北京某大底盘多塔超限结构抗震分析及研究

刘 昭

（北京城建设计发展集团股份有限公司 北京 100034）

1 工程概况

某车辆段上盖综合开发项目位于北京市朝阳区，总占地面积约13.7 公顷，由盖上和盖下两部分组成，盖上为住宅开发预留，盖下为运用库、组合库、盖上住宅的小汽车停车库及商业预留组成；运用库及组合库的主要功能为地铁列车的停车、列检以及维修等。本文重点分析组合车库及盖上预留结构。

组合库总长×总宽=195 m×96 m，其通过变形缝与运用库脱开，首层包含不落轮镟库、综合维修车间、调机车库、工程车库、特种车维保检测库、配套用房等，层高9.8 m，其中综合维修车间、特种车维保检测库为首层～二层通高空间并设置桥式天车；二层为小汽车库及商业预留空间，层高4.5 m；二层顶覆土2.0 m 作为盖上住宅的室外场地；盖上预留2 栋住宅，共6 层，标准层层高3.6 m，建筑高度为37.9 m。

组合库采用框架结构，不设变形缝，由于轨道限制，盖上预留的2 栋6 层框架结构住宅柱子无法直接落地，因此在二层顶通过梁托柱进行转换，形成大底盘双塔的框架结构，结构平面及剖面布置如图1所示。

图1 结构布置Fig.1 Structural Layout （m）

结构底盘的主要梁柱尺寸中，转换柱及塔楼相关范围柱主要采用2 500 mm×1 500 mm，1 700 mm×1 500 mm，1 500 mm×1 100 mm 的SRC 柱，其余柱主要采用1 500 mm×1 500 mm，1 200 mm×1 100 mm的RC柱；转换梁主要采用1 200 mm×3 200 mm，1 300 mm×1 500 mm 的SRC 梁，其余框梁主要采用800 mm×1 200 mm，1 000 mm×1 200 mm 的RC 梁。塔楼的主要梁柱尺寸，柱主要采用800 mm×1 000 mm，600 mm×1 500 mm的SRC柱，梁采用600 mm×800 mm的RC梁。

本结构设计使用年限为50 年，安全等级为二级，结构重要性系数为1.0，抗震设防烈度为8 度，设计基本地震加速度值为0.20g，设计地震分组为第二组，场地类别为Ⅲ类，抗震设防类别为丙类，水平向地震动参数按《建筑抗震设计规范：GB 50011—2010》［1］取值。

2 结构超限情况

根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》［2］，本工程为框架结构，建筑高度为38 m，不存在高度超限，但仍存在平面及竖向超限情况，具体如下：

⑴扭转不规则：考虑偶然偏心后结构的Y向最大位移比为1.28，大于1.2。

⑵楼板不连续：首层顶板X向、Y向的有效宽度分别为11.1%，40.0%，有效宽度小于50%。

⑶刚度突变：结构首层层高较高，首层X向、Y向与二层侧向刚度比分别为0.54、0.55，刚度比大于0.5小于0.7。

⑷多塔且塔楼偏置：本结构为大底盘双塔，塔楼Y向质心偏心距约为底盘相应边长的26%，大于20%。

⑸竖向构件间断：盖上住宅的柱子在二层顶处通过梁托柱转换。

⑹局部不规则：首层Y向存在穿层柱，二层顶板在盖上住宅范围内存在2 m高的错层。

因此本工程属于高度不超限、规则性超限的特别不规则高层建筑。

3 结构计算及分析

考虑到本工程为预留工程，为增加预留方案后期调整的可能性，计算时按照增加一层考虑。

3.1 多遇地震下反应谱计算

本工程体型复杂，采用PKPM、ETABS两个软件进行了整体反应谱计算［1］，并进行相互验证，结构计算模型如图2所示。

图2 结构计算模型Fig.2 Structural Model

经过计算分析，两个软件的主要计算结果如表1所示，两个软件的楼层剪力对比如图3所示。

图3 结构地震下的楼层剪力Fig.3 The Story Shear of Structure

表1 结构反应谱主要计算结果Tab.1 The Main Results of the Structural Response Spectrum

综上：两个软件计算所得的周期比均小于0.9，且前三阶周期值基本吻合；计算得到的最大层间位移角均小于1∕550［1］，且基本吻合，满足文献［1］要求；由楼层剪力图可得，PKPM 和ETABS 计算得到的每层剪力基本相同，X、Y方向剪重比均满足《高层建筑混凝土结构技术规程：JGJ 3—2010》［3］第4.3.12条要求。

由PKPM计算所得最大位移比为1.28，属于扭转不规则结构；首层与二层侧向刚度的比值X、Y分别为0.54、0.55，首层属于软弱层，二层与住宅层的刚度比X、Y向分别为7.00、3.72；楼层层间抗侧力结构的受剪承载力均大于上一层受剪承载力的80%，不存在薄弱层。

3.2 多遇地震下弹性时程分析

本工程为大底盘多塔超限高层结构，根据文献［3］第4.3.4 条中第2、3 款和第5.1.13 条规定，需进行弹性时程分析多遇地震下的补充计算。

选取多遇地震下的2 条天然波和1 条人工波进行弹性时程分析，最大加速度峰值按规范取70.0 gal，规范反应谱与时程反应谱对比如图4所示。

图4 多遇地震下主方向地震波反应谱对比Fig.4 Comparison of Response Spectrum in Main Direction under Frequent Earthquakes

