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 王鵬，  許平，  胡振杰

 （成都基準(zhǔn)方中建筑設(shè)計(jì)有限公司，成都610011）

[摘要]  中和鎮(zhèn)府河地塊·嘉年華二期商業(yè)項(xiàng)目中的超高層辦公塔樓，為高位轉(zhuǎn)換超限結(jié)構(gòu)，房屋高度為115. 950m，屬B級(jí)高度。介紹了結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)性能分析等內(nèi)容�；�于抗震性能設(shè)計(jì)方法，采用YJK和ETABS軟件對(duì)此結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多遇地震作用下的彈性分析，采用YJK軟件進(jìn)行了設(shè)防烈度地震作用下關(guān)鍵構(gòu)件的性能分析，采用STRAT軟件進(jìn)行了罕遇地震作用下的彈塑性時(shí)程分析。分析結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)可滿足預(yù)定的抗震性能目標(biāo)。

[關(guān)鍵詞]  超限高層；高位轉(zhuǎn)換；抗震性能設(shè)計(jì)；彈塑性分析

1  工程概況

中和鎮(zhèn)府河地塊·嘉年華二期商業(yè)項(xiàng)目位于四川省成都市天府新城，用地性質(zhì)為商業(yè)。項(xiàng)目地上分為9棟樓，1號(hào)樓為幼兒園，4號(hào)樓與9號(hào)樓為多層獨(dú)立商業(yè)，其他為高層辦公塔樓，其中5號(hào)樓為超高層塔樓（圖1）。本文主要介紹5號(hào)超高層塔樓的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析。該塔樓地下3層，地上24層，房屋高度115. 950m（含室內(nèi)外高差0.Im）；地下2，3層為車庫(kù)，地下1層及地上1~4層為商業(yè)，5層及以上為辦公，11層為避難層；地下1層~地下3層層高分別為6.3，3.8，3. 7m，地上1~3層層高為4. 5m，4層層高為6.Om，11層層高為3.3m，標(biāo)準(zhǔn)層層高為4. 9m。為實(shí)現(xiàn)底部大開(kāi)間，將上部剪力墻進(jìn)行轉(zhuǎn)換，在塔樓底部4層頂設(shè)置結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層，形成底部大空間的框支剪力墻結(jié)構(gòu)。5號(hào)樓剖面圖如圖2所示。本工程安全等級(jí)為二級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限為50年；抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0. lOg，設(shè)計(jì)地震分組為第三組；場(chǎng)地類別為Ⅱ類，場(chǎng)地特征周期為0. 45s，基本風(fēng)壓為0. 30kN/m2（50年重現(xiàn)期），地面粗糙度類別為C類。

2  結(jié)構(gòu)體系與結(jié)構(gòu)布置

結(jié)構(gòu)體系為部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)，樓面、屋面均采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板體系。轉(zhuǎn)換層設(shè)置在4層頂，屬于高位轉(zhuǎn)換，采用傳力途徑直接、明確的梁式轉(zhuǎn)換方式。轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)平面如圖3所示，標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面如圖4所示。結(jié)構(gòu)布置時(shí)，利用樓電梯間等豎向交通布置落地剪力墻，大部分上部剪力墻均落在轉(zhuǎn)換主梁上，避免多次轉(zhuǎn)換的不利形式。主要構(gòu)件截面及其混凝土、鋼筋強(qiáng)度等級(jí)見(jiàn)表1。

3  結(jié)構(gòu)超限情況及抗震性能目標(biāo)

本工程房屋高度為115. 950m，屬于B級(jí)高度的高層建筑，考慮偶然偏心的位移比大于1.2，屬于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。針對(duì)項(xiàng)目超限情況，依據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》( JGJ 3-2010)（簡(jiǎn)稱高規(guī)）選用D級(jí)性能目標(biāo)及相應(yīng)的抗震性能水準(zhǔn)，各構(gòu)件的抗震性能目標(biāo)及所采用的分析軟件見(jiàn)表2。

4  抗震等級(jí)

本工程的抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類（丙類），根據(jù)高規(guī)及《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》( GB 50011-2010)（簡(jiǎn)稱抗規(guī)），結(jié)構(gòu)各構(gòu)件抗震等級(jí)見(jiàn)表3。

