框架-核心筒结构抗震性能化设计

金奇峰

(北京维拓时代建筑设计股份有限公司, 北京 100025)

深圳冰雪酒店项目位于深圳市宝安区南环路南侧，其总面积为4.90万m2。地下2层为办公区和设备用房，地下1层为酒店厨洗区域及部分设备用房；地上共计24层，建筑物主要屋面高度99.8 m，首层为酒店大堂及会所门厅，2～5层分别设计酒店的核心筒、酒店宴会厅及厨房、家具房、会议、KTV、健身、水疗及一系列酒店机房；6～23层为酒店客房标准层；24层为会所层，会所层上层屋面为酒店所用机房及水箱，酒店效果图如图1所示。该结构有多向不规则，属于超限结构。为满足结构的安全性，参照国内类似工程，并考虑结构的经济学，设定本工程抗震性能目标。根据超限情况，提出加强措施，通过大量计算分析，探究了该结构在地震作用下的抗震性能。

1 结构方案

1.1 结构主要设计参数

结构抗震设防烈度为7度(0.10g)，设防类别为丙类，安全等级为二级，设计地震分组为第一组，III类场地，设计基准期为50a。嵌固端为地下一层顶板，底部加强区为首层和2层，地下2层结构抗震构造措施对应的抗震等级为三级，地下1层及上部结构抗震等级为框架与剪力墙均为二级，转换构件抗震等级为一级。地面粗糙度A类，基本风压为w0=0.75 kN/m2，进行承载力设计时采用1.1倍的基本风压，体型系数1.3，风振系数按规范规定取值，地基基础设计等级为甲级。

1.2 结构布置

酒店结构形式为框架-核心筒结构体系，抗侧力体系由核心筒和框架2个部分组成。酒店与周围裙房商业分开，建筑平面呈长方形，结构主体的平面尺寸为48.8 m×31.8 m，主体结构高宽比2.05；核心筒部分的平面尺寸为25.7 m×8.7 m，核心筒的高宽比为8.68。酒店部分结构计算模型如图1所示，客房标准层结构平面布置图如图2所示。6层至顶层外框架梁为500 mm×800 mm，内部梁高为750 mm；2～5层外框梁高为900～950 mm，内部梁高800～900 mm；首层外框梁高为1 300 mm，内部梁高900 mm～950 mm。结构的核心筒外墙厚自下而上由500 mm减小至300 mm。外围框架柱变截面设计，自下而上由900 mm×1 600 mm减小至600 mm×900 mm。

图1 酒店部分结构计算模型

图2 酒店准层结构平面布置

2 超限情况及抗震性能目标

7度(0.1g)区框架-核心筒结构A级最大适用高度为130 m，故酒店高度不超限。酒店部分结构高宽比为2.05，满足规范要求，高宽比未超限。首层办公大堂根据建筑功能需要结构楼板开洞，有效楼板宽度小于该层楼板宽度的50%，超过规范限制，且局部形成越层柱。结构地上6层有竖向转换，上下柱不连续，属于超限。且结构有2层层高修正的侧向刚度比值小于0.9，不满足规范要求，形成刚度突变。综上分析，结构有3项不规则，故判定为超限结构[1]。

针对超限情况，采取应对措施：

(1)提高转换柱的抗震等级，混凝土柱轴压比不超过0.75，通过对轴压比的限制来提高柱的延性。同时转换柱采用箍筋直径不小于12 mm，采用井字复合箍，箍筋全高加密，间距不大于100 mm，箍筋肢距不大于200 mm。

(2)严格控制底部加强区剪力墙轴压比不超过0.5，以此来提高底部加强区剪力墙的延性。

(3)核心筒的连梁及抗剪超筋的连梁配置对角斜向钢筋。

(4)楼盖外角按规范要求配置双层双向钢筋，范围不小于3 m和外框架至内筒外墙中距的1/3，而且单层单向配筋率不低于0.3%，对于斜柱转换部位及相邻上下层的楼板加厚至180 mm，并提高楼板配筋率。