所选每条地震波底部剪力均不小于反应谱结果的65%且不大于135%；计算所得的基底剪力的包络值X、Y向分别为166 600 kN、167 800 kN，约为反应谱方法的104%、88%，满足文献［1］的规定。

经计算，时程分析下结构X、Y向的最大层间位移角包络值均满足文献［1］的规定，即X、Y向最大位移角包络值均发生在5 层，X向为1∕694，Y向为1∕586；结构每层地震剪力放大系数取时程分析法的楼层剪力包络值与反应谱法的比值，结构每层的地震剪力放大系数如表2 所示，时程分析法得到的部分楼层剪力略大于反应谱法，在施工图设计阶段将反应谱法的地震剪力按照此表进行比列放大。

表2 结构多波包络值与反应谱法结果对比Tab.2 Comparison of Structural Multiwave Envelope Values and Response Spectrum Results

3.3 结构性能化验算

本工程为特别不规则结构，应对结构进行抗震性能分析［3］，采用C级性能目标，指定关键部位的抗震性能目标，如表3所示。

表3 结构关键部位的抗震性能目标Tab.3 Seismic Performance Targets for Critical Parts of the Structure

采用PKPM 进行结构的性能化验算，关键构件（塔楼及外侧一跨柱及转换梁）均采用型钢混凝土组合结构，经验算，关键构件的计算配筋及剪压比均满足中震弹性抗弯、抗剪承载力以及大震不屈服抗弯、抗剪承载力的性能目标。

3.4 罕遇地震下结构弹塑性分析

为深入分析结构在大震下的整体反应，找出结构可能出现的薄弱部位，本工程采用PKPM-SAUSAGE对结构进 弹塑性时程分析，选取罕遇地震下的2 条天 条人工波进行弹性时程分析，规范反应谱与时程反应谱对比如图5所示。

图5 罕遇地震下主方向地震波反应谱对比Fig.5 Comparison of Response Spectrum in Main Direction under Rare Earthquakes

所选每条地震波底部剪力均不小于反应谱结果的65%且不大于135%；平均基底剪力不小于反应谱结果的80%且不大于120%。

所选地震波均为三向波，地震波输入时按照主方向∶次方向∶竖向=1∶0.85∶0.65［1，3］，为较真实的反应结构在罕遇地震下的表现，进行弹塑性时程分析的构件配筋取结构性能化的配筋，计算结果取3 条波的包络值，最终时刻结构的整体损伤情况如图6、图7 所示，楼板的损伤情况如图8所示。

图6 罕遇地震下结构性能指标Fig.6 Structure Performance Level under Rare Earthquake

图7 结构性能水准统计Fig.7 Structure Performance Level

图8 大底盘楼板损伤包络图Fig.8 Damage Envelope of Large Chassis Floor

综上：X向和Y向的层间位移角最大值分别为1∕65 和1∕56，小于文献［1］限值1∕50；大震下总等效附加阻尼比介于1.2%～1.6%之间；框架总体上处于轻微～轻度损坏状态；框架梁出铰较多，底盘大部分处于轻微～轻度损坏状态，塔楼大部分处于轻度～中度损坏状态；框架柱出现塑性铰，底盘大部分处于轻微～轻度损坏状态，塔楼大部分处于轻度～中度损坏状态；转换梁、转换柱及周边一跨范围框架柱，性能水平处于轻微～轻度损伤状态；首层及二层楼板损伤水平处于轻微～轻度损伤状态。

总体上而言，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设计理念，满足预期的性能目标要求，并且具有较好的承载力储备［4］。

4 超限结构抗震加强措施

针对本结构出现的不规则项采取的抗震加强措施如下：

⑴针对扭转不规则采取的措施：考虑偶然偏心下，结构的位移比不大于1.4；考虑双向地震。⑵针对首层出现楼板不连续采取的措施：楼板厚度取200 mm，双层双向配筋，单层配筋率不小于0.25%；对楼板进行了弹塑性分析，损伤水平处于轻微～轻度损伤状态［5-9］。⑶针对首层出现的刚度突变采取的措施：对首层的地震力进行放大，放大系数取1.25；对楼座及其周边一跨范围内的竖向构件进行性能化设计。⑷针对多塔采取的措施：二层顶板楼座周边一跨的楼板厚度加至350 mm 厚；塔楼及盖下塔楼范围按照多塔、单塔进行包络设计，并满足相应的性能目标。⑸针对竖向构件间断采取的措施：二层定义为转换层，地震力放大1.25 倍；转换梁及转换柱均采用延性较好的型钢混凝土构件，并进行性能化设计。⑹针对错层采取的措施：错层两侧梁支座内、外均设置加腋［10］。⑺针对Y向穿层柱采取的措施：参照相邻相同截面柱对穿层柱Y向地震力标准值进行调整，保证穿层柱调整后的地震力标准值不小于普通柱地震力标准值；将穿层柱的抗震构造措施抗震等级由一级提高至特一级。

5 结语

本工程属于车辆段上盖开发类项目，此类项目常因盖下工艺、轨道等功能需求导致盖下跨度大、首层层高高、分缝困难，从而出现竖向构件间断、大底盘多塔、刚度突变、楼板不连续以及穿层柱等情况，造成结构超限。

本工程采用两个软件计算验证，消除了模型的差异化，并进行了弹性时程以及弹塑性时程分析，对关键构件采用抗震性能化的设计方法，针对出现的不规则项均提出了多项抗震加强措施。结果表明结构具有良好的抗震性能，能够实现预期的性能目标要求。