上海市某钢-混凝土上下混合超限结构抗震设计研究

曾凯，张帆 （深圳市华阳国际工程设计股份有限公司，深圳 518038）

1 工程概况

上海市某项目结构高度26.95m，地上3层，地下0层，由于建筑方案需求，上部塔楼为研发实验室，采用钢框架结构，下部大底盘为一层车库，采用混凝土框架-剪力墙结构。

钢结构楼层层高约6m，典型柱跨9m×13.5m，典型钢柱截面H800×800×36×36，钢梁截面 H700×400×24×36，楼板厚度为120mm（钢筋桁架楼承板），柱、梁钢材强度为Q355B，楼板混凝土强度等级为C35。大底盘楼层层高约8m，典型柱跨为9m×9m，型钢混凝土柱截面为1200×1200（H800×800×36×36），剪力墙厚度为300mm，混凝土梁截面为400×900，楼板厚度为180mm，柱钢材强度为Q355B，墙柱混凝土强度等级为C40，梁板混凝土强度等级为C35。

根据《上海市超限高层建筑抗震设防管理实施细则》，本结构体系为《抗规》、《高规》和《高钢规》暂未列入的其他高层建筑结构，根据上海市《建筑抗震设计规程》（DGJ08-9-2013）采用抗震性能设计方法进行计算分析。要求整体性能目标达到Ⅳ类，考虑结构无竖向构件不连续项，刚度比、楼层承载力比值等结果均较好，不定义关键构件，大部分柱均按普通竖向构件标准控制。对底部裙房段的柱、墙及塔楼段底层柱，性能控制标准在普通竖向构件基础上略作提高。

2 多遇地震及风荷载作用下的弹性分析

本文分别采用YJK及ETABS两款软件进行计算比较，按CQC法进行抗震计算及弹性时程补充分析计算，结构模型如图1所示。

图1 结构模型图

表1为多遇地震及风荷载模型主要计算参数，表2列举了两款软件计算水平地震和风荷载工况下的基底剪力和总弯矩，数据表明，在水平荷载作用下，计算结果差距较小（5%以内），两种计算模型一致，表明模型计算结果是准确可信的。

多遇地震及风荷载模型主要计算参数 表1

水平力作用下的基底剪力及基底倾覆弯矩 表2

表3显示了YJK与ETABS计算软件输荷载作用下最大层间位移角为1/1278，出现层间位移角分布情况。地震工况下最大层间位移角出现在3层，为1/676；50年风在3层，均满足规范1/250要求。

水平荷载作用下楼层位移角 表3

弹性时程分析选用五条天然波（TR1～TR5）及两条人工波（RG1～RG2）。考虑双向地震作用（采用主、次波的方式）。地震加速度峰值调整成0.35m/s2，地震波振型阻尼比设为0.05，地震波时间间距设为0.02s。各地震波主方向反应谱曲线同规范反应谱的对比图如图2所示。

图2 各地震波谱曲线与反应谱曲线图

弹性时程分析与反应谱法计算结果对比如表4所示。从表4中可以看出，每条时程曲线计算所得结构底部剪力均处于振型分解反应谱计算结果的65%到135%的范围，七条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值均处于振型分解反应谱计算结果的80%到120%的范围，满足《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）第4.3.5条的规定。

各地震时程工况下的基底剪力及位移角 表4

3 设防地震分析

结构在中震作用下，要求底部裙房段框架柱、剪力墙，满足承载力不屈服。上部塔楼段框架柱要求满足应力比限值要求，主要计算参数见表5。

设防地震模型主要计算参数 表5

YJK中震不屈服计算结果显示，底部裙房段框架柱、剪力墙，满足承载力不屈服的性能水准；上部塔楼段框架柱要求满足应力比限值要求。X向最大层间位移角为1/259，Y向为1/250，均小于规范限值（1/100）。

4 罕遇地震动力弹塑性分析

进行了三组大震地震记录（两组天然波，一组人工波）分析，每组地震动施加到模型（均按水平双向地面加速度时程的形式）。主次方向分别按100%和85%幅值施加水平双向地震动。图3为选用的大震加速度记录的反应谱（主方向）。

图3 选用的大震加速度记录的反应谱图（主方向）

通过对比PKPM-SAUSAGE模型和YJK模型的主要分析结果，验证PKPM-SAUSAGE模型分析结果的正确性。本项目的弹塑性分析模型（PKPMSAUSAGE模型）中，构件截面尺寸、材料强度等级，以及构件所配钢筋都与弹性分析模型（YJK模型）一致，弹塑性分析模型的荷载和地址质量均取自弹性模型。

为验证结构非线性特征，对比研究大震弹塑性与大震弹性时程的结构底部剪力，弹性分析模型单元网格划分密度与弹塑性模型基本一致，阻尼均采用振型阻尼。表6为大震弹塑性分析与大震弹性时程分析结果对比。从表6中可以看出，大震弹塑性与大震弹性结构底部剪力的比值在66%～91%，包络值显示弹塑性结构底部剪力约为弹性结果的83%（X向）和69%（Y向），表明本塔楼在大震下非线性特征合理，地震能量得到了有效消散。

结构底部剪力主方向弹塑性和小震CQC结果比较 表6

为研究弹塑性与弹性分析模型楼层顶部位移时程变化情况，选取如图4所示点P1点进行位移时程监控。弹塑性顶部位移约为弹性位移的90%～110%。

图4 位移监控点示意图

由表7可以看出，两个方向最不利工况下层间位移角分别为1/52（X）和1/51（Y），所在楼层均为3层，满足1/50的规范限值要求。

罕遇地震弹塑性楼层位移角 表7

5 结论

综上分析，本结构在小、中、大震作用下所得结论如下。

①在小震作用下，各楼层水平地震剪力最小值均在规范限值要求范围内；结构最大层间位移角在规范限值要求范围内；时程分析中地震波选取符合规范要求，其结果合理有效，时程分析结果表明，各楼层不需要进行剪力放大。

②在中震作用下，底部裙房段框架柱、剪力墙，满足承载力不屈服的性能水准；上部塔楼段框架柱满足应力比限值要求。

③在大震作用下，最大楼层层间位移角发生在三层左右，最大值为1/51，满足规范限值要求，弹塑性顶部位移约为弹性位移的90%～110%；整体钢框架未损坏；剪力墙部分混凝土受压损伤较大，钢筋部分屈服，楼板混凝土受压均未出现明显损伤，钢筋未屈服。

因此，可以判断此结构是合理且能满足规范要求的。