高层框架—核心筒结构抗震性能设计与优化

黄 怡 萍

(上海建科结构新技术工程有限公司，上海 200023)

高层框架—核心筒结构抗震性能设计与优化

黄 怡 萍

(上海建科结构新技术工程有限公司，上海 200023)

结合工程设计实例和相关规范，论述了结构抗震性能目标、连梁超限措施、结构优化方案、弹性反应谱分析以及弹性和弹塑性动力时程分析等内容，最后，通过对结构的计算分析表明，结构基本能达到预期的抗震性能目标。

框架核心筒，抗震性能目标，时程分析

本文即结合某高层框架—核心筒结构工程实例，详细论述该结构的抗震设计及优化过程。

1 工程概况

本工程为商用住宅楼，塔楼屋面高度为296.27 m，共64层；无地下室。本工程结构安全等级为二级，设计基准期定为50年，场地类别为Ⅲ类，抗震设防烈度为7度(0.10g)，设计地震分组为第一组，场地土特征周期为0.45 s。抗震设防类别核心筒为乙类，外周框架为丙类。

1.1 结构体系

本工程采用型钢混凝土框架—钢筋混凝土筒体结构。由核心筒承受主要侧向力，作为第一道抗震防线；外围框架承担次要抗侧力，作为第二道抗震防线。二者形成了双重抗侧力体系，保证结构在大震下的安全。

结构分布图见图1。

1.2 结构平面布置

其标准层平面图和结构立面图如图1所示。结构的平面布置相对较规则，核心筒贯通建筑物全高。核心筒高度296.27 m,最小宽度为22.2 m,高宽比为13.34，超过JGJ 3-2010高规[1]规定：7度区框架—核心筒最大高宽比为7的限值要求。高宽比的大小对整体结构抗侧刚度的影响很大，因此针对本工程的特殊建筑要求，1层～36层核心筒外框柱采用十字形劲性型钢混凝土柱来增加抗侧力构件的刚度，满足规范的刚重比要求。

2 结构设计初步分析

采用PKPM系列软件之SATWE(V2.1版)首先对结构进行多遇地震作用下的初步计算，主要计算参数取值情况见表1。

初步分析的主要技术指标结果见表2。依据《高规》规定：周期比限值为0.85；位移角不宜大于1/500；本层与相邻上层的侧向刚度比不宜小于0.9；B级高层建筑的层间受剪承载力不应小于其相邻上一层受剪承载力的75%。可以看出除了侧向刚度比不满足规范要求外，其他各项主要整体指标均满足规范要求。除此之外，部分连梁出现超筋，部分楼层外框架柱出现轴压比超限情况，相应问题的解决措施如第3部分所述。

表1 结构主要计算参数取值

表2 初步分析结构主要分析结果

3 结构设计问题的解决措施

3.1 连梁超限的问题

连梁对于框架—核心筒结构尤为重要，它不仅起到连接墙肢的作用，在抗震过程中很好地发挥了核心筒剪力墙的延性，起到了第一道防线的重要作用。所以解决连梁超筋或剪压比不满足的问题至关重要。目前常用的解决连梁超限的方法主要有：1)遵循“强墙弱梁”的延性设计与良好耗能性能统一的原则，采用多连梁设计方法，即采用挤塑板填缝处理，在PKPM中时采用多缝连梁模拟，以弱化连梁刚度，合理化连梁配筋，同时也能保证不降低连梁的耗能能力及结构整体刚度。2)通过在连梁上布置交叉斜筋或对角暗撑解决连梁超筋问题。3)对于部分剪压比不满足要求的连梁，可以在连梁内加设型钢。该工程局部楼层出现了连梁超筋现象，采用连梁设缝、布置交叉斜筋等措施已得到解决。

3.2 抗侧刚度不满足要求的问题

结构由于相邻楼层层高突变时，往往会在侧向刚度偏小的楼层部位产生“软弱层”现象，易引起楼层产生应力与变形的集中与放大，对抗震不利。

为了改善结构楼层刚度突变幅度，常用的调整楼层刚度的方法有：

1)改变剪力墙厚度；2)改变混凝土标号；3)改变框架柱截面尺寸；4)改变框架梁截面；5)改变连梁截面；6)在层高突变层增加斜杆支撑。

有研究表明[3]，前四种方法对减小结构楼层刚度突变的效果有限，而调整连梁截面和增加支撑对减小结构楼层刚度突变效果比较明显。因此针对本工程侧向刚度突变问题，采用在突变楼层(即结构第8层)增加斜杆支撑，见图2。

3.3 外框柱轴压比超限问题

根据《高规》11.4.4条，型钢混凝土柱的轴压比限值为0.70，对于剪跨比小于2的柱，其轴压比限值为0.65。针对本工程中局部楼层轴压比超限的外框柱采用增大柱截面尺寸或加大钢骨截面尺寸等措施来解决柱轴压比超限问题。

4 结构超限分析

1)高度超限。《高规》第11.1.2条规定：型钢框筒结构使用的最大高度为190 m。而本工程结构高度为296.27 m，结构高度超限。

2)竖向不规则超限。由于结构使用功能的需要，第8层的层高(8.9 m)明显大于相邻楼层层高(4.2 m)。第8层的侧向刚度小于其上一层侧向刚度的0.9倍，结构属于竖向不规则超限。

