绿地中央广场T2塔楼超限高层结构抗震设计综述

刘明

摘要：本文基于工程实例，对超限高层建筑结构的抗震设计与分析方法进行探讨，采用基于性能的抗震设计方法对结构进行设计。通过两种计算软件对结构进行小震弹性设计和中震性能设计，最后对结构进行罕遇地震下的静力弹塑性分析，研究结构的薄弱环节和大震下屈服变形情况。

关键词：高层建筑超限；抗震性能设计；静力弹塑性

一、工程概况

本工程由三栋高层塔楼及相应的裙楼、地下室组成。1#塔楼主要用作办公，地上共24层，总高108m，标准层层高4.2m。2#塔楼主要用作酒店，地上共50层，总高198m，标准层层高分别为3.6m、4.2m。3#塔楼主要用作办公，地上共33层，总高148m，标准层层高4.2m。裙楼，地上共4层，总高23.6m；地下室共4层，建筑底板标高约为-17.6m。

该工程建筑结构安全等级为二级，建筑抗震设防类别为丙类，工程抗震设防烈度为6度（0.05g），III类场地，设计地震分组为第三组，根据安评报告，场地特征周期为0.4s，多遇地震影响系数为0.063，基本风压为0.50kN/m2（采用100年重现期取值），地面粗糙度为B类。

本文主要介绍T2塔楼的结构设计，其中主要包括小震弹性分析，中震弹性及中震不屈服分析，以及大震下的推覆分析。

二、结构体系

（一）结构形式

本项目T2塔楼地上50层，建筑高度200.15米（结构主屋顶高度198米），属于B级高度的超限结构。塔楼采用由中央核心筒和外围框架组成的框架-核心筒结构抗侧力体系，典型平面布置见图2.1，整体模型见图2.2。核心筒是比较有效的抗震、抗风的抗侧力体系，而外框架不仅能提供抗侧力作用，同时能够配合建筑复杂立面的要求。核心筒材料采用钢筋混凝土，外框架柱在底部采用型鋼混凝土柱，上部钢筋混凝土柱，外围梁采用钢筋混凝土梁，楼面为钢筋混凝土梁板体系。

楼面采用混凝土梁板体系，外框架梁沿径向搭到中部核心筒上，典型梁跨度为10.2米左右。

（二）主要超限内容

本工程主要超限内容有：

1.高度为198m，超过《高规》规定的A级建筑最大适用高度；

2.扭转不规则，考虑偶然偏心的扭转位移比大于1.2；

3.楼板不连续，有效宽度小于50%，开洞面积大于30%；

4.其他不规则；局部的穿层柱、斜柱。

（三）结构抗震设计的预期目标

由于该结构属于抗震设防超限高层建筑，设计时采用了基于性能的抗震设计方法。设定的抗震设计的预期性能目标见表2.1，结构抗震性能目标整体达到《抗规》性能3的要求。

三、结构整体弹性分析计算

（一）结构的模态分析

建立了SATWE模型对结构整体进行了分析计算，并建立了ETABS模型进行对比分析，经过软件分析，得到结构周期的计算结果如表3.1所示。

（二）振型分解反应谱法和弹性时程分析

整体弹性分析主要采用SATWE和ETABS两个不同力学模型的程序进行比较计算。小震作用下根据振型分解反应谱法计算得到的弹性分析结果如下表。

按照《建筑抗震设计规范》的要求，弹性时程分析采用2条天然波和1条人工波进行多遇双向地震分析，并与反应谱分析进行对比，进一步验证弹性分析结果的正确性、及结构安全、可行性。在小震作用下，根据安全评估报告给出的三条地震波进行弹性时程分析，其中一条人工波，两条天然波，三条波的峰值加速度取值均为25cm/s2。

从以上的计算分析，可以得出以下结论：

1.ETABS及SATWE两种软件分析的各项指标基本一致，表明使用的软件是可行的，模型的计算结果是可信的

2.时程分析结果表明，每条时程曲线计算所得结构底部剪力不小于振型分解反应谱法计算结果的65%，多条时程曲线计算的结构底部剪力的平均值不小于振型分解反应谱法计算结果的80%。从而说明时程波选取是合适、满足规范的。