(5)首层顶开洞部位板厚增大至130 mm，采用双层双向配筋，配筋率控制为不低于0.25%。

依据本工程的超限特点，结合结构概念设计[2]，考虑社会和经济等因素，并参照国内类似项目，设定本项目的抗震性能目标。结构抗震性能目标总体定为D级[3, 4]，相应的抗震性能在多遇、设防、罕预地震下分别为1、4、5水准，抗震性能目标以及性能水准设定如表1所示。

表1 抗震性能目标与性能水准

3 结构计算分析

3.1 计算程序及计算假定

结构整体计算采用PMSAP与YJK 2种分析程序进行多遇地震分析，同时采用YJK对结构在多遇地震下进行弹性时程分析，该结构在大震作用下的弹塑性时程分析采用了SAUSAGE分析软件。结构整体指标计算分析过程中采用刚性楼板假定；周期折减系数取为0.90，振型参与质量系数控制大于90%，阻尼比取为为0.05，采用考虑扭转耦连的CQC法，计算结果如表2所示。

表2 计算结果对比

通过计算结果对比可以看出，YJK和PMSAP在多遇地震下的分析结果基本一致，说明采用的分析模型得到的结构特性是正确的，采用的模型能够准确分析结构性能。

3.2 多遇地震下的弹性时程分析

结构在多遇地震下的弹性时程分析[5]程序采用YJK，选取5组真实地震加速度记录与2组与规范反应谱符合的人工模拟加速度时程，地震加速度的最大值35 cm/s2，2方向加速度时程峰值的比为1∶0.85。表3为进行弹性时程分析所得到的结构基底剪力。

由分析结果可知，每组波作用下的基底剪力均大于反应谱法所得基底剪力的65%，并且7组波的平均值不小于反应谱法的80%，地震波的选取满足JGJ3-2010《高层建筑混凝土结构技术规程》(以下简称《高规》)的要求。

结构弹性时程分析得到的层间位移角见图3。X向的最大层间位移角平均值是1/1913，Y向是1/1805，均小于规范限制1/800。分析所得的结构楼层剪力如图4所示，弹性时程分析所得的层间剪力平均值小于CQC法计算结果，故本工程无需对CQC法计算结果进行放大。

3.3 设防地震及罕遇地震下结构构件验算

采用YJK软件对结构进行中震抗弯抗剪不屈服(关键构件)和中震满足剪压比要求(普通竖向构件)计算分析。 分析模型与多遇地震所用模型一致，采用等效弹性分析方法，荷

表3 多遇地震下的基底剪力

图3 层间位移角曲线

图4 最大楼层剪力曲线

载分项系数取值为1.0，材料强度采用标准值，不考虑风荷载组合，连梁刚度折减系数取为0.3，周期折减系数1.0，结构阻尼比取为0.06，地震作用影响系数取值为0.23。

分析结果显示：结构关键构件的抗震承载力满足《高规》式(3.11.3-3)的要求，关键构件在中震时满足抗弯抗剪不屈服的性能目标；结构普通竖向构件的斜截面满足《高规》式(3.11.3-4)的要求，说明普通竖向构件在中震时满足剪压比限制条件。

采用YJK软件对结构进行罕遇地震作用下分析，采用等效弹性分析方法，大震分析时不进行地震内力调整，材料强度采用标准值，荷载分项系数取值为1.0，不考虑风荷载组合，连梁刚度折减系数0.3，周期折减系数1.0，结构阻尼比0.07，地震作用影响系数取值为0.5。

分析结果显示：底部加强区剪力墙和框架柱的承载力满足《高规》式(3.11.3-3)的要求，关键构件在大震时满足抗弯抗剪不屈服的要求。普通竖向构件斜截面满足《高规》式(3.11.3-4)的要求，说明普通竖向构件在大震时符合剪压比限制条件。

