超限高层建筑抗震性能化分析研究——以杭州拱墅区万达广场XX楼为例

陈 丽 张 鑫

(1.绍兴职业技术学院 建筑与设计艺术分院，浙江 绍兴 312000；2.华汇工程设计集团股份有限公司，浙江 绍兴 312000)

随着我国经济的快速发展和城市化建设的推进，大量外观造型别致或功能要求独特的多高层建筑不断涌现[1-4].这些建筑由于受所处地区差异以及业主的不同要求的影响，在结构上会存在各种超规范的情况.特别是在抗震设计时难以完全按照现行《建筑抗震设计规范》GB50011-2010[5]、《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010[6]等规范进行设计.此类建筑为了保证结构安全性，实现预期的抗震设防目标和满足业主要求，需要在超限审查的基础上，结合结构体系的具体特点进行抗震性能化分析和设计.

本文以杭州拱墅区万达广场XX楼为例，首先对其进行超限情况判定，把握其结构体系特点[7]；然后建立三维有限元模型分别进行多遇地震下结构的整体内力和位移计算，设防地震作用下关键构件的性能验算，罕遇地震下结构整体塑性铰出现的情况分析和整楼抗倒塌性能的验算，了解其抗震承载性能特点.以此为依据提出相应的设计措施和局部加强措施，实现超限高层建筑满足 “三个水准”的设防目标[8].该案例为类似超限高层的结构设计提供参考和借鉴价值.

1 工程概况及设计参数

超限高层建筑位于杭州拱墅区万达广场，在杭州市祥符街道，建筑鸟瞰如图1所示.地上两栋18层写字楼，局部2层、4层、5层为购物中心.设有两层地下室，地下2层为车库，地下1层为超市.写字楼高度79.25 m，购物中心高度31.15 m.地上建筑面积142 315 m2，地下建筑面积56 412 m2.

图1建筑鸟瞰图

1.1 工程地质条件

拟建场地位于杭州市城北，地貌类型属冲海相沉积平原地貌，场地类别为Ⅲ类[9].根据地质勘察报告(详细勘察阶段)，场地土层自上而下依次分布为①黏土，②淤泥质粉质黏土，③1层状粉质黏土，③2淤泥质粉质黏土，④1粉质黏土，④2粉质黏土夹粉砂，⑤1粉质黏土，⑤2粉质黏土，⑥1含粉质黏土细砂，⑥2圆砾，⑥3夹含砾粉质黏土，⑩1全风化泥质粉砂岩，⑩2强风化泥质粉砂岩，⑩3中风化泥质粉砂岩，1层：全风化凝灰岩，2层：强风化凝灰岩，3层：中风化凝灰岩.

1.2 场地抗震设防要求确定及适宜性评价

结合地基土层类型、性状和区域资料，该工程场地土的类型为软弱场地土，反应谱设计特征周期为0.45 s、结构阻尼比取0.05.设计基本地震加速度0.05 g，设防烈度6度，场地类别Ⅲ类，地震分组第一组.拟建场地土层分布较为稳定，未发现大面积明浜、暗浜分布，根据国家标准《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010，判定本场地属建筑抗震不利地段.但拟建场地地基土层分布基本稳定，无滑坡、崩塌、陡坎等不良地质作用[10].综合分析场地的工程地质条件和区域地质资料，本场地属稳定场地，适宜建造本工程.

1.3 地基基础

根据该工程试桩专题会及专家意见，结合地勘报告，该工程桩基承载力按下取值：(1)塔楼工程桩采用桩径800，以3层中风化凝灰岩为持力层，从自然地面算起， 抗压承载力特征值可取4 900 kN；扣除基坑以上段摩阻，竖向承载力特征值取4 600 kN.(2)裙房工程桩采用桩径600，以⑥2圆砾为持力层，从自然地面算起抗压承载力特征值可取2 500 kN，扣除基坑以上段摩阻，竖向承载力特征值取2 400 kN.抗拔承载力特征值可取1 100 kN.

桩基、筏板及桩基沉降采用“JCCAD”软件进行设计.裙楼、塔楼采用不同桩径和持力层[11]，控制变形在规范允许范围内.

2 结构抗震等级及超限判定

该工程上部结构塔楼部分层数为18层，建筑高度79.25 m，裙房最高处31.15 m.塔楼采用全现浇框架核心筒结构，裙房采用框架结构.上部结构根据建筑功能和专家论证会[12]设置抗震缝，抗震缝和抗震等级划分见图2.