5  整體結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

5.1小震彈性分析

采用YJK與ETABS軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體計(jì)算對(duì)比。采用振型分解反應(yīng)譜法（CQC法）計(jì)算結(jié)構(gòu)在小震作用下的動(dòng)力響應(yīng)，部分計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。由表可見(jiàn)，YJK與ETABS兩個(gè)軟件的計(jì)算結(jié)果均比較接近，相互驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的可靠性。分析結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)滿足小震作用下的性能目標(biāo)。

采用5組天然波和2組人工波對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性時(shí)程分析，彈性時(shí)程分析得到的基底剪力見(jiàn)表5。計(jì)算結(jié)果顯示，每條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)基底剪力在規(guī)范反應(yīng)譜計(jì)算基底剪力的65%—135%范圍內(nèi)，多條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)基底剪力的平均值在規(guī)范反應(yīng)譜計(jì)算基底剪力的80%~120%范圍內(nèi)，滿足規(guī)范要求。對(duì)七組地震波的剪力平均值與振型分解反應(yīng)譜的基底剪力進(jìn)行比較，并依據(jù)兩者較大值對(duì)樓層地震作用標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行調(diào)整。

5.2中震分析

5.2.1中震彈性計(jì)算

 本工程對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件（框支框架及底部加強(qiáng)部位剪力墻）提出了中震彈性的抗震性能設(shè)計(jì)目標(biāo)。中震彈性計(jì)算采用規(guī)范反應(yīng)譜，地震最大影響系數(shù)ama=0.23，周期折減系數(shù)取1.0，不考慮風(fēng)荷載，結(jié)構(gòu)阻尼比取0. 06，中梁剛度放大系數(shù)取1.2，連梁剛度折減系數(shù)取0. 55，不考慮與抗震等級(jí)有關(guān)的內(nèi)力放大系數(shù)，保留荷載分項(xiàng)系數(shù)、材料分項(xiàng)系數(shù)和承載力抗震調(diào)整系數(shù)，材料強(qiáng)度取設(shè)計(jì)值。

 采用YJK軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行中震彈性計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明：部分框支柱和底部加強(qiáng)部位剪力墻的中震彈性計(jì)算的配筋值大于多遇地震計(jì)算結(jié)果，但無(wú)超筋現(xiàn)象，施工圖設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)其按中震彈性計(jì)算的配筋結(jié)果予以加強(qiáng)；框支梁及框支次梁的配筋值與多遇地震計(jì)算結(jié)果基本相同，且無(wú)超筋現(xiàn)象；關(guān)鍵構(gòu)件的受剪截面滿足中震彈性要求。

5.2.2中震不屈服計(jì)算

 考慮本工程特殊性，對(duì)轉(zhuǎn)換層以上X向框架梁提出了中震下抗剪不屈服、部分抗彎屈服的性能目標(biāo)。中震不屈服計(jì)算采用規(guī)范反應(yīng)譜，地震最大影響系數(shù)amax=0.23，周期折減系數(shù)取1.0，不考慮風(fēng)荷載，結(jié)構(gòu)阻尼比取0. 06，中梁剛度放大系數(shù)取1.2，連梁剛度折減系數(shù)取0. 55，不考慮與抗震等級(jí)有關(guān)的內(nèi)力放大系數(shù)，不計(jì)算荷載分項(xiàng)系數(shù)和承載力抗震調(diào)整系數(shù)，材料強(qiáng)度取標(biāo)準(zhǔn)值。

 采用YJK軟件進(jìn)行中震不屈服計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明，X向最大層間位移角為1/407，y向最大層間位移角為1/405，小于3倍彈性層間位移角限值( 1/333)；普通豎向構(gòu)件僅有個(gè)別墻肢的配筋存在超筋現(xiàn)象，抗彎進(jìn)入屈服階段，但其受剪截面滿足中震不屈服要求；轉(zhuǎn)換層以上X向框架梁僅部分抗彎屈服，抗剪均未屈服；部分耗能構(gòu)件中震不屈服計(jì)算結(jié)果顯示超筋，構(gòu)件進(jìn)入了屈服階段。

