金沙洲一号T2栋超限高层结构抗震设计

杨丰瑞

广州市城市规划勘测设计研究院有限公司 广东 广州 510060

对于超限高层建筑结构，需要设计及相关研究人员重点关注其抗震性能分析方法及相应的抗震设计策略[1]。本文结合实际工程中一栋超限高层商业建筑，对结构超限类型进行判别和分析[2]。通过多种软件计算、对比、分析和设计，使结构主体最终达到设定的抗震性能目标，并根据结构超限情况和相关规范要求提出相应的抗震构造措施。

1 工程概况

金沙洲一号商业楼项目位于广州市白云区金沙洲大桥北侧、彩滨中路西侧。其中T2栋塔楼，建筑功能为商业，地上建筑面积约为2.66万m2，地下2层，地上28层，结构高度139.95m。T2栋与相邻塔楼在地下室顶板以上设置200mm防震缝分隔开来，以独立的单塔楼作为结构主体。抗震设防烈度为7度(0.1g)，II类场地，抗震设防类别为丙类[3]。建筑效果图如图1所示。

图1 建筑效果图

2 结构设计要点

2.1 结构体系及布置

T2栋塔楼为钢筋混凝土框架-剪力墙结构，平面呈矩形，中部为剪力墙组成的核心筒，同时考虑结构刚度及受力需要，在外框设置剪力墙。为保证结构刚度自下而上均匀变化，剪力墙混凝土强度下部C60变化至上部C35，截面分层减小。规定地震力作用下，底层框架部分倾覆力矩百分比X向7.9%〈10%，Y向9.7%〈10%，按剪力墙结构进行设计，框架部分按框架-剪力墙结构的框架进行设计，外框剪力墙周边边缘构件，按框架柱设计。全楼采用现浇钢筋混凝土梁板楼盖，尽可能布置单向板，外圈梁高700mm，框架梁高控制在800mm以内。板厚一般为100mm，核心筒局部板厚150mm。T2栋塔楼标准层平面尺寸为38m x 29.6m，标准层层高4.95m，平面布置如图2所示。

图2 T2栋塔楼标准层结构平面布置

2.2 基础设计

本工程有2层地下室，主楼范围基础面标高为-9.80m。基础采用钻孔灌注桩基础，桩规格为1.0m～1.4m，单桩抗压承载力特征值6800KN～13300KN。基础持力层为微风化岩，基础混凝土强度等级C35。地下一层板厚0.15m；地下二层底板厚0.6m。主体结构完成后，塔楼范围内结构自身重量可抵消地下水反力，可不考虑抗浮问题；塔楼外地下室抗浮采用抗拔钻孔灌注桩。

2.3 超限情况

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（J G J 3-2010）[4]、《广东省超限高层建筑工程抗震设防专项审查实施细则》[5]、《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》[6]的相关要求进行判别：本工程T2栋塔楼采用框架-剪力墙结构体系，位于抗震设防烈度7度区，高度为139.95m，属于B级高度，不存在其他不规则情况，属于高度超限工程，需要进行抗震设防专项设计。

2.4 抗震性能目标

为达“小震不坏，中震可修，大震不倒”的抗震设防目标，本工程对整体结构及构件进行性能化设计。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3－2010)第3.11节，本工程结构预期的抗震性能目标要求达到C级，相应小震、中震和大震下的结构抗震性能水准分别为水准1、水准3和水准4。

3 结构分析

3.1 小震反应谱分析

本工程小震反应谱采用YJK和MIDAS两种三维计算软件对结构计算结果进行对比和分析，主要参数如表1所示。

表1 小震振型分解反应谱法主要计算结果

由表1可知，YJK与MIDAS的计算结果比较接近，印证计算结果可信。结构的主振型以平动为主，整体结构周期比、剪重比、层间位移角，及结构上下层侧向刚度比、受剪承载力等分析数据，均满足规范限值要求，说明结构体系设计合理。

3.2 弹性时程分析

本工程按《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)4.3.5条规定，选用YJK软件中的5组天然波和2组人工波，对结构补充多遇地震下的弹性时程分析，结论如下： (1)两种分析方法得出的楼层剪力和倾覆弯矩曲线形状基本一致；(2)楼层位移曲线光滑无突变，反映结构侧向刚度较为均匀；(3) 弹性时程分析得出的中、低区楼层内力平均值小于规范反应谱法得出的楼层内力，高区部分楼层结果则反之；(4)考虑双向地震作用下，实际地震力调整最大放大系数为1.270。