图2 抗震等级划分平面图

地下室采用不设缝设计，设计、施工采取措施减少温度应力.地下室每隔40 m左右设置后浇带和其他技术措施(如采用补偿收缩混凝土等措施)，减少温度变化及混凝土收缩所产生的不利影响，防止地下结构开裂.地下室一层根据主楼相关范围考虑抗震等级且等级不低于地上一层，地下二层比地下一层降低一级抗震等级，且不低于四级.

根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》，该建筑主楼的超限[13]判定结果如表1.

3 结构抗震性能化设计目标确定

万达购物中心建筑面积超过17 000平方米，根据《建筑工程抗震设防分类标准》(GB50233-2008)6.0.5条， 本工程抗震设防类别划分： 建筑高度超过31.15 m为丙类设防 ，建筑高度在31.15 m以下为乙类设防. 参照《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010， 可设定本结构的抗震设计性能目标为C， 不同地震水准下的结构和构件抗震性能化设计目标见表2.

表1 主体结构超限判定情况

超限类别备注判定一体型判断1扭转不规则:考虑偶然偏心的扭转位移比大于1.2塔1最大位移比1.48;塔2最大位移比1.61偏心布置:偏心率大于0.15或相邻层质心相差大于相应边长15%塔1,X向偏心率0.27,Y向偏心率0.33塔2,X向偏心率0.05,Y向偏心率0.332凹凸不规则:平面凹凸尺寸大于相应边长30%等 -3楼板不连续:有效宽度小于50%,开洞面积大于30%,错层大于梁高第五层开洞面积大于30%4尺寸突变:竖向构件位置缩进大于25%,或外挑大于10%和4 m,多塔单塔,竖向构件位置缩进大于25%5其他不规则:如局部的穿层柱、斜柱、夹层、个别构件错层或转换五层、六层影院有穿层柱超限判断体型判定超限判定二(具有下列任何一项即属超限)1扭转偏大:裙房以上的较多楼层,考虑偶然偏心的扭转位移比大于1.4-2塔楼偏置:单塔或多塔与大底盘的质心偏心距大于底盘相应边长20%-超限判断判定二超限结论属于特别不规则结构

表2 不同地震水准下结构和构件抗震性能化设计目标

地震作用 多遇地震 (性能水准1) 抗震设防地震 (性能水准3) 罕遇地震 (性能水准4) 整体结构抗震性能完好 可修复 不倒塌 允许层间位移 1/800 1/400 1/100 塔楼相关范围底部加强部位及上下层构件性能 剪力墙抗剪弹性中震弹性 不允许斜截面剪切破坏 剪力墙抗弯弹性中震不屈服 满足截面抗剪的控制条件,允许局部正截面屈服 连梁弹性允许部分屈服 允许出现塑性铰,承托楼面梁的连梁不发生剪切破坏 框架柱抗剪弹性中震弹性 不允许斜截面剪切破坏 框架柱抗弯弹性中震不屈服 满足截面抗剪的控制条件,允许正截面屈服 框架梁弹性中震不屈服 允许部分框架梁出现塑性铰,控制塑性变形内街连廊板弹性 中震弹性 不允许斜截面剪切破坏 塔楼相关范围其他部位构件性能弹性 允许屈服 允许屈服 塔楼范围外构件性能弹性 允许屈服 允许屈服

4 结构抗震性能分析

本工程抗震设计采用二阶段三水准设计[14]，以实现“小震不坏，中震可修，大震不倒”的设防目标。

4.1 多遇地震(小震)下结构的抗震性能分析

采用两个不同力学模型的三维空间有限元分析软件SATWE(2012年6月版)和PMSAP进行整体分析计算，并对比校核.

塔楼采用平扭耦联模式的振型分解反应谱法进行多遇地震作用下结构的整体响应分析，以考虑结构的扭转效应，计算振型数取20，振型参与质量与总质量之比控制大于95%以上.计算时分别考虑了两个主方向的水平地震作用，并考虑5%的偶然偏心，同时计算双向地震作用，以充分考虑双向地震作用下的扭转影响.结果见表3、表4.

