高设防烈度地区某超高层结构抗震性能分析

何礼东

（同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海 200092）

0 引言

随着现代社会的进步，且土地资源的限制，人们对超高层建筑的需求大幅提升，因此超高层建筑的数量不断增多。同时由于建筑立面效果和功能的要求，使超高层结构形式多样复杂化，导致其设计问题也变得更加复杂［1］，尤其是超高层结构的抗震设计问题。合理的抗震性能化分析有助于发现结构的薄弱环节，从而有针对性地对结构进行加强。国内已有学者针对不同地区、不同高度和结构形式超高层结构进行了抗震性能分析，董颖杰等［2］针对西宁地区（抗震设防烈度7度）某245.1m超高层商业办公楼进行了罕遇地震弹塑性分析，其结构体系为钢筋混凝土框架-核心筒体系，不设置加强层；单孟硕等［3］针对抗震设防烈度为7度地区的某156m超高层办公楼进行了罕遇地震弹塑性时程分析，其结构体系为钢筋混凝土框架-核心筒体系，不设置加强层；钱坤等［4］针对某34层剪力墙结构商业住宅进行了罕遇地震弹塑性分析；马中华等［5］针对南京地区145.8m超高层办公楼进行了抗震性能分析，其结构体系为钢筋混凝土框架-核心筒体系，不设置加强层。文中将针对高设防烈度（8度0.2g）地区的一幢超高层建筑分别进行小震、中震、大震下的抗震性能分析，为设计提供依据，从而有针对性地对结构薄弱部位进行加强。

1 工程概况

工程位于甘肃省兰州市，为Soho办公功能的一栋超高层塔楼。地上建筑面积约6.74万m2。地下4层，地上45层，首层层高6m，标准层高5.1m；结构屋面高度为230.51m，属于超B级高度的超高层建筑［6］。由于建筑立面效果的要求，部分外框柱设置为斜柱。

从抗侧能力、布置形式等方面考虑，结构采用了采用型钢混凝土框架-核心筒体系，框架柱、外框架梁、各加强层层顶和层底框架梁设置型钢，6层以下核心筒外圈墙体内设置钢板，核心筒外圈墙肢角部及部分墙肢端部设置型钢。结合建筑功能中的避难层位置，设置1道刚度适宜的伸臂桁架（第10层）及2道环带桁架（第28层及第37层），形成水平加强层，将部分整体弯矩转化为外框柱轴向荷载，提高外框结构与核心筒结构间的整体抗侧协调能力，进而综合性的提高建筑结构的整体抗侧刚度，满足各工况下的结构安全需求。

图1 伸臂桁架层

图2 环带桁架层

图3 结构体系

混凝土强度等级如表1所示，型钢强度等级为Q345B。

表1 混凝土等级

工程设计基准期及耐久性使用年限均为50年，结构重要性系数1.0，设防分类为丙类。根据GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》［7］（以下简称《抗规》），地震地震作用主要参数如下：剪力墙抗震等级为特一级，框架抗震等级为特一级。设防烈度8度（0.2g），场地类别Ⅱ类，设计地震分组第3组。嵌固端为地下室顶板。

2 多遇地震分析结果

2.1 结构动力特性

多遇地震作用下采用北京盈建科软件有限责任公司软件YJK和MIDAS GEN这两个不同力学模型的空间结构分析程序进行计算分析，模态结果如表2所示。YJK和MIDAS GEN软件的计算结果差距在5%以内，且结构扭转为主的第一周期与平动为主的第一周期之比小于规范规定的0.85限值。

表2 自振周期（仅列出前3阶振型作为对比）

2.2 反应谱法分析的主要结果

层间位移角及剪重比结果见表3。从结果可以看出，层间位移角由小震控制，X方向最大层间位移角为1/559，Y方向最大层间位移角为1/642。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（以下简称《高规》）3.7.3条，按建筑物高度（230.51m）线性插值得到的层间位移角限值为1/535，上述结果均满足要求。根据《抗规》5.2.5节，8度区基本周期位于3.5～5.0s间的结构，楼层最小地震剪力系数限值为2.58%（X向），2.42%（Y向）。仅底部个别楼层的X向剪力系数略低于规范要求，施工图设计时按规范要求进行调整。

表3 反应谱法分析

3 设防地震分析结果

采用《高规》中的等效弹性方法，利用YJK软件对结构在中震作用下进行不屈服验算判定。主要计算结果如表4所示。

表4 中震分析的主要计算结果

由结果可知，随着连梁刚度的退化，基底剪力及倾覆弯矩并非线性增大，层间位移角约为弹性层间位移角限值的2.4～2.5倍，符合《抗规》中“需一般修理，采取安全措施后适当使用”的性能目标，结构处于轻微破坏-中等破坏之间。

