广州某商业综合体2#楼结构性能化设计与分析

俞木强

广州瑞华建筑设计院有限公司 广东 广州 510000

1 工程概况

某项目位于项目位于广州市黄埔区开创大道，总建筑面积68926m2，由地下室、三栋塔楼（带商业裙房）组成。地上总建筑面积48764m2，地下室建筑面积20162m2。裙房为2层商业，框架剪力墙结构，高度为13.40m；西1塔楼为19层办公楼，框架剪力墙结构，高度为93.60m；西2塔楼为13层办公楼，框架剪力墙结构，高度为66.60m；西3塔楼为8层办公楼，框架剪力墙结构，高度为44.10m。地下室共两层[1]，底板面标高约为-10.70～-11.30m之间。本次超限设计的楼栋为西二栋，图1即为方案效果图。

图1 方案效果图

本项目的设计基准期为50年，安全等级为二级。塔楼的抗震设防类别为丙类，商业裙房的震设防类别为乙类。本场地类别为二类，抗震设防烈度为7度，C类场地，基本风压为0.5KN/m2，承载力设计时考虑1.1的放大系数，同时取10年一遇基本风压0.30KN/m2进行舒适度验算。

由详细地质勘察报告分析得出，本项目塔楼采用灌注桩，桩径为800mm～1600mm。以中风化花岗岩作为持力层，桩身混凝土采用C40，桩端进入持力层约为0.5m。

2 结构体系及结构布置方案

2.1 结构体系及结构布置

西2栋为13层办公楼，框架-剪力墙结构，高度约为66.85m。该项目地下室层数为2层，因地下室顶板存在大开洞，并通过初步计算得出地下一层与首层的侧向刚度比2.1874（X向），1.7018（Y向），不满足规范对嵌固端的要求，故西2栋的嵌固端取在基础面。

底部裙楼部分东西向长度约247m，地下室每隔50m左右设后浇带，未设伸缩缝；依据建筑功能以及结构分缝后规则性，地上三栋塔楼间设置两道防震缝，西1、西2塔楼间缝宽250mm，西2、西3塔楼间缝宽150mm。

图2 结构分缝示意图

2.2 结构超限情况及性能目标

根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》(建质[2015] 67号)，结合结构平面及软件分析数据，西2栋存在平面扭转不规则、尺寸突变、楼板不连续、局部不规则等不规则类型，属于超限结构[2]。

本项目为商业办公类项目，属于体型特别不规则高层建筑，综合考虑抗震设防类别、设防烈度、场地条件、结构特殊性、建造费用、震后损失和修复难易程度等因素，选用《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3-2010）规定的抗震性能目标“C”,即抗震性能水准为1、3、4（小震、中震、大震）。

3 性能化分析

3.1 小震弹性分析

采用YJK和ETABS分别计算分析，计算时考虑偶然偏心地震作用、扭转耦合、双向地震作用及施工模拟。计算完成后通过对比得知，两个程序的周期相差约2.9%，结构总质量相差约1.001%，塔楼基底剪力相差约1.03%，符合结构分析的要求。

根据《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010的要求，该单体应采用时程分析方法进行小震下的补充验算。计算时采用了5组天然波及2组人工波。7条地震波得出楼层剪力平均值曲线与CQC得出的剪力曲线基本一致，在施工图阶段对塔楼按规范反应谱得出的地震力进行放大，X向调整系数最大值为1.155 ，Y向调整系数最大值为1.130。

3.2 中震等效弹性分析

采用YJK进行中震等效弹性计算，采用材料强度标准值进行正截面计算，采用材料强度设计值进行斜截面计算，计算参数不考虑承载力和地震内力的调整，地震影响系数最大值调整为0.23，得出结构的数据，首层的基底剪力之比，X向为2.50，Y向为2.30，地震作用量级基本合理。根据程序分析的结果，可保证剪力墙和框架柱抗弯不屈服，抗剪弹性；转换梁和转换柱抗弯弹性，抗剪弹性；剪力墙连梁和框架梁抗剪不屈服的性能目标。水平地震下剪力墙全截面名义拉应力σ不宜大于2.0ftk，读取YJK偏拉验算结果，全楼剪力墙拉应力σ均小于2.0ftk，能够满足要求。当剪力墙出现小偏拉时，墙肢的抗震构造措施提高一级，约束边缘构件纵向配筋率不小于1.4%，配箍特征值增大20%，墙身水平和竖向分布钢筋的配筋率不小于0.6%[3]。

3.3 大震等效弹性分析

结构计算时材料强度取标准值，等效弹性分析时不考虑地震内力和承载力调整，阻尼比取0.07，地震影响系数最大值取0.5，经程序计算分析得出结构指标如表1所示。

表1 大震基底剪力、大震基底剪力/小震基底剪力和层间位移角

大震作用下等效弹性计算得出的底部剪力约为小震作用的5.1～5.48倍，表明计算结果合理，最大层间位移角1/166＜1/125，满足规范的要求。

4 大震动力弹塑性分析

4.1 材料本构

混凝土材料模型采用弹塑性损伤模型，可考虑材料拉压强度的差异、刚度强度的退化和拉压循环的刚度恢复，其轴心抗压和轴心抗拉强度标准值按《混凝土结构设计规范GB50010-2010》附录C 表采用。