通过上述多遇地震下振型分解反应谱方法的分析结果可知，该结构塔1和塔2的周期比、弹性最大层间位移角、剪重比、刚重比等都满足《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010要求.塔楼符合结构在多遇地震作用下的抗震设计性能目标[15].

4.2 设防地震(中震)作用下结构的抗震性能分析

本工程考虑主体结构的特点并满足业主对结构的性能目标要求，采用SATWE软件进行中震作用下的结构的响应分析，来验算结构关键构件(底部加强部位剪力墙、框架柱、内街连廊支撑梁柱)是否满足中震作用下结构的性能设计要求.

具体计算时本工程底部加强部位剪力墙和框架柱以及内接连廊抗剪验算时采用中震弹性分析，抗弯验算时采用中震不屈服分析，并将分析结果与中震地震下结构的振型分解反应谱方法的计算结果比较后取大值进行包络设计.中震作用下振型分解反应谱法抗震分析主要结果见表5.

可以看出，结构在中震作用下可以满足性能设计目标的要求[16].

4.3 罕遇地震(大震)作用下结构的静力弹塑性分析及结构抗震性能评价

采用Pushover方法进行静力推覆分析，该方法可追踪结构在荷载作用下的非线性变形，从而对结构在中震和大震下的性能做出评价.由于其分析结果往往比较稳定，在结构抗震性能分析时较为常用，该法求解时采用主节点控制的位移控制法[17]，侧推力模式采用基于每个方向的第一阶振型.

分析时采用美国FEMA273规范推荐的铰类型，其特点是铰的发展分为5个阶段，如图3所示.在上述塑性铰本构关系中，纵坐标(力)代表弯矩、剪力、轴力；横坐标(位移)代表曲率或转角、剪切变形、轴压变形.整个曲线可分为四个阶段，弹性段(AB)、强化段(BC)、卸载段(CD)、塑性段(DE).美国ATC-40规范给出了梁、柱、墙等构件在上述几种相应状态下塑性铰[18]的力-位移关系的塑性限值，无论何种类型铰，都可以用上图表示，纵轴广义力表示轴力、弯矩、剪力等，横轴广义位移表示轴向变形、曲率、转角等，其中B点出现塑性铰，C点为倒塌点，CP 为预防倒塌点.点IO、LS、CP代表塑性铰的能力水平，分别对应于直接使用，确保生命安全和防止倒塌.

图3 塑性铰的力-位移关系

4.3.1 塔1的推覆分析

推覆分析结果如图4-6所示.

从塔1的推覆曲线及性能点处的层间位移角(图4-图5)分析结果可见，在大震作用下，塔1部分结构在X向推覆分析得到的性能点处的弹塑性层间位移角在1/300； Y向推覆分析得到的性能点处的弹塑性层间位移角在1/200；这表明，塔1部分结构能够满足“大震不倒”的设计目标.

表3 塔1，多遇地震作用下结构分析结果比较

项目结构分析软件SATWEPMSAP规范限值周期数值扭转系数数值扭转系数T12.1990.032.130.03T22.160.002.070.000T31.610.911.5810.96Tt/T10.7320.741 7<0.85最大层间位移角Wx1/46121/4840Wy1/47401/4767Ex1/20411/2056Ey1/19411/2035<1/800最大层间位移与楼层平均位移之比规定水平力数值数值X向地震1.381.481X-5%1.291.29X+5%1.481.583Y向地震1.311.310Y-5%1.411.440Y+5%1.431.442>1.4一层剪重比X向1.19%X向1.221%Y向0.98%Y向1.004%>0.8%计算振型数2020>15框架柱最大轴压比0.750.75≤0.75剪力墙最大轴压比0.550.55<0.6有效质量系数X向95.88%X向96.4%Y向96.57%Y向97.8%>90%刚重比X向5.19X向5.44Y向4.03Y向4.32大于1.4,能够通过高规(5.4.4)的整体稳定验算大于2.7,可以不考虑重力二阶效应

如图6可见， 在大震作用下， 剪力墙出现塑性铰较少，且处于IO阶段(立即投入使用)，塔楼范围内框架柱出现塑性铰也不多，大部处于IO阶段，框架梁及连梁出现了较多塑性铰；根据上述结果可见， 结构中关键构件 (剪力墙) 只出现轻度破坏，少量竖向构件(框架柱)出现中度破坏，而连梁及部分框架梁出现中度或比较严重的破坏，基本可以保证达到性能水准3的要求.

