在施阶段超高层建筑地震响应及核心筒领先层数研究*

张 茅，郭浩霆，徐 平，翁邦正，庞 拓，张田庆

(1.中国建筑第二工程局有限公司西南分公司，重庆 400024； 2.重庆大学土木工程学院，重庆 400045； 3.重庆大学山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆 400045)

0 引言

框架-核心筒结构是目前超高层建筑常用的结构体系，混凝土强度和外形处于不断变化状态，且由于核心筒施工速度快过外框架和筒内楼板施工速度，使在建框架-核心筒结构中的核心筒有一定领先层数。在建结构处于核心筒领先状态时会影响结构承载力及抗震性能，因此JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规范》建议核心筒领先层数为4～8 层[1]。针对该现象，已有不少学者对核心筒领先施工的施工方法进行研究。2005年，张坚等结合工程实践经验，提出使用经验层数法、简单估算法和整体计算法确定核心筒领先层数[2]。2013年，朱川海等考虑施工期间结构体系、材料特性和荷载作用的时变性，引入施工阶段基于性能的结构设计(PBSD)方法，分析处于不同施工阶段的结构状态，解决超高层建筑施工过程分析与控制问题，提出核心筒超前外框架施工层数的合理分析方法[3]。2015年，虞终军等分析比较各施工工况下的结构整体和构件强度、变形和稳定性，提出解决顶层墙肢局部稳定性不满足要求的施工控制建议[4]。2016年，周康研究施工速度与领先层数对结构的影响，提出各结构部分不同最优领先层数，确定伸臂桁架合理的安装时序[5]。2017年，陈保勋等考虑墙肢实际支撑条件，重新计算数值模拟中的计算长度系数，得到实际计算长度系数，与最大超前施工层数[6]。

虽然不少学者对超高层结构的核心筒领先层数进行研究，但对超高层结构施工阶段的抗震性能分析却鲜有探讨。本文以西山万达写字楼为工程背景，探讨核心筒领先层数对在建框架-核心筒结构抗震性能的影响。

1 工程概况

本文以昆明西山万达广场项目北塔楼为例，北塔楼地面以上建筑67层，总高度为296.7m。工程抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.20g，抗震设防为乙类，设计地震分组为第3组，场地类别为Ⅲ类；多遇地震影响系数为0.16，特征周期0.65s，阻尼比为0.04，罕遇地震影响系数为0.90。

2 有限元模型建立

本文在ETABS平台上分别建立整楼及4种工况的有限元模型。施工分区如图1所示。整楼模型采用钢管混凝土柱+钢梁-型钢混凝土核心筒结构体系，利用建筑避难层设置4道结构加强层。结构主要抗侧力体系为核心筒，外框架及结构加强层协同作用，以提供结构足够抗侧及抗扭刚度。由于本工程抗震设防烈度高，特征周期较长，地震内力很大，为提高竖向抗侧力构件的侧向刚度，核心筒墙厚为400～1 300mm，钢管柱直径为1 300～2 400mm，外框梁根据各楼层受力特点分别为1 000mm×950mm，800mm×950mm，600mm×950mm，1 000mm ×1 200mm 规格的箱形钢梁等 ，并在 34，46，58层设置伸臂桁架，在22，34，46，58层设置腰桁架[7]。

图1 施工分区

施工过程中，结构属于时变体系，根据超高层建筑施工进度计划，建立4种工况的核心筒不同领先层数模型，考虑核心筒提前施工，核心筒内梁板应与外框架楼板同时施工。考虑材料特性及实际受力情况，由于框架柱采用相同建筑材料且受力情况接近，因此柱与柱间的轴向变形较小。但混凝土内筒和框架柱材料的不同层次及不同受力情况，会产生较明显的轴向变形差，如在施工初期便将核心筒和钢管混凝土柱间相互作用的伸臂桁架作刚性连接，导致伸臂桁架需承担额外的变形作用力[8]。为避免伸臂桁架产生不必要的变形作用力，施工初期伸臂桁架将采用后连接方法，允许伸臂桁架于施工期较后时间连接，直至主体结构施工完成后及大量轴向变形差产生后才连接伸臂桁架。因此，使用ETABS进行施工过程中的弹性及弹塑性时程分析时，不考虑伸臂桁架对结构的影响。

3 地震响应

3.1 地震波选取

由结构基本参数及GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》[9]得到地震影响系数曲线如图2所示。

图2 地震影响系数曲线

在地震记录中，强地震动是缓慢衰减的，存在长周期高能脉冲。近断层地震动的运动特征主要表现为上盘效应、破裂前向性效应和滑冲效应。上盘效应指上盘强地震动衰减慢于下盘，强地震动分布面积大，主要分布在上盘。滑冲效应和破裂前向性效应共同导致长周期脉冲。所选地震记录的加速度时程曲线经调幅后如图3所示。

图3 地震波加速度时程曲线

3.2 时程分析输入最大地震动加速度取值

时程分析输入最大地震动加速度如表1所示。任意t年内，地震烈度i的分布符合极值Ⅲ型分布[10-11]，如下式所示：

(1)

表1 时程分析输入最大地震动加速度 m·s-2

根据建筑施工周期推算施工阶段的设计使用年限T1，由地震危险性分析可知某个地区以年超越概率p(I>i)表示的地震危险性；根据式(2)可得使用年限为50年内超越概率0.1的地震烈度，进而求出该地区的地震烈度分布形状参数K。

p(I>i|T)=1-[1-p(I>i)]T

(2)