钢材的动力硬化模型采用双线性动力硬化模型，在循环过程中，无刚度退化，考虑包辛格效应。

4.2 分析假定

该单体采用拟模态阻尼体系，并考虑各阶模态阻尼比为5%。采用这一阻尼体系，对阻尼的考虑，不会像瑞雷阻尼一样对结构阻尼考虑得过大，也不会如α阻尼体系考虑得不足。

非线性分析采用两个阶段进行，第一步=逐层加载施工模拟i，第二步= 第一步+地震荷载。

动力时程分析考虑P-Delta效应。分析模型采用弹塑性楼板，其中楼板与墙元均采用最大1.5m×1.5m网格。

4.3 模型基本特性及地震动时程输入

采用SAUSAGE进行动力弹塑性时程分析，对三组大震地震记录（2组天然波，1组人工波）分析，模型中分别按水平双向地面加速度时程的方式计算。输入地震动参数时，分别按100%和85%幅值计入主次方向。地震动幅值根据《高规》第4.3.5条选取，时程分析时输入地震加速度最大值为220cm/s2。为方便统计， 呈现3个时程工况如图3所示。

经对比结构弹性模型与弹塑性模型的计算结果指标，显示结构前6阶的周期较为接近，前者质量为40503t，后者质量为40712t（包含钢筋质量），两者质量相差0.6%，表明计算模型合理可用。

图3 地震记录的加速度时程

4.4 动力弹塑性时程响应

大震弹塑性时程分析

大震弹塑性时程分析一般可分为构件层面和整体宏观层面，西2栋大震弹塑性与大震弹性底部剪力的比值介于40.83%～80.21%之间，弹塑性基底剪力约为弹性结果的70.44%（X向）和80.21%（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。

两个方向最不利工况下楼层层间位移角分别为1/169（X）和1/173（Y），均满足1/125的限值要求[4]。

结构在3条地震波时程分析下的塑性损伤分布情况基本类似，选取最不利工况分析结构在罕遇地震下弹塑性时程分析的性能水准，其应力情况如图4所示。

由分析结果可知，剪力墙受压损坏主要集中在连梁。核心筒底部加强区剪力墙在首二层出现轻度损坏，其余为轻微损坏，其余楼层墙肢基本处于无损坏或轻微损坏， 满足性能水准要求。

图4 剪力墙（连梁）、框架柱、框架梁性能水准

大部分框架柱轻微损坏，部分轻度损坏，个别普通框架柱中度损坏。

框架梁混凝土部分最大受压损伤系数达到0.77，部分的框架梁发生中度损坏，个别梁重度损坏，可以有效的耗散地震能量。

综上所述，本子项可满足预设的抗震性能目标。

5 加强措施

5.1 针对剪力墙、框架柱

提高底部加强区及裙楼上两层范围剪力墙及框架柱配筋率，墙身水平和竖向配筋率均提高至0.6%、约束边缘构件的设置范围为底部加强区及其上一层，框架柱纵筋配筋率不小于1.6%。裙楼屋面上、下两层的柱子箍筋全高加密，加密区间距不大于100mm。塔楼周边框架柱的抗震等级在裙楼顶板上、下两层均提高至特一级。

5.2 针对穿层柱

通过MIDAS Gen软件对整体分析模型进行屈曲分析，以考察该结构的稳定性。经分析，柱临界轴力(屈曲时最小荷载)与实际承载受力之比为49.53，表明在竖向荷载作用下，该部分穿层柱可满足结构的受力要求，安全可靠。

5.3 针对转换梁

部分大跨度的转换梁采用型钢混凝土梁，对型钢混凝土梁采用MIDAS进行有限元分析，评价型钢混凝土梁在抗弯、抗剪、抗扭复杂应力状态下是否满足小震、中震、大震承载力要求。相关规范并未给出抗扭配筋的计算公式，采用有限元分析指导扭剪截面的配筋，以指导施工图设计[5]。

5.4 针对楼板

根据结构平面和楼板应力分析结果，对薄弱部位和重点部位楼板的厚度及配筋进行适当加强。裙楼屋面板厚加强至不小于150mm，裙楼屋面上下层板厚适当加厚至不小于120mm，核心通周边楼板加强至不小于150mm，楼板钢筋按不小于0.25%配筋率双层双向设置。

6 结论

本项目属于高层商业综合体超限建筑，结构采用框架剪力墙体系，结构设计通过采用不同软件进行对比分析，得出计算模型的结果合理可靠，并通过大震弹塑性分析结果找出结构薄弱部位，有针对性地采取多项抗震加强措施，保证了结构的承载力和一定的延性。经分析得出，计算结果可靠、合理，可为施工图设计提供有效指导，实现预设的抗震性能目标。