某超高层多塔结构性能化设计

刘金凤，杨德圣

（中国中元国际工程有限公司，北京100089）

1 引言

近年来,多塔结构越来越多地被工程师采用，对于该类体型不规则超限高层结构，文献[1]规定必须进行超限审查，其中，结构性能化设计是重要的组成部分。本文以具体工程为例，对此类工程的性能化设计进行总结，并给出具体的加强措施，为类似工程的设计提供参考。

2 工程概况和超限情况

本工程位于珠海市横琴新区，由裙房和2 栋塔楼组成。地下共3 层，主要为设备用房和汽车库；裙房8 层，处于塔楼之间，裙房和塔楼不设缝，主要为商业、办公和宿舍；塔楼1、塔楼2 均为框架核心筒结构，层数分别为44 层和 38 层，高度分别为167.80 m 和 146.20 m。抗震设防烈度7 度，地震分组第二组，基本加速度0.10g，Ⅳ类场地，特征周期0.75 s，该工程存在楼板不连续、凹凸不规则、偏心布置、多塔楼、个别楼层转换及穿层柱、个别楼层扭转位移比超限共六项不规则，塔楼1、塔楼2 高度分别超出A 级高度限值29.07%和12.46%，为体型不规则的超高层建筑，具体结构模型如图1 所示。

图1 结构模型图

3 抗震等级和性能目标

根据文献[2]和文献[3]，以及抗震等级（见表1），其中缩进部位屋面层及其上下层塔楼框架柱抗震等级及抗震构造措施等级均提高到特一级，为保证地震作用的可靠传递，1~6 层塔楼框架柱抗震构造措施提高到特一级以保证塔楼与底盘的整体工作。根据工程超限情况和文献[2]及专家意见，性能目标定为C 级，具体如表2 所示。

表1 抗震等级

表2 性能目标

4 小震分析

本工程同时采用整体、塔楼1、塔楼2 模型进行分析，其中塔楼模型带两跨相关范围。本工程位移角、位移比按照整体模型控制，周期比按照整体和塔楼模型分别控制，承载力为整体和塔楼模型包络设计。采用ETABS 和YJK 对小震做对比分析，对结构的可靠性进行验证，结果满足规范要求，具体如表3 所示。

进行小震弹性时程分析补充计算，选取7 条地震波，每条时程曲线计算所得结构底部剪力均大于振型分解反应谱法计算结果的65%，多条时程曲线的平均值也大于反应谱法计算结果的80%，满足规范规定[3]。时程分析法计算结果显示，结构的反应特征、变化规律与反应谱法结果基本一致，结构无明显的刚度突变层，由时程分析所得剪力结果和反应谱法计算的剪力结果可知无须对振型分解反应谱法剪力结果进行放大。

表3 小震计算结果

5 中震性能分析

本工程裙房高度内塔楼框架柱均为型钢混凝土柱，上部为普通钢筋混凝土柱，柱截面由底到顶逐段减小，核心筒墙体由底到顶逐段减薄，框架柱和剪力墙轴压比均满足规范要求。采用等效弹性法对结构中震下的承载力进行复核，1~3 层底部墙肢局部部位平均拉应力大于2ftk（ftk为混凝土的抗拉强度标准值），通过设置型钢和增大墙体竖向钢筋配筋率把拉应力降到与ftk相等；通过优化布置，调整构件截面确保关键构件、普通构件和耗能构件性能目标均满足表2 的要求。

6 大震性能及大震动力弹塑性时程分析

采用等效弹性法对大震下结构的承载力进行复核，采用佳构软件进行大震动力弹塑性时程分析。等效弹性法结果表明关键构件、普通构件、耗能构件性能目标均满足表2 的要求。动力弹塑性时程分析结果显示：（1）大震弹塑性和大震弹性基底剪力的比值介于0.565~0.867，结构有足够的耗能能力；（2）X 和Y 向层间位移角最大值分别为1/140 和1/153，满足规范规定；（3）刚度曲线下降较少，结构具有良好的抗震性能；（4）核心筒剪力墙仅底部几层受到轻微的损伤，框架柱仅裙房局部受到轻微损伤；（5）塔楼范围内梁出现中轻度损伤，裙房范围内梁发生轻度损伤，个别梁出现严重损伤。综上，本工程主体结构能够满足规范的弹塑性性能要求。

7 采取的加强措施

本工程加强措施：（1）加大塔楼周边构件截面及配筋，增加整体性及抗侧刚度，提高变形协调能力；（2）增加穿层柱上下端梁截面，加强其对穿层柱的约束，按照同层正常柱对穿层柱的承载力进行复核；（3）控制塔楼与裙房顶交接部位的层间位移角小于或等于1.15 倍的相邻下部区段的层间位移角；（4）加厚体型收进处的裙房屋面板，并设拉通筋，确保单层单向钢筋的配筋率不小于0.25%；（5）加厚裙房楼板开大洞部位的周边板块，复核该楼层设防地震楼板应力配筋；（6）提高转换梁、转换柱及斜撑得抗震等级至一级，并均设置钢骨，并用Etabs对中震及大震下转换梁、转换柱和斜撑做有限元分析，保证其中震弹性及大震不屈服的性能目标；（7）保证底部加强区核心筒墙体分布钢筋配筋率均大于或等于0.6%。

8 结语

该工程充分考虑概念设计，对中震及大震下各构件的性能目标进行验算，并使用动力弹塑性时程分析法分析大震下各构件的损伤，对薄弱部位和关键构件进行加强，最终保证结构满足性能目标C 的要求。