表4 塔2，多遇地震作用下结构分析结果比较

项目结构分析软件SATWEPMSAP规范限值周期数值扭转系数数值扭转系数T12.330.062.230.06T22.210.002.220.01T31.670.901.740.89Tt/T10.720.78<0.85最大层间位移角Wx1/41541/4205Wy1/43281/4405Ex1/22761/2700Ey1/20771/2743<1/800最大层间位移与楼层平均位移之比规定水平力数值数值X向地震1.571.212X-5%1.531.543X+5%1.511.468Y向地震1.371.31Y-5%1.511.497Y+5%1.251.31>1.4一层剪重比X向0.88%X向0.85%Y向0.89%Y向0.86%>0.8%计算振型数1515≥15框架柱最大轴压比0.750.75≤0.75剪力墙最大轴压比0.550.55<0.6有效质量系数X向94.37%X向93%Y向94%Y向94.5%>90%刚重比X向4.16X向6.16Y向4.2Y向6.19大于1.4,能够通过高规(5.4.4)的整体稳定验算大于2.7,可以不考虑重力二阶效应

表5 中震弹性计算下结构的位移指标

荷载工况最大节点位移/mm最大层间位移角塔1X72.41/680Y76.31/647塔2X66.41/768Y67.41/685

图4塔1的Pushover推覆曲线

图5推覆得到的性能点处层间弹塑性位移角

4.3.2 塔2的推覆分析

推覆分析结果如图7-9所示.

从上述塔2的推覆分析结果同样可见，在大震作用下看，塔2部分结构两向推覆分析[19]得到的性能点处的弹塑性层间位移角均不超过1/250；这表明，结构能够满足“大震不倒”的设计目标.

从塑性铰的分布位置也可以看出，在大震作用下，剪力墙出现塑性铰较少，且处于IO阶段(立即投入使用)，塔楼范围内框架柱出现塑性铰也不多，大部分处于IO阶段，框架梁及连梁出现了较多塑性铰；根据上述结果可见，结构中关键构件(剪力墙)只出现轻度破坏，少量竖向构件(框架柱)出现中度破坏，而连梁及部分框架梁出现中度或比较严重的破坏，从而基本可以保证达到性能水准3的要求.

图7塔2的Pushover推覆曲线

图9推覆得到的性能点处结构上的塑性铰分布

5 设计建议与抗震加强措施

从上述分析结果可见，该超限建筑总体上能满足规范要求的三水准抗震性能要求，结合本工程的实际情况，提出如下设计建议：

(1)严格控制层间刚度比、受剪承载力之比，塔楼五层影院通高部位增设支撑，避免出现软弱层、薄弱层.

(2)保证竖向抗侧力构件的延性，控制框架柱、剪力墙的轴压比.特别控制性能要求高的部位的关键构件.

(3)该工程楼板削弱面积大，承载力计算时，可将楼板定义为弹性板，整体计算.按照中间中庭切开后，分南北块再计算一次，构件设计按照两个模型包络设计.内街天桥楼板厚度采用150 mm，双向双层配筋.

(4)加强塔楼偏置、竖向体型收进上下层竖向构件.严格控制轴压比在0.5范围内，跃层柱设置芯柱，增加延性.31.150 m～34.850 m层抗震等级提高一级，按照二级抗震等级采取抗震措施，并加强收进部位和上一层楼板的刚度.板厚不小于150 mm，并双向双层配筋.

6 结论

本文以超限高层建筑杭州拱墅区万达广场XX楼为例，对其塔楼进行了抗震性能化设计分析，了解该结构的抗震性能特点.主要结论和建议如下：

(1)该超限高层建筑的结构方案和结构体系是安全可行的，可以满足不同地震水准下规范规定的抗震性能化设计目标要求[20].

(2)塔楼相关范围底部加强部位及上下层剪力墙抗剪性能可以满足中震弹性、大震不屈服的要求.塔楼相关范围底部加强部位及上下层框架柱抗剪性能可以满足小震弹性、中震不屈服的要求.

(3)在大震作用下，塔楼相关范围底部加强部位及上下层框梁，部分框梁进入塑性阶段参与结构整体塑性耗能，但其抗剪承载力满足截面要求，而且塑性承载力下降不多.

建议在下一步深化设计中，对关键构件、关键节点深入分析，研究相关的构造措施，确保关键部位及结构整体的安全.