某超限高层结构分析

荣 帆

(太原理工大学建筑设计研究院，山西 太原 030024)

1 工程概况

某超限高层，建筑场地总用地面积4 806.12 m2，总建筑面积114 946.72 m2，其中办公部分52 944.86 m2；酒店部分62 001.86 m2。地下3层，地上为1号塔楼26层，2号塔楼22层，塔楼之间裙楼5层。1号酒店塔楼总高度为110.40 m，2号办公楼塔楼总高度为99.60 m，1号塔楼为B级高层，2号塔楼为A级高层。1号，2号塔楼地上部分通过5层裙房连接，形成双塔结构体系。各建筑出入口无室内外高差，建筑效果图见图1。

2 设计条件

2.1 楼面、屋面恒载及活荷载

本工程常用结构荷载按GB 50009—2012建筑结构荷载规范取值，特殊设备荷载由相关方提供，详见表1。

表1 荷载取值

2.2 风荷载及雪荷载

基本风压取0.45 kN/m2(由于超A级高度，基本风压按100年重现期的风压值采用)，地面粗糙度为C类。对于整体结构分析，风载体型系数采用1.3。

基本雪压取0.35 kN/m2。

2.3 地震作用

根据GB 50223—2008建筑工程抗震设防分类标准，该区段内的使用人数不超过8 000，其抗震设防类别为标准设防(丙类)。根据岩土工程勘察报告，该场地为Ⅲ类，应按8度抗震烈度进行设防，设计地震分组第一组，根据GB 50011—2010建筑抗震设计规范，场地的特征周期为0.45 s，设计基本地震加速度值为0.20g。水平地震影响系数最大值采用0.16(多遇地震)，结构阻尼比取0.05。

2.4 结构形式

1号塔楼采用框架—核心筒钢筋混凝土结构，框架的抗震等级为一级，抗震墙的抗震等级为特一级。

2号塔楼采用框架—核心筒钢筋混凝土结构，框架的抗震等级为一级，抗震墙的抗震等级为一级。

裙楼为框架结构，框架等级为特一级。

3 结构体系与布置

3.1 抗侧力体系

1)本建筑为框架—核心筒结构体系，核心筒及塔楼框架柱通高设置，裙楼区域3层宴会厅范围内抽取部分框架柱。

2)抗侧力构件均采用HRB400级钢筋，型钢采用Q345级钢材,混凝土强度C55～C30。

3)竖向构件截面。

1号塔楼主要竖向构件截面：核心筒外墙：600 mm～400 mm；框架柱：1 300 mm×1 300 mm～800 mm×800 mm；

2号塔楼主要竖向构件截面：核心筒外墙：500 mm～400 mm；框架柱：1 200 mm×1 200 mm～800 mm×800 mm。

3.2 楼(屋)盖体系

本建筑采用钢筋混凝土现浇楼板，楼面板100 mm厚，屋面板120 mm厚；核心筒连接部位及裙楼大开洞周圈楼板采用180 mm厚；裙楼顶板及上下各一层楼板采用150 mm厚。裙楼6层顶采用钢结构屋盖体系。楼板开洞情况详见结构初设图纸。楼板钢筋采用HPB300级、HRB400级，混凝土强度较相应楼层竖向构件降低两个标号。

4 结构超限判定及应对措施

塔楼采用钢筋混凝土框架—核心筒结构体系，各塔楼涉及超限内容如下(依据为山西省抗震设防超限高层建筑工程界定规定—晋建质字[2011]221号)。

4.1 酒店(1号)塔楼判定

1)采用钢筋混凝土框架—核心筒结构体系，建筑总高度为110.40 m，规范规定的其高度限制(A级高度)为100 m，本塔楼超过规范限制10.4%。

2)三项及三项以上不规则的内容：a.扭转不规则：考虑偶然偏心大的位移比大于1.2。X向占27%，最大值1.22。Y向占100%，最大值1.37。b.组合平面：本塔楼平面布置属于细腰型。c.尺寸突变：本塔楼属于多塔结构。d.局部楼层穿层柱。