根据式(1)可求t年内超越概率为0.632的地震烈度，及设计使用年限50年时超越概率为0.632的地震烈度差值。将差值带入式(3)可确定任意t年与50年设计基准期水平地震最大影响因素比值，进而求出对应使用年限的地震作用。

(3)

按照上述方法，当T=10年，求得时程分析时输入的地震加速度最大值应调整如表1所示。

3.3 不同施工阶段弹性及弹塑性时程分析

根据《建筑抗震设计规范》，选择Cape Mendocino地震波，使用SeismoMatch程序调整时程分析地震动峰值加速度(peak ground acceleration, PGA)为0.74，1.48m/s2。对建筑施加速度峰值x∶y=1∶0.85的双向地震波，分别进行如下弹性和弹塑性时程分析。

1)PGA为0.74m/s2时，整楼模型和4区模型层间位移角如图4所示。

图4 整楼和4区位移角

4区施工阶段模型在某一满足频谱特性地震波下，从核心筒领先部位第1层(52层)开始，层间位移角增长显著。说明核心筒领先部分的侧向刚度明显小于外框架施工完成部分，在地震作用下产生明显的结构响应突变。对比整楼模型，4区模型的层间位移角随楼层增加逐渐加大，在核心筒领先部分中的上升速度较外框架施工完成部分更快，其中最大层间位移角(1/476)出现在59层。而整楼模型的最大层间位移角出现在47层，47层往上层间位移角随楼层上升而减小。

2)PGA为0.74m/s2时，2区施工阶段不同领先层层间位移角如图5所示。

图5 2区不同领先层层间位移角

2区领先层数不同，整体层间位移角出现较大变化。其中领先20层时最大层间位移角(1/473)是领先15层时最大层间位移角(1/733)的1.55倍。领先15层时的最大层间位移角是领先10层时最大层间位移角(1/989)的1.35倍。当超过18层后，最大层间位移角超过规范限值，因此在2区施工条件下，极限领先层数为18层。可以发现，34层的层间位移角突变明显，说明避难层在核心筒领先部分的侧向刚度较小。施工完成楼层中，最大层间位移角随领先层数的增加显著增加，施工完成部分的响应随之增大，由此可见施工完成楼层数较低时，核心筒领先部分对全部已建楼层响应产生较大影响。

3)不同分区的核心筒领先部分和外框架施工完成楼层层间位移角对比如图6所示。

图6 不同分区的层间位移角

核心筒领先模型中，外框架施工完成楼层的响应在施工初期随已建层数的增加显著增大，在3区施工阶段后，结构响应随施工阶段的推进逐渐减小，其中4区施工阶段模型的外框架施工完成楼层(0～20层)最大层间位移角较2区同楼层减少约18.7%。说明随着整体抗侧力体系的完善，结构在地震作用下的响应趋于稳定。主要层间位移角增幅体现在核心筒领先部分。1～4区施工阶段的核心筒领先部分与外框架施工完成楼层的层间位移角差值分别为1区1/6 098，2区1/1 230，3区1/611，4区1/1 686。说明随着施工阶段的推进，核心筒领先部分的结构响应突变开始显著，直到抗侧力体系逐渐完善后，该结构响应突变现象有所缓和。

4)当PGA为0.74m/s2时，2,4区的领先层层间位移角对比如图7所示。

图7 2,4区模型层间位移角对比

由图7可知，4区施工阶段模型(领先15层)的领先层部分与施工完成部分最大层间位移角差值为1/1 686，而2区施工阶段模型(领先15层)的领先层部分与施工完成部分最大层间位移角差值为1/3 096。说明随着施工阶段推进，领先层部分的结构响应逐渐突出。

5)遭遇罕遇地震作用，PGA为1.48m/s2时，1～4区的层间位移角对比如图8所示。1～4区的核心筒领先部分最大层间位移角与施工完成部分最大层间位移角的差值为1区1/1 570，2区1/402，3区1/365，4区1/452。相比PGA为0.74m/s2时的弹性阶段，核心筒领先部分的结构响应更突出，且随着施工阶段的推进响应逐渐增大。侧向刚度较小的薄弱层层间位移角与相邻层差异更显著，说明在罕遇地震作用下，侧向刚度不均匀带来的影响会被进一步放大。

图8 罕遇地震作用下不同分区的层间位移角对比

4 结语

1)施工过程中遭遇地震荷载时，结构层间位移角随施工阶段的推进呈先增长后减小的趋势。当结构体未能形成较完整的抗侧力体系时，随着楼层增高，核心筒领先部分的结构响应会增大。当施工到一定阶段，在建结构体拥有较完整的抗侧力体系后，核心筒领先部分响应突变才趋于缓和。因此结构楼层超过50层后，应严格控制核心筒领先层数在9层以内。

2)当核心筒领先高度达到一定程度后，会产生较大的核心筒结构响应突变，施工过程中应严格控制核心筒领先极限高度。当存在避难层等侧向刚度较低的楼层时，为防止过大的结构响应出现突变。

3)在罕遇地震作用下，核心筒领先部分的结构响应更加显著，相较于PGA为0.74m/s2时，罕遇地震下核心筒领先部分的结构响应与其余部分结构响应的比值突出约30%，薄弱层在罕遇地震作用下的增长幅度更是巨大。因此，高烈度地区的核心筒领先施工需提前做好施工安全风险评估。