）配筋可以达到大震下的轻度、轻微损坏或无损坏状态的目标。

3）对大洞口边弱连接的板采取双层双向配筋，保证大震下水平力的有效传递，起到有效地协调竖向构件变形的作用。

6 结语

本工程建筑对整体结构及构件进行了分析， 依据不同性能目标，进行了抗震分析。 对各层楼板，框架和剪力墙进行了专项分析。 计算及研究分析结果表明， 结构满足规范提出的“小震不坏、中震可修、大震不倒”的要求。 结构体系安全可行，合理有效[3]。