3.3 中震等效弹性分析

本工程采用等效弹性方法进行中震验算，控制各类构件在中震下的受弯及受剪承载力满足水准3的性能要求。验算结果如表2所示。

表2 中震截面性能汇总表

分析结果可知，中震下结构满足底部加强区剪力墙及普通竖向构件仅轻微损坏、框架梁及连梁仅轻度损坏或部分中度损坏的性能水准，各抗侧力构件能达到第3水准的抗震性能目标。

3.4 大震动力弹塑性分析

本工程按《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010) 要求，选择了1组人工波和2组天然波，采用Sausage有限元分析软件对结构建立有限元模型，如图3。对该高层框架-剪力墙结构进行了罕遇地震下的动力弹塑性时程分析，具体结果见表3。

表3 大震作用下结构弹塑性分析结果

图3 T2栋SAUSAGE有限元模型

大震弹塑性分析结果表明，结构弹塑性基底剪力约为多小震下结构弹性基底剪力的3.9～5.8倍，说明部分结构构件进入屈服阶段，发生塑性变形，刚度有所退化，地震作用减少[7]。结构在地震作用下最大顶点位移0.612m，最大弹塑性层间位移角1/178，满足规范1/100的限值要求。

对于主体结构，在考虑重力二阶效应及大变形的条件下，整体结构能够完成整个弹塑性时程分析过程而不发散，最终能保持直立，满足“大震不倒”的设防要求。对于结构部件，各组地震波作用下的损坏破坏情况如下：

1.剪力墙混凝土损伤大部分为连梁损坏，剪力墙底部加强区仅出现轻度损坏，其它部位墙肢均未出现显著损伤，剪力墙损伤总体上满足所设定的性能目标。

2.2 根框架柱底部出现轻度损坏，1根框架柱顶部出现点状中度损坏，2根框架柱顶部出现轻度损坏，其余柱子均未出现显著受压损坏框架柱总体达到预设的性能水准要求。

3.除少部分靠近洞口和剪力墙端部的框架梁出现轻度损坏或点状中度损坏，其余梁均未出现显著受压损伤，达到预设的性能水准要求，框架梁总体满足所设定的性能目标。

综上，结构整体和各构件能达到第4水准的抗震性能目标。

4 针对超限情况采取的措施

4.1 设计和构造措施

1.底部加强区剪力墙按中震性能水准3、大震性能水准4 的性能目标进行设计；底部加强区剪力墙墙身竖向分布筋最小配筋率提高至0.40%，约束边缘构件纵向钢筋最小配筋率1.4%，配箍特征值增大20%。

2.针对塔楼标准层楼板电梯井大开洞的情况，电梯井范围内楼板加厚至150mm，底、面筋拉通，配筋率不小于0.25%。

3.针对罕遇地震作用下第28层柱顶端出现点状中度损坏情况，提高顶层框架柱抗震构造措施，抗震等级提高至特一级。

4.加强梯板钢筋与核心筒剪力墙的连接，梯板分布钢筋适当加强，并锚入周边与之相连的核心筒剪力墙中，对核心筒剪力墙形成有效加强。

5.外框剪力墙周边边缘构件，按框架柱设计。

4.2 计算手段

1. 结构整体分析计算采用两个不同的弹性分析软件YJK和MIDAS进行对比分析，并采用考虑扭转耦联振动影响的振型分解反应谱法计算。

2. 按规范要求，采用弹性时程分析法进行多遇地震下补充计算，输入2组人工波和5组天然波，并将结果与反应谱分析结果相比较，取时程分析计算结果的包络值，与振型分解反应谱法计算结果的较大值设计。

3. 对关键构件、普通竖向构件、耗能构件按拟定的性能目标，进行中震第3水准和大震第4水准验算，采取相应加强措施。

4. 对结构进行罕遇地震下的动力弹塑性分析，确保结构能满足第二阶段抗震设防水准要求，并对薄弱构件制定相应的加强措施。

5 结语

综上所述，金沙洲一号商业楼T2栋为B级高度的超限高层结构，在设计中采用概念设计方法，采用多种程序对结构进行小震弹性、小震弹性时程、中震等效弹性以及大震动力弹塑性时程等计算分析。计算结果显示，多项指标均表现良好，满足规范的有关要求。说明按本工程所采取的抗震设计方法对超限高层结构进行分析，可验证结构设计是否安全可行。根据计算分析结果和概念设计方法，对关键和重要构件适当加强，保证结构在地震作用下的延性性能，使结构整体及各构件的抗震性能目标达到C级，说明对超限高层结构采取一定的抗震加强措施，可进一步保证结构的抗震安全性。