某超限高层结构性能化设计与分析

唐家俊 刘春霞

（1.中海油山东化学工程有限责任公司 ； 2.山东润昌工程设计有限公司，山东 济南 250101）

某超限高层结构性能化设计与分析

唐家俊1刘春霞2

（1.中海油山东化学工程有限责任公司 ； 2.山东润昌工程设计有限公司，山东 济南 250101）

本工程为B级高度的框架-核心筒结构，本文介绍了工程特点与结构体系的选择，设计中按弹性时程分析法和CQC法包络进行设计，采用SATWE和ETABS有限元软件进行计算分析，底部加强区按中震不屈服设计，计算结果表明结构在地震作用下的反应和破坏机制均能满足预期性能目标。

超限高层 框架-核心筒 中震不屈服 性能设计

1 工程概况

本工程位于济南市历下区。本建筑由两栋塔楼组成,地下四层，半地下一层，地上35层，总建筑高度148.15米。地下一～地下四层为地下停车库、设备用房及金库等，半地下层和地上一～四层为门厅、营业厅、厨房、餐厅、后勤服务用房和贵宾停车区等，五～三十五层主要为办公及银行家俱乐部，其中五、十八、三十二层为避难层，十九层为设备层。

2 主要地震参数及抗震性能目标

由于本工程的重要性，项目组委托济南市地震安评工程研究院进行场地地震安全性评价，场地地震影响系数标准形式如式1所示。

分别为周期为T时的反应谱值、反应谱周期、峰值加速度、衰减系数。为反应谱拐点周期。

采用上面的公式分别对工程场地地表50年不同超越概率阻尼比为5%的计算地震动加速度结果进行拟合，得到相应的设计谱。

综合考虑抗震设防类别、设防烈度、场地条件、建筑物功能、结构的特征、构件的部位和重要程度，依据《高层建筑混凝土结构技术规程》和《建筑抗震设计规范》选定本结构的抗震性能目标为C级。

3 结构体系与结构布置

本工程采用钢筋混凝土框架-核心筒结构，楼盖采用钢筋混凝土梁板式楼盖。利用竖向交通的楼、电梯的位置设置核心筒，底部越层位置核心筒角部设置型钢，增加筒体延性；剪力墙厚度随建筑高度逐步变薄。由于六层以上南北方向外围的柱向内有2度倾斜，为有效控制柱、梁截面尺寸，控制斜柱部分产生的水平力问题且保证结构具有良好的刚度和延性，沿全高设置型钢柱、型钢梁，框架柱含钢率控制在5%左右，框架梁含钢率控制在2%左右。

4 结构计算与分析概述

结构计算分析主要从弹性和弹塑性两个阶段进行，弹性阶段的计算分析主要采用了振型分解反应谱法（CQC），采用PKPM(SATWE)软件进行计算，并采用ETABS软件进行验证，底部加强区竖向构件按中震弹性性能目标进行设计，并进行罕遇地震作用下的结构弹塑性变形验算，大震变形验算采用中国建研院的PUSH＆EPDA软件中的静力推覆分析（Pushover）方法。

5 多遇地震弹性分析

5.1 振型分解反应谱法

根据安评报告和规范反应谱进行了小震CQC计算对比，结果见表2.

底层地震剪力 Y 8278KN 8625KN X 7665KN 7571KN X(风) 1/2457（22F） 1/2184（19F）Y(风) 1/2764（19F） 1/2895（16F）最大层间位移角X(地震) 1/2295（22F） 1/2193（18F）Y(地震) 1/2941（21F） 1/3195（18F）最大扭转位移比 Y 1.27 1.22 X 1.31 1.27

从表中计算结果对比可以看出，两种不同软件计算得出的结构整体参数指标均比较接近，控制指标出现楼层位置也比较接近，各项指标均满足规范要求。

5.2 弹性动力时程分析

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）第5.1.13条规定，B级高度高层建筑结构和复杂高层建筑结构，应进行弹性动力时程分析。以找出结构薄弱层和侧向刚度突变层，并对反应谱法楼层剪力小于弹性时程分析结果的部位进行地震力放大。采用SATWE软件进行弹性时程分析，根据场地的频谱特性、加速度的有效峰值和时程曲线的有效持续时间这三要素，选用了两组天然波TH3TG045、TH4TG045和一条人工波—RH3TG045。地震波加速度峰值按场地安评报告取为27gal。按照规范要求进行双向地震波输入，主、次方向峰值加速度最大值按1：0.85的比例调整。三条波计算下，塔楼底部剪力均大于CQC法的65%，三条地震波分析所得底部剪力平均值大于CQC法的80%，均满足规范要求。从位移曲线来看，无明显的拐点，结构竖向刚度基本均匀。

6 设防地震作用下结构性能分析

根据性能目标要求，采用SATWE程序进行中震弹性分析，计算模型和多遇地震计算模型相同。中震弹性分析用于验算底部加强区框架柱和剪力墙，验算中不考虑内力调整，荷载组合为基本组合且风荷载不参与内力组合，材料强度取标准值，抗震承载力调整系数同多遇地震计算。计算结果表明中震弹性计算得出的底部加强部位剪力墙和框架柱的配筋值均满足规范要求，其配筋值和小震配筋值的结算结果是一致的，说明结构能满足性能目标要求。

中震不屈服分析用于验算非加强区框架柱和剪力墙，并验算中震不屈服位移角是否满足C级性能目标最大层间位移角限值 1/400.计算中不考虑内力调整，荷载取标准组合但风荷载不参与内力组合，材料强度取标准值，不考虑抗震承载力调整。验算结果表明中震不屈服计算得出的最大层间位移角为1/786(X)、 1/956(Y)，均小于最大层间位移角限值1/400,说明结构能满足性能目标要求。

7 罕遇地震作用结构性能分析

为了解结构在罕遇地震作用下的层间弹塑性位移角是否满足抗震规范要求以及塑性铰的分布情况，在弹性分析的基础上，采用Pushover程序进行静力推覆补充分析。经计算结果得出层间弹塑性位移角限值分别为1/265(X)、1/316(Y),满足抗震规范1/150的规定，达到“大震不倒”的抗震设防目标。从对应X、Y向需求的层间位移角时塑性铰出现位置来看，塑性铰主要出现在核心筒外围的连梁上，主要剪力墙肢未出现大面积受压损伤，其他位置也没发现明显薄弱部位，满足罕遇地震下的抗震性能目标。

8 结论

根据以上分析，本工程采用的两种不同力学模型计算程序的计算结果比较吻合，对罕遇地震作用下结构的弹塑性分析进行补充计算，结构整体反应、结构耗能损伤情况满足C级性能目标要求，能达到“小震不坏、中震可修、大震不倒”的三水准目标。根据分析结果，建议在下一步设计采取以下措施：

1）本工程底部加强区域按中震弹性要求进行配筋设计，以保证结构达到预期的抗震性能目标；

2）在柱子出现倾斜的楼层框梁以及楼板进行加强，使水平力在柱及筒体间进行重分配时楼板具有足够的刚度和变形能力。

[1]徐培福。复杂高层建筑结构设计[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2005

[2]高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2010）。北京：中国建筑工业出版社，2010

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1007-6344（2015）03-0142-01

唐家俊，工程师，山东菏泽人，出生于1981年5月，国家一级注册结构工程师。