基于性能化设计与分析的赣州某高层超限结构

林 鹏，霍维刚，尹 琦

（广州珠江外资建筑设计院有限公司 广州510060）

1 工程概况

本项目位于赣州市章江新区核心区域，交通便捷。项目设有1 栋塔楼及其附属裙房，场地周边地势平坦，项目总建筑面积142 545 m²，其中地上塔楼共44 层，建筑面积74 921 m²，建筑屋面高度为190.6 m，屋面塔冠最高处为220.0 m。裙房地上3层，地下3层，总建筑面积17 467 m²，建筑高度为20.9 m。项目建筑效果如图1所示。

图1 建筑效果Fig.1 Architectural Renderings

本项目塔楼地上部分主要分为4 个功能区间，即低区办公区、高区办公区、公寓区和酒店区，分别由层高为4.5 m、7.8 m 和5.0 m 的避难层分隔，办公区和公寓区层高均为4.2 m，酒店区层高为3.6 m［1］。本项目结构设计采用50年设计基准期，安全等级为二级。本建筑为丙类建筑，采用标准的抗震设防类别，项目场地为二类场地，根据《建筑抗震设计规范：GB 50011—2010（2016年版）》［2］划分抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为5 gal。地面粗糙度类别为C 类，风荷载体型系数为1.4，承载力设计采用50 年一遇的基本风压0.3 kN/m²，并考虑1.1的放大系数，结构舒适度设计采用10年一遇的基本风压0.2 kN/m²。

2 基础设计

根据《赣州章江F25-4 地块项目详勘岩土勘察报告工程》，结合主体结构具体受力特点，底板底面标高位于强风化粉砂质泥岩。塔楼基础采用桩径分别为2 000 mm、1 800 mm 和1 000 mm 的大直径灌注桩，桩长约10～22 m。桩端持力层位于中（微）风化粉砂质泥岩，岩石饱和单轴抗压强度标准值frk=5.69 MPa。塔楼以外部分包括裙房区域采用天然基岩上的柱下独立基础，基底持力层位于强风化粉砂质泥岩，承载力特征值fak=300 kPa。在塔楼的周边设置了不均匀沉降后浇带，以减小结构整体沉降变形对地下室的影响。

3 结构体系

结合建筑平面功能、立面造型、抗震（风）性能、施工周期以及造价合理等因素，本工程塔楼结构体系采用框架-核心筒结构体系，核心筒为钢筋混凝土剪力墙筒体；塔楼22层（第二避难层）起至屋面按照建筑使用要求，楼面单边逐渐向内收进，过渡平缓，竖向夹角约为3°。因建筑首层大堂使用要求，结构首层层高为9.6 m，位于34 层的酒店大堂层高为7.7 m。塔楼中部共设置3 处避难层供设备功能间使用，第一避难层层高为4.2 m，第二避难层为7.8 m，第三避难层为5.0 m。塔楼中具有特殊使用要求的楼层层高与标准层层高极易形成刚度突变，通过合理布置楼层剪力墙使上下刚度趋于近似。塔楼底部区域框架柱内设型钢，以控制轴压比，减小柱截面尺寸，提高结构整体性能。

结构的传力路径，即竖向荷载通过楼面水平构件传递给核心筒和外框架柱，最终传递至基础。水平作用下产生的剪力和倾覆弯矩由外框架与核心筒共同协调承担。当结构遭遇频遇地震作用时，核心筒部分吸收大部分能量，外框架仅吸收小部分能量，使结构处于弹性状态；当遭遇罕遇地震作用时，核心筒作为第一道放线吸收大部分能量，使其部分构件发生破坏屈服，外框架作为第二道防线，为结构的抗侧体系提供保护。结构整体模型及主要抗侧力竖向结构如图2所示。

图2 结构体系Fig.2 Structure System

结构主要尺寸，环向框架梁截面为500 mm×800 mm，径向框架梁截面办公区为400 mm×600 mm，公寓区为400 mm×700 mm，酒店区为400 mm×700 mm，水平构件混凝土等级为C30；框架柱直径截面为1 850～800 mm，其中19 层以下采用型钢混凝土柱，19 层以上采用钢筋混凝土柱，混凝土等级为C60～C35；核心筒外侧剪力墙截面厚度为800～400 mm，核心筒内部剪力墙截面厚度为400～250 mm，混凝土等级为C60～C35；标准层结构布置和核心筒收进部位结构布置如图3、图4所示。

图3 标准层结构布置Fig.3 Standard Structure Plan

图4 核心筒收进位置结构布置Fig.4 Structure Plan of the Core Wall Setback

塔楼结构整体抗震等级为二级，塔楼首层和第二避难层（22F）抗震等级为一级，酒店大堂（34F）抗震构造措施等级为一级。本项目嵌固端的选取以尽量真实的反映主体结构底部的实际受力状况为原则，计算分析表明，地下1 层的楼层侧向刚度大于首层楼层侧向刚度的2倍，具备了作为嵌固层的必要条件，故选取首层塔楼为嵌固端。