 通過(guò)以上分析，在設(shè)防烈度地震作用下，關(guān)鍵構(gòu)件能夠滿足中震彈性要求，整體結(jié)構(gòu)滿足性能水準(zhǔn)4的要求。

5.3大震彈塑性時(shí)程分析

 框支剪力墻結(jié)構(gòu)上部荷載只能通過(guò)轉(zhuǎn)換構(gòu)件的內(nèi)力重分配才能向下傳遞，轉(zhuǎn)換構(gòu)件受力復(fù)雜。針對(duì)本工程的實(shí)際情況，對(duì)結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵構(gòu)件（框支框架及底部加強(qiáng)部位剪力墻）提出大震下抗彎、抗剪不屈服的性能目標(biāo)，對(duì)普通剪力墻及轉(zhuǎn)換層X(jué)向框架梁提出受剪截面滿足大震不屈服的性能目標(biāo)。

 采用STRAT軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行大震作用下的彈塑性時(shí)程分析。從彈性時(shí)程分析的七組雙向地震波中選用一組人工波（人工波一）、兩組天然波（天然波一、天然波二）共三組地震波進(jìn)行大震作用下的彈塑性時(shí)程分析。彈塑性時(shí)程分析時(shí)，主方向與次方向地震波峰值比取1：0. 85，地震波持續(xù)時(shí)間為20s，主方向地震波峰值取220cm/s2，Tg取o．5s。

5.3.1整體計(jì)算結(jié)果

結(jié)構(gòu)在三組地震波作用下的彈塑性時(shí)程分析整體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6，各組地震波均按主方向?yàn)閄向、y向分別計(jì)算。從計(jì)算結(jié)果可以看出，大震下最大層間位移角為1/135，位于第20層，滿足規(guī)范對(duì)罕遇地震作用下層間位移角的限值( 1/100)要求。結(jié)構(gòu)層間位移角以人工波-x主方向計(jì)算結(jié)果最大，以下分析均以人工波-x主方向地震作用下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)為例。

5.3.2框支梁、框支柱的應(yīng)力、應(yīng)變分析

框支梁縱向鋼筋應(yīng)力、應(yīng)變分布見(jiàn)圖5，框支梁混凝土應(yīng)力、應(yīng)變分布見(jiàn)圖6，圖中應(yīng)力、應(yīng)變均以壓為正、拉為負(fù)，余同�？梢钥闯觯�框支梁縱向鋼筋最大拉應(yīng)力為320. 6MPa、最大壓應(yīng)力為390MPa，均小于鋼筋強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值400MPa，對(duì)應(yīng)的最大拉應(yīng)變?yōu)?. 001 6、最大壓應(yīng)變?yōu)?.001 95，均小于鋼筋屈服應(yīng)變0. 002，說(shuō)明罕遇地震作用下框支梁縱向鋼筋未出現(xiàn)屈服。框支梁混凝土大部分壓應(yīng)力小于混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值38. 5MPa，局部應(yīng)力集中位置的應(yīng)力達(dá)到38. 46MPa，略小于混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，說(shuō)明罕遇地震作用下框支梁混凝土未出現(xiàn)屈服。

框支柱縱向鋼筋應(yīng)力、應(yīng)變分布如圖7所示，框支柱混凝土應(yīng)力、應(yīng)變分布如圖8所示�？梢钥闯觯�框支柱縱向鋼筋的最大拉應(yīng)力為183. 67MPa、最大壓應(yīng)力為255. 38MPa，均小于鋼筋強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值400MPa，混凝土最大壓應(yīng)力為30. 97MPa，小于混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值38. SMPa，混凝土最大壓應(yīng)變?yōu)?. 000 86，小于0.002，說(shuō)明罕遇地震作用下框支柱鋼筋及混凝土未出現(xiàn)屈服。

5.3.3落地剪力墻的應(yīng)力、應(yīng)變分析

首層落地剪力墻縱向鋼筋應(yīng)力、應(yīng)變分布如圖9所示，首層落地剪力墻混凝土應(yīng)力、應(yīng)變分布如圖10所示�？梢钥闯�，剪力墻縱向鋼筋最大壓應(yīng)力為111. 30MPa，小于鋼筋強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值400MPa，混凝土最大壓應(yīng)力為18. 56MPa，小于混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值38. 5MPa，混凝土最大壓應(yīng)變?yōu)?.000 54，小于0. 002，說(shuō)明罕遇地震作用下首層落地剪力墻的縱向鋼筋及混凝土均未出現(xiàn)屈服。