4 罕遇地震作用下弹塑性分析结果

选取满足规范“在统计意义上相符”规定的3条地震波（1条人工波、2条天然波），采用SAUSAGE软件对结构进行了大震下的弹塑性时程分析。

《高规》3.11.2将结构的抗震性能分为5个水准，对应的构件损坏程度则分别为“无损坏、轻微损坏、轻度损坏、中度损坏、比较严重损坏”5个级别，与SAUSAGE中构件的损坏评定标准对应关系如表5所示，dc、dt分别为混凝土受压、受拉损伤程度。ξ0（εp/εy）即钢筋塑性应变水平，为钢筋当前应变与屈服应变比值；ξp为钢筋塑性应变值［8］。

表5 性能评价标准

4.1 层剪力和倾覆弯矩

大震弹塑性及小震弹性时程分析结果比较见表6，3条地震波的基底包络地震剪力约为多遇地震弹性时程计算结果的3.5倍，属于合理范围，说明结构具有较好的延性。

表6 基底剪力结果比较 kN

4.2 层间位移角

层间位移角结果如表7所示，3条地震波的层间位移角包络值不超过规范规定1/100。

表7 各地震波最大弹塑性层间位移角

4.3 核心筒剪力墙抗震性能评价

混凝土受压损伤和钢筋塑性应变水平图如图4～图6所示，文中仅摘录部分结果。

图4 底部加强区墙体受压损伤云图

图5 底部加强区墙体钢筋塑性应变水平（X为主方向）

图6 底部加强区墙体性能水平

由图4可知，塔楼底部墙体混凝土受压较大，大部分混凝土受压损伤因子在0.2以内，个别核心筒角部、短墙肢边缘处混凝土受压损伤因子较大，达到0.6左右，但仍未失去承载能力，不会出现混凝土剥落甚至压溃等严重现象。

由图5可知，底部水平钢筋塑性应变水平较小，大部分处于0.33以内，部分达到0.6左右，水平钢筋未进入塑性状态；底部竖向钢筋塑性应变水平基本在0.7以内，部分核心筒角部或短墙肢边缘处竖向钢筋塑性应变水平较大，但不超过1，竖向钢筋未进入塑性状态。说明底部加强区核心筒抗弯和受剪均未屈服。

由图6可知，底部加强区墙体大部分处于轻度损坏。验证了底部加强区核心筒墙体满足性能目标要求。

施工图设计时，针对损伤因子较大处及钢筋塑性应变值较大处，将通过控制剪力墙轴压比、加强约束边缘构件配筋、增加型钢或钢板等措施，更好得控制剪力墙抗弯、抗剪不屈服。

4.4 型钢混凝土柱抗震性能评价

由图7可知，底部框架柱混凝土受压较大，最大损伤因子约为0.14，但未失去承载能力，不会出现混凝土剥落甚至压溃等严重现象。

图7 混凝土柱受压损伤云图（X为主方向）

由图8可知，底部框架柱混凝土受拉较大，主要集中在四个角部区域，最大损伤因子约为0.91，混凝土发生轻微开裂。在施工图设计时，针对受拉损伤因子较大的框架柱，将加大其型钢及配筋，从而控制其混凝土开裂程度。

图8 底部加强区混凝土柱受拉损伤云图（X为主方向）

由图9可知，底部框架柱钢筋塑性应变值在0.6以内，钢筋均处于弹性状态，说明底部加强区框架柱抗弯及抗剪均未屈服。

图9 底部加强区框架柱钢筋塑性应变水平（X为主方向）

由图10可知，底部加强区框架柱基本处于无损坏、轻微损坏，满足性能目标要求。

图10 底部加强区框架柱性能水平

4.5 伸臂桁架及环带桁架抗震性能评价

伸臂桁架及环带桁架抗震性能水平如图11～图13所示。伸臂桁架腹杆基本处于轻度损坏，弦杆大部分进入中度破坏，少部分处于轻度破坏。环带桁架腹杆基本处于无损坏状态，弦杆大部分进入轻度破坏。满足性能目标要求。

图11 伸臂桁架性能水平

图12 28层环带桁架性能水平

图13 37层环带桁架性能水平

5 结语

综上分析结果表明：

（1） 多遇地震作用下，结构能保持弹性，各项指标均满足规范要求。底部个别楼层的X向剪力系数略低于规范要求，施工图设计时按规范要求进行调整。

（2） 设防地震作用下，层间位移角约为弹性层间位移角限值的2.4～2.5倍，符合《抗规》中“需一般修理，采取安全措施后适当使用”的性能目标，结构处于轻微破坏-中等破坏之间。

（3） 在罕遇地震作用下，基底剪力约为小震弹性时程作用下的3.5～4.0倍左右，结构具有较好的延性。结构、构件满足性能目标要求。

（4） 对于超高层结构，结构延性尤为重要，为使结构满足“小震完好，中震中度破坏，大震比较严重破坏”“小震弹性，中震可修，大震不倒”的抗震设防目标，合理的抗震性能化分析有助于发现结构的薄弱环节，验证所选结构体系的合理性，为施工图阶段提供设计依据，找出结构薄弱环节，从而有针对性地对结构进行加强。