4 超限概况及性能目标

4.1 超限概况

项目采用框架核心筒结构体系，结构高度为190.5 m，结构平面呈类三角形，外周边由曲率不同的圆弧构成，高宽比为4.06，根据建筑户型布置，酒店康体层平面存在平面开洞尺寸大于相应边长的30%；首层X、Y 向均存在层间受剪承载力比小于0.8 的情况，21 层Y 向存在层间受剪承载力比小于0.8 的情况，但均大于0.75；22F及以上楼层平面单边逐渐向内收进，外围2 个框架柱倾斜向内收进，收进角度约为3°；首层有局部框架柱穿层情况；根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》［3］，判定本工程塔楼高度为超A级不超B级高度，结构体系存在承载力突变、楼板不连续、局部穿层柱以及斜柱等不规则类型。

4.2 性能目标

结构的性能目标是衡量结构在遭遇地震作用时是否能够达到事先预定的性能要求，可综合性的描述结构遭遇地震作用时的性能需求水准。结合文献［4］本项目性能水准设定为C 级，具体抗震性能目标细化如表1所示。

表1 结构性能目标Tab.1 Structure Performance Target

5 性能化分析

5.1 小震弹性分析

由于项目为超限高层建筑，分别采用YJK 和Mi⁃das 两个不同力学模型的空间分析程序进行计算。结构计算考虑偶然偏心地震作用、双向地震作用、扭转耦合及施工模拟。计算结果如表2 所示，2 个软件在小震工况下所得的结构基本特性基本一致。

表2 小震工况下结构基本特性对比Tab.2 The Compared of Structure Characteristic Subjected to Small Earthquake

本项目根据场地类别、特征周期和相应的反应谱特性，选用2 条天然时程TH001TG035 和TH002TG035，人工合成1条地震动时程RH1TG035进行弹性时程分析。经过分析计算所选用的3组时程曲线的平均地震影响系数与规范反应谱相比较，其差值在20%以内，可满足计算要求。

5.2 中震等效弹性分析

在中震工况作用下，采用等效弹性分析方法，构件正截面计算取材料强度标准值，斜截面计算取材料强度设计值，不考虑地震内力调整，得出结构整体力学性能如表3 所示。从表3 可知，中震工况和小震工况下，首层的基底剪力之比X 向为2.62，Y 向为2.65。此结果与中震和小震的最大地震影响系数之比3.0 较为接近，可认为结构整体基本处于弹性状态。根据结构各层性能计算结果分析，均可满足关键构件正截面不屈服，斜截面弹性的性能目标，普通构件也处于不屈服状态。在中震不屈服工况作用下，底部均未出现拉应力。

表3 中震作用下结构基本性能Tab.3 The Structure Characteristic with Design Seismic

5.3 大震等效弹性分析

大震工况作用下，采用等效弹性的分析方法，不考虑地震内力调整和承载力调整，构件材料强度采用标准值，可得出结构整体力学性能如表4 所示，从表4可知，上部结构最大层间位移角X 向为1/270，Y 向为1/264，均出现于结构高度的中部位置。大震工况和小震工况下，首层的基底剪力之比X 向为5.68，Y 向为5.77。根据各层的性能计算结果，部分楼层的竖向构件正截面出现了屈服，可基本满足预设性能目标。

表4 罕遇地震作用下结构基本性能Tab.4 The Structure Characteristic with Rare Seismic

6 大震动力弹塑性分析

6.1 材料本构

混凝土材料采用弹塑性损伤模型，该本构模型能够考虑混凝土材料的拉压强度差异、刚度及强度退化以及拉压循环裂缝闭合呈现的刚度恢复等性质，材料的轴心抗压和轴心抗拉强度标准值按《混凝土结构设计规范：GB 50010—2010（2015 年版）》［5］采用。应力应变及损伤示意如图5所示。

钢筋采用双线性随动硬化模型，在循环加载过程中，材料没有出现明显的刚度退化，分析过程中考虑了材料的包辛格效应，其动力硬化模型如图6所示。

图5 混凝土拉、压刚度恢复示意Fig.5 The Stiffness of Concrete Tension and Compression

图6 钢材的动力硬化模型Fig.6 The Dynamic Hardening Model of Steel

6.2 模型基本特性及地震动时程输入

动力弹塑性时程分析应用SAUSAG 软件，采用小弹性时程分析中的的3条地震动时程，如图7所示，分别按X 向、Y向为主方向（主次方向地震波峰值比例为1∶0.85）进行双向输入，共分析6 个弹塑性动力时程分析工况。为了方便下文统计，将3 个输入时程TH001TG035、TH002TG035 和RH1TG035 分别命名为Case1，Case2 和Case3。为了考虑配筋率对整体结构的影响，整个弹塑性分析模型采用YJK 软件中的小震计算配筋输入，有限元模型如图8所示。