3)楼板开洞面积出现大于该层楼层面积的30%，造成了结构平面不规则超限。

针对以上超限情况，根据结构的特殊性、设防烈度、场地条件、抗震设防类别等各项因素对结构进行基于性能的抗震设计，将结构抗震性能目标定为C，具体要求详见表3，经过模型优化调整，结构基本能达到预期的抗震性能目标。

表3 抗震性能目标C的具体要求

5 结构弹性分析

多遇地震弹性计算采用建研院研发的SATWE(2013.10版)和PMSAP(2013.10版)，表4给出两种软件的计算结果。

表4 主要结构分析结果

从表4可以看出，PMSAP与SATWE两个软件的计算结果比较接近。周期比小于0.85，最大楼层位移比和最大层间位移比都小于1.2，满足《高规》规定。在考虑双向地震作用下的位移角最大值为1/811，小于《高规》的限值1/500，满足规范要求。

由于塔楼的高度远超100 m，需选取实际地震记录和人工模拟加速度时程曲线，补充弹性时程分析计算。针对本工程选择了3条用户自定义的地震波对结构进行弹性时程分析。基底剪力的计算结果见表5。

表5 基底剪力的计算结果

其中3条地震波作用下的楼层剪力平均值，除顶部8层外，都不大于振型分解反应谱计算的结果。比较发现顶部8层的楼层剪力比振型分解反应谱法求得的剪力大。这也进一步反映了反应谱法对高振型下的高柔结构顶部鞭梢效应估计的缺陷，需要补充弹性时程分析。

6 罕遇地震下弹塑性动力时程分析

根据《建筑抗震设计规范》[2](2010年版)规定对于8度Ⅲ,Ⅳ类场地和9度区高大的单层钢筋混凝土柱厂房的横向排架、7度～9度区楼层屈服强度系数小于0.5的钢筋混凝土框架结构和框排架结构、高度大于150 m的结构、甲类建筑和9度时乙类建筑中的钢筋混凝土结构和钢结构、采用隔震和消能减震设计的结构，需要进行弹塑性变形验算。所以针对本工程，采用建研院研发的弹塑性动力分析软件EPDA。

选用两组实际地震波和一组人工波，按双向地震输入，主次方向加速度峰值比为1∶0.85，主方向地震峰值加速度为220 cm/s2,混凝土本构采用三线性模型，钢材本构采用双折线模型。

通过观察结构塑性发展的时程动画，发现结构在大震下的塑性损伤顺序为：核心筒连梁及外围框架梁→核心筒连梁→与连梁相连的核心筒剪力墙边缘→加强层斜撑，外框基本没有出现塑性损伤。其中45层～47层和结构顶部几层有较多墙体出现裂缝，这些需作为结构的薄弱部位，设计时需适当提高配筋率。

7 结论与建议

本文结合某超高层框架—核心筒结构的工程实例和相关抗震设计规范，从结构初步分析、问题解决措施、结构抗震性能目标确定、弹性反应谱分析以及弹性和弹塑性动力时程分析等方面详细论述了超高层框架—核心筒的设计过程。

研究分析结论如下：

1)可采用设置多连梁，即采用挤塑板填缝处理连梁，或通过在连梁上布置交叉斜筋或对角暗撑解决连梁超筋问题。可采用连梁内加设型钢解决连梁剪压比不满足要求的问题。

2)对于结构存在侧向刚度突变的情况，调整连梁截面和增加支撑对减小结构楼层刚度突变效果较明显。

3)对于高柔结构，需要对结构进行动力时程分析，对于结构薄弱部位，设计时应提高抗震措施。

[1] JGJ 3-2010，高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[2] GB 50011-2010，建筑抗震设计规范[S].

[3] 许崇伟，黄勤勇.层高突变对高层建筑楼层刚度的影响及其对策[J].建筑科学，2006(1)：13-15.

[4] 孙 垚.框架—核心筒结构设计分析探讨[J].工业建设与设计，2011(16)：29-31.

[5] 高立人，方鄂华，钱稼茹.高层建筑结构概念设计[M].北京：中国计划出版社，2005.

[6] 吕西林.超限高层建筑工程抗震设计指南[M].第2版.上海：同济大学出版社,2009.

[7] 赵变青.某超限钢筋混凝土框架—核心筒结构设计[J].山西建筑，2012，38(35)：33-34.

Seismic performance design and optimization of the high-rise frame-core tube structure

HUANG Yi-ping

(ShanghaiJiankeNewStructuralTechnologyCo.,Ltd,Shanghai200023,China)

Combining the practical project and relevant codes, the performance objectives, excessive reinforcement of coupling beam, structural optimization plan, elastic response spectrum analysis, elastic and elastic-plastic dynamic time-history analysis are discussed in this paper. In the end, according to the analytical results, the expected seismic performance objectives are basically reached.

frame-core wall， seismic performance objective， time-history analysis

1009-6825(2014)16-0048-03

2014-03-28

黄怡萍(1977- )，女，工程师

TU352.11

A