4 罕遇地震下结构弹塑性时程分析

采用SAUSAGE软件对结构进行大震作用下的弹塑性时程分析，进而来研究结构在大震下的破坏模式和结构特性。

为计算罕遇地震作用，重新选择3条地震波，其中1条为人工波，2条为天然波。输入主方向加速度峰值为2.20 m/s2，次方向为1.87 m/s2，按照加速度2.20 m/s2对结构进行弹性时程分析分析，结果表明：3条波的平均值不小于反应谱法的80%，并且每条波作用下的基底剪力均大于CQC法所得到基底剪力的65%，选波满足规范要求。

4.1 阻尼耗能

SAUSAGE弹塑性时程分析的基底剪力如表4所示，罕遇地震的峰值加速度与多遇地震的峰值加速度之比为6.28，罕遇地震下动力弹塑性时程分析的基底剪力与多遇地震下CQC法计算的基底剪力之比，在X向及Y向最大值分别为4.2和3.99，均明显小于6.29，表明结构中的部分构件刚度退化[6]；罕遇地震作用下的附加阻尼比与能量曲线如图5～图7所示，结构弹塑性变形的阻尼比均值约为2.3%，综上可知，罕遇地震下作用下，结构发生塑性变形，结构中的部分构件刚度退化，结构阻尼比随之增大，耗散了地震输入的部分能量。

表4 罕遇地震与多遇地震下(CQC法)基底剪力对比

图5 天然波- TH121-附加阻尼比与能量曲线

图6 天然波- TH057-附加阻尼比与能量曲线

图7 人工波- RH1-附加阻尼比与能量曲线

4.2 结构损伤

罕遇地震作用下结构损伤情况如图8所示，底部加强区以上筒体较多的轻微或轻度损坏，底部加强区筒体发生轻微损坏，框架柱基本无损坏，多数框架梁端部形成塑铰，发生中度损坏；连梁损坏损坏比较严重；结果表明，罕遇地震作用下，连梁受弯屈服耗能，合理设置一定数量的连梁，有利于保护竖向承重构件，核心筒能更好地发挥第一道抗震防线[8]的作用；框架梁端部形成塑性铰，耗散了部分地震输入的能量，框架柱基本处于弹性状态，外框架发挥了二道防线的作用。结构形成多道防线，关键构件和普通竖向构件满足性能化目标的要求，结构抗震性能良好，结构布置合理。

图8 框-筒结构损伤图

4.3 层间位移角

结构在罕遇地震作用下最大弹塑性层间位移角值为：X向是1/156，Y向为 1/154，均小于大震作用下弹塑性层间位移角限值 1/110，结构设计符合规范限值要求。

5 重要构件补充分析

穿层柱2层或多层通高，侧向约束弱，计算长度比其他柱大，为结构的关键部位。本项目首层大堂为2层通高，形成穿层柱，如图9所示。根据穿层柱周围相似的非穿层柱的地震剪力与该穿层柱地震剪力的比值，得到剪力放大系数K，在YJK前处理中单独指定穿层柱的剪力系数，使得穿层柱剪力合理放大，根据计算结果可以对穿层柱配筋，箍筋全高加密，纵筋和箍筋需通长范围内配置。

图9 首2层穿层柱

6 结论

本工程属于超限结构，通过不同地震作用下的分析，可以看出，结构布置合理，结构采用的抗震加强措施有效。在多遇地震作用下，结构尚处于弹性状态，结构整体指标符合的规范限值要求；在设防地震作用下，结构的关键构件满足抗弯抗剪均不屈服的要求，同时普通竖向构件满足剪压比限值要求；罕遇地震下结构弹塑性层间位移角符合规范限值要求，关键构件和普通竖向构件满足大震下的性能目标；综上所述，结构薄弱部位的加强措施有效，结构可以满足预先设定的性能目标，抗震性能良好，结构设计合理。