4.2 办公(2号)塔楼判定

1)一项不规则的内容：无。2)三项及三项以上不规则的内容：a.组合平面：本塔楼平面布置属于细腰型。b.尺寸突变：本塔楼属于多塔结构。c.局部楼层穿层柱。

5 计算参数

5.1 抗震性能目标

抗震性能目标为C级，即：多遇地震、设防地震、罕遇地震分别对应性能水准1、性能水准2、性能水准3。

5.2 抗震计算参数

1)设防烈度8度，场地类别为Ⅲ类，采用《建筑抗震设计规范》所规定的反应谱函数和特征周期。

2)振型分解反应谱法计算结构响应，振型数取为18个(不少于2倍的塔楼数量)，各振型贡献按CQC组合，周期折减系数为0.90。

3)偶然偏心(计算控制位移比)和双向地震扭转效应组合工况。

4)分析时楼板假定为刚性。裙楼顶板作为弹性楼板单独分析。

5)连梁刚度折减系数为0.75。

6)X，Y两个方向的风力计算时，风荷载的体型系数按规范采用，取1.3。

7)施工加载：按模拟施工方式3加恒载。

6 多遇地震结构分析

反应谱法结构地震响应计算结果见表2。

表2 反应谱法结构地震响应计算结果(双塔)

7 设防地震结构分析

本工程在设防地震作用下的性能目标设计原则为：关键构件(墙、柱)满足抗弯不屈服、抗剪弹性；部分竖向构件以及大部分耗能构件(剪力墙连梁)进入屈服状态。

中震弹性计算时，计算模型地震影响系数按多遇地震2.8倍取值(0.45)；内力调整系数取为1；其余参数参照多遇地震作用取值。

中震不屈服计算时，计算模型地震影响系数按多遇地震2.8倍取值(0.45)；荷载分项系数取为1；内力调整系数取为1；抗震调整系数取为1；材料强度采用标准值；其余参数参照多遇地震作用取值。

通过计算结果表明：在中震作用下，塔楼底部加强区剪力墙、框架柱抗弯与抗剪均能保证弹性状态，部分连梁及少数框架梁抗弯进入屈服状态；裙楼部分竖向构件均能保证弹性状态；在竖向刚度突变部位(裙楼顶部)剪力墙、框架柱依然能够保证弹性状态，满足性能目标要求。

8 罕遇地震结构分析

8.1 罕遇地震分析

1)计算参数。

抗震设防类别为丙类，设防烈度为8度(第一组)，设计基本地震加速度为0.20g，场地类型为Ⅲ类，结构阻尼取0.05(参照GB 50011—2010建筑抗震设计规范)。罕遇地震下场地特征周期为0.50 s。

2)计算模型仍采用弹性分析阶段(SATWE)所建立的模型。由于PUSH-OVER计算中需求谱和能力谱须通过等效单自由度体系得出，故将双塔模型拆分为两个单塔模型分别进行计算分析。

3)通过计算，可了解结构在大震作用下的抗倒塌性能、位移角及塑性铰的分布情况。

4)PUSH-OVER分析中分别对结构的X，Y两个方向进行水平加载，在水平加载前均进行了重力加载。根据规范，本工程大震反应谱曲线中αmax=0.9，Tg=0.5 s。

8.2 罕遇地震计算结果

1)经过PUSH-OVER分析后，主要抗侧力构件没有发生严重破坏，多数连梁屈服耗能，但不至于引起局部倒塌和结构整体安全，大震结构性能满足“大震不倒”的要求。

2)在罕遇地震分析过程中，结构破坏形态为连梁首先出现塑性铰，连梁损伤并伴随结构框架梁进入塑性阶段参与结构整体塑性耗能，结构柱部分进入塑性阶段。底部加强区核心筒外墙在罕遇地震作用下出现少量塑性铰，结构未出现整体垮塌。

3)罕遇地震作用下，绝大部分筒体剪力墙满足抗剪弹性的设防要求，未出现剪力墙全截面损伤。罕遇地震下结构楼层位移角满足1/100的抗震设防要求，整体看，结构在罕遇地震下的弹塑性反应及破坏机制，符合结构抗震工程的性能设计要求。

4)地震力主方向的结果指标见表3。

表3 PUSH结果指标

9 结语

根据以上分析陈述，本项目存在扭转不规则、刚度突变、高度超限等情况，但通过结构布置的优化、薄弱部位及重要构件的加强、以性能目标为基准的构件截面设计、对钢筋配置等构造措施加强后，可满足“小震不坏、中震可修、大震不倒”三水准抗震设计要求。