图7 地震动时程记录Fig.7 Ground Motion Time History Record

图8 有限元模型Fig.8 Finite Element Model

经分析结构的弹性模型与弹塑性模型的基本特征参数如表5所示，结构前6阶周期比较接近，结构弹性模型质量为132 861.5 t，弹塑性模型质量为135 691.2 t，两者质量相差2.09%，可满足下一步计算分析要求。

表5 模型特征参数比较Tab.5 Compared of the Model Characteristic

6.3 动力弹塑性时程响应

大震地震作用下弹塑性模型基底剪力与小震作用下弹性模型基底剪力分析如表6所示。

表6 基底剪力分析Tab.6 Base Shear Analysis

由表6可知，X向结构弹塑性模型在3条地震动时程工况的基底剪力，约为弹性模型小震工况基底剪力的6.19 倍，Y 向结构弹塑性模型在3 条地震动时程工况的基底剪力，约为弹性模型小震工况基底剪力的5.61倍；根据图9的层间位移角分布来看，位于层高突变的22 层和34 层出现较小位移角突变，其余层结构位移角分布平滑，变化均匀，结构最大层间位移角出现在上部结构中部位置，满足满足文献［4］要求且符合一般结构受力规律特性。

图9 层间位移角分布Fig.9 The Story Drift

结构在3条地震波动力时程分析下的塑性损伤分布情况基本类似，以小震工况下最不利工况为例，选Case2号地震时程工况，分析结构在罕遇地震工况下弹塑性时程分析的性能水准，其应力分析结果如图10～图13所示。

由弹塑性分析结果可知核心筒剪力墙和外框架柱钢筋屈服和混凝土损伤情况：

剪力墙混凝土最大受压损伤因子约为0.32，框架柱混凝土最大受压损伤因子约为0.34；剪力墙钢筋塑性屈服因子0.60，部分框架柱塑性屈服因子为1.00，进入屈服状态。

在大震作用下，连梁较墙体先出现损伤，连梁的塑性铰主要出现在端部区域，可充分证明连梁发挥了有效的耗能能力，实现了强墙肢弱连梁的性能目标。

在大震作用下，底部加强区域竖向构件基本完好，非加强区域竖向构件（X 方向的框架柱、Y 方向的剪力墙及框架柱）仅局部出现轻微、轻度损伤；此时上部墙体连梁已有部分达到中度损伤。此结果表明在大震作用下，连梁破坏程度先于竖向构件，保证了整体结构不先于耗能构件破坏。

图10 X地震作用剪力墙损伤Fig.10 The Shear Wall Damage with X Seismic Input

图11 X 地震作用下框架柱损伤Fig.11 The Frame Column Damage with X Seismic Input

图12 Y地震作用下剪力墙损伤Fig.12 The Shear Wall Damage with Y Seismic Input

图13 Y地震作用框架柱损伤Fig.13 The Frame Column Damage with Y Seismic Input

核心筒收进部位及相邻楼层的部分连梁出现中度损伤，剪力墙出现轻度损伤。

7 超限加强措施

根据类似项目案例［6］，底部加强区竖向构件、核心筒收进区域竖向构件和跃层柱设定为关键构件，按设定的性能目标进行计算分析并根据计算结果进行包络设计。

核心筒底部加强区域及相邻上一层剪力墙暗柱，核心筒外围剪力墙转角部位暗柱，核心筒收进楼层及其相邻楼层暗柱，均设置为约束边缘构件，其余部分剪力墙暗柱按照构造边缘构件设置。整体结构的约束边缘构件纵筋最小配筋率为1.4%，位于核心筒外围角部的约束边缘构件纵筋配筋率为1.6%，约束边缘构件配箍特征值相比于文献［4］规定的基本要求提高20%；对于构造边缘构件纵筋最小配筋率设定为1.2%，角部为1.4%。

对于塔楼核心筒收进区域，将其楼层板加厚至180 mm，楼板钢筋按照双层双向设置，配筋率不小于0.25%；对于核心筒收进区域相邻的上下层楼板、具有大开洞的楼层板、穿层柱顶部楼层板和斜柱起、终楼层楼板均加厚至150 mm，楼板钢筋按照双层双向设置，配筋率不小于0.25%。增强楼板构造措施以提高其抗剪承载力及延性，保证水平力在塔楼间的可靠传递。

8 结论

本项目属于高层抗震超限建筑，采用框架-核心筒结构体系。设计过程中充分运用了概念设计方法，整体结构及构件全面融合了性能化设计思想，重点部位采用了严格的抗震构造措施，提高了结构的整体延性性能，以满足结构的整体性能分析要求。最后得出结构设计合理、安全，可满足相应的性能等级目标的结论，可为下阶段的施工图设计提供相应的指导。