5.按反应谱计算时，结构X、Y向的最大层间位移角分别为1/1916和1/1106，小于规范框筒结构最大层间位移角1/800的要求。小震作用下，结构满足规范要求。

4.结构X向、Y向的最大位移比分别为1.16和1.21，满足规范要求。

5.各种计算结果表明，Y向结构刚度相差较小，在该方向上风力作用与地震作用相当，是结构整体指标的控制因素。

6.从线弹性分析结果来看，结构具有合适的刚度，满足规范各种指标的控制要求。两种计算软件分析结果，两种程序的反应谱分析结果之间具有一致性和规律性，符合工程经验及力学概念所做的判断，结构是合理的，计算结果均满足现行国家规范及规程的要求。

四、中震弹性分析和中震不屈服分析计算

中震弹性即结构在中震作用下，结构承载力满足弹性设计要求，计算时不考虑地震内力调整，采用与小震时相同的作用分项系数、材料分项系数和抗震承载力调整系数，不考虑风荷载作用。中震不屈服、不屈曲即结构在中震作用下，结构承载力满足不屈服、不屈曲设计要求，计算时不考虑地震组合内力调整，荷载作用分项系数取1.0，材料强度取标准值，抗震承载力调整系数取1.0，不考虑风荷载作用。

根据设定的抗震设计性能的预期目标， 不同构件需按不同抗震性能水准复核承载力， 除进行多遇地震弹性分析外， 部分构件尚需进行中震弹性、中震不屈服设计和验算。经复核验算， 相应的构件满足其设定的预期性能目标。

剪力墙在中震作用下抗剪弹性及抗弯不屈服验算：

底部加强区剪力墙满足V/Vu≤1.0时，剪力墙在中震作用下保持抗剪弹性；非加强区剪力墙满足V/Vuk≤1.0时，剪力墙在中震作用下保持抗剪不屈服。endprint

压弯破坏判别：剪力墙在中震作用下的P-M-M包络线应小于所对应的截面承载力包络图Pu-Mu1-Mu2。如下式：

（P-M-M）/（ Pu-Mu1-Mu2）≤1.0

剪力墙在中震作用下抗剪弹性及不屈服验算如下表：

计算结果表明，加强区剪力墙在中震作用下满足抗剪弹性的要求，非加强区剪力墙在中震作用下满足抗剪不屈服的要求。

剪力墙在中震作用下抗弯不屈服验算如图所示，计算结果表明，剪力墙在中震作用下能满足抗弯不屈服的要求。

中震作用下剪力墙N-M曲线图如下：

通过中震分析和判断可以得出结论：

加强区剪力墙抗剪满足弹性要求，其余剪力墙满足中震抗剪不屈服要求，加强区和非加强区剪力墙均满足中震抗弯不屈服的要求。

五、静力弹塑性分析

（一）单元模型和分析方法

本工程中对X ， Y 两个方向分别进行了Pushover 分析。注意到结构分别沿X 向、Y 向的第一、二振型的振型参与质量成分很大，而且结构沿竖向分布均匀，因此，在进行Pushover 分析时，采用层剪力加载方式进行侧推，同时进行水平目标位移控制的位移控制法。

（二）分析結果

静力弹塑性分析反映塑性铰的开展情况，对于大震下的构件验算是个很好的参考和补充。在大震性能点步骤下，两个方向的弹塑性层间位移角均小于规范要求限值1/100，说明结构具有足够变形能力储备和内力重分布的能力，而不至于被破坏到临界倒塌极限状态。因此，结构整体抗震性能满足大震不倒塌的抗震性能目标，故可判断为结构“大震不倒”。

塔楼在罕遇地震作用下，在性能点处层间位移角如表5.2所示。

大震下，部分连梁开裂，出现塑性铰；框架梁在两个方向出现少量塑性铰；柱和墙体没有出现塑性铰。在施工图阶段有针对性的对出铰部位进行加强。通过结构在大震下的变形和塑性铰出现位置及发展状态，可以确定设计是安全的。

六、结语

该工程属于超限高层结构，框架-核心筒结构是一种很好的抗侧力构件体系，设计中采用了基于性能的抗震设计方法，通过对超高层进行弹性、弹塑性分析，实现了预期的性能目标和规范要求，并且对重要构件作了适当加强， 对受力复杂的部位进行了补充验算分析，实现了“小震不坏，中震可修，大震不倒”的设计思想。

参考文献

[1]. 徐培福， 傅学怡， 王翠坤， 等. 复杂高层建筑结构设计[M] . 北京：中国建筑工业出版社， 2005.

[2]. 吕西林，超限高层建筑工程抗震设计指南（第2版），上海：同济大学出版社2009endprint