5.3.4轉(zhuǎn)換層樓板應(yīng)力、應(yīng)變分析

 本工程為部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)，為保證轉(zhuǎn)換層處非落地剪力墻的水平剪力能夠通過(guò)樓板有效傳遞給落地豎向構(gòu)件，對(duì)轉(zhuǎn)換層樓板進(jìn)行有限元應(yīng)力、應(yīng)變分析。

 計(jì)算結(jié)果表明，大部分樓板鋼筋最大拉應(yīng)力為333. 6MPa、最大壓應(yīng)力為399. 2MPa，小于鋼筋強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值400MPa，且未出現(xiàn)塑性應(yīng)變，局部應(yīng)力集中位置的應(yīng)力接近或達(dá)到鋼筋強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值400MPa，產(chǎn)生輕微塑性應(yīng)變。最大拉應(yīng)力對(duì)應(yīng)最大拉應(yīng)變?yōu)?. 001 7，最大壓應(yīng)力為對(duì)應(yīng)最大壓應(yīng)變?yōu)?.002 2。

 轉(zhuǎn)換層樓板混凝土最大壓應(yīng)力為37. 7MPa，小于混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值38. 5MPa，對(duì)應(yīng)的最大壓應(yīng)變?yōu)?. 001 7，即轉(zhuǎn)換層樓板未產(chǎn)生塑性變形，罕遇地震下轉(zhuǎn)換層樓板混凝土未出現(xiàn)屈服。

6  主要抗震加強(qiáng)措施

6.1關(guān)鍵構(gòu)件

 (1)控制底部加強(qiáng)部位剪力墻、框支柱軸壓比：底部加強(qiáng)部位剪力墻軸壓比小于0.4，框支柱軸壓比小于0.5，且采用高強(qiáng)混凝土C60。

 (2)對(duì)關(guān)鍵框支柱增設(shè)芯柱：對(duì)于角柱及軸壓比較大的框支柱（軸壓比大于0.4）增設(shè)芯柱，以提高其延性，芯柱配筋率不小于0.8%。

 (3)控制底部加強(qiáng)部位剪力墻水平和豎向分布筋最小配筋率：底部加強(qiáng)部位落地剪力墻水平和豎向分布筋配筋率不小于0. 4%，轉(zhuǎn)換層以上兩層不落地剪力墻水平和豎向分布筋配筋率不小于0. 6%。

6.2轉(zhuǎn)換層樓板

 (1)加強(qiáng)轉(zhuǎn)換層及其上下相鄰兩層板厚及配筋：轉(zhuǎn)換層板厚取180mm，局部應(yīng)力較大處板厚取200mm，配筋率不小于0.25%（雙層雙向），轉(zhuǎn)換層上下相鄰兩層板厚依次取150，120mm。

 (2)根據(jù)樓板應(yīng)力分析結(jié)果，加大應(yīng)力集中部位（如樓板洞口周邊、豎向構(gòu)件角部）的樓板配筋。

7  結(jié)論

 本工程為高位轉(zhuǎn)換框支剪力墻結(jié)構(gòu)，屬B級(jí)高度超限高層建筑。針對(duì)超限內(nèi)容，對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件（框支框架、底部加強(qiáng)部位剪力墻）及轉(zhuǎn)換層樓板采取加強(qiáng)措施。并采用多種計(jì)算軟件進(jìn)行彈性、彈塑性分析。

 分析結(jié)果表明，所有指標(biāo)均滿足相關(guān)規(guī)范要求，多遇地震時(shí)能保證各構(gòu)件處于彈性階段；中震時(shí)關(guān)鍵構(gòu)件處于彈性階段，個(gè)別普通豎向構(gòu)件屈服，但受剪截面滿足中震不屈服；罕遇地震時(shí)底部加強(qiáng)部位剪力墻、框支框架未屈服，薄弱部位層間變形滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的抗震性能目標(biāo)D。本工程的設(shè)計(jì)于2014年10月通過(guò)四川省抗震設(shè)防專項(xiàng)審查。