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摘要：星汇海珠湾项目B4塔楼采用剪力墙结构体系，为平面不规则的B级高度建筑。运用结构设计概念，在设计中采用了基于性能的抗震设计方法，利用承载力与变形验证不同水准下结构的抗震性能，包括小震弹性计算，中震等效弹性设计，以及罕遇地震下的弹塑性分析。提出了相应的超限设计措施，使结构实现预定的性能目标。
关键词：超限高层；平面不规则；抗震性能化设计
1 工程概况
星汇海珠湾项目地块位广州市海珠区西部，其中323地块包括B1~B4四幢超高层塔楼，均带一层商业裙房，各栋通过在裙房设防震缝断开连接。其中B4塔楼为134.7m高的27层商业配套服务用房，首层~2层为架空层，3~27层为5米高的标准层（其中10,20层为3.6米高的避难层）；设3层地下室，底板标高-12.500m，地下室为停车库和设备用房，塔楼建筑面积22454m2。
图1 B4塔楼项目效果图
本工程结构设计使用年限为50年，建筑结构安全等级为二级；抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.1g，地震动力反应谱特征周期0.35s，设计地震分组为第一组，抗震设防分类为丙类。控制结构水平位移的基本风压按50年重现期的风压Wo=0.50KN/m2，承载力设计时按基本风压的1.1倍。地面粗糙度类别为C类，体型系数取1.4。
2结构体系及基础
B4塔楼总高度为134.7m，平面为41.60×25.4m，高宽比为5.3（Y向），采用剪力墙结构体系，以地下室底板为设计嵌固端。B4标准层结构布置如图2所示。
图 2 标准层平面图
由于结构高度较高，结构抗侧刚度要求较高，结构方案布置时尽量利用建筑条件如核心筒、电梯、楼梯间处设置剪力墙以提供较大的抗侧刚度；同时为保证合理的抗扭刚度，沿建筑周边有条件的地方尽量布置剪力墙及设尽可能高的框架梁，同时由于建筑平面为角部重叠导致平面不规则，在地震作用下容易在重叠处造成应力集中，因此在核心筒外围均布置剪力墙形成筒体。同时由于裙房架空层高度较大，为了减少楼层刚度、抗剪承载力突变以及剪力墙稳定性计算需要，底部剪力墙墙厚加厚至400mm，其它层剪力墙厚度沿高度逐渐减少至200mm。竖向构件的混凝土强度等级逐步变化，塔楼8层以下剪力墙混凝土为C60，8层以上均匀过渡到C30。楼盖采用现浇钢筋混凝土梁板体系,核心筒板厚150mm，其他板厚110 mm，混凝土强度等级为C30。塔楼基础采用独立基础，筏板持力层为微风化泥质粉砂岩。
3 结构分析
B4塔楼主要超限情况为：1.塔楼为剪力墙结构，主体高度为134.7m，根据规范[1]规定属于B级高度建筑；2.根据YJK计算结果，平面扭转位移比最大值为1.33，按照规范[1]规定属于I类平面扭转不规则; 3.建筑平面属于角部重叠，平面不规则。针对以上超限及不规则情况，结构分析设计中采用了基于性能目标的抗震设计方法，利用承载力与变形采用不同软件验证不同水准下结构的抗震性能，包括小震弹性计算，中震等效弹性计算，以及罕遇地震下的弹塑性分析。根据工程结构的特点，选定结构性能目标为C级，构件各阶段抗震性能目标见表1。
3.1 小震作用下的弹性分析
小震下的结构整体分析采用SATWE[2]和YJK[3]软件进行静力弹性计算。在两个软件中均设置一致的分析参数，结构计算考虑偶然偏心地震作用、扭转偶联及施工模拟以及补充45°以及135°不利方向的结构抗震验算，考察结构整体指标时采用刚性楼板假定，结构构件的抗震等级和梁、柱、板等参数均严格按照规范规定设置。结构整体分析主要结果见表2。
小震弹性计算分析表明：两个软件的计算结果基本接近，表明计算模型是基本准确的，结果是合理和有效的，可以作为设计依据。基底剪重比按照规范[1]的方法调整，即当计算结果不满足时，直接放大地震剪力以提高结构的抗震承载力，结构整体刚度按层间位移角限值控制。楼层侧向刚度比及受剪承载力均满足规范要求。刚重比大于1.4，满足规范[1]第5.4.4条的强制性要求，但刚重比均小于2.7，需考虑重力二阶效应。
3.3中震性能分析
根据规范[1]第3.11.3条的规定，对中震的第3性能水准采用等效弹性方法计算，按规范[1]第3.11.3条第3款规定，控制各类构件在中震下的受弯及受剪承载力满足第3水准的要求。采用YJK软件计算，中震分析的地震动参数按规范取值：αmax =0.23，Tg=0.35s ；结构中震整体计算主要参数详下表：
注：未注明计算参数与小震相同，不考虑跟抗震等级有关的调整系数，材料强度采用标准值
中震等效弹性计算结果表明[4]，较少部分楼层个别的连梁及框架梁出现超筋情况，关键构件、一般竖向构件均可控制弯剪不超筋，竖向构件受剪截面均不超限，取竖向构件的中震验算结果与小震弹性计算结果的大值进行设计，即可满足中震达到第3性能水准的要求。
3.4 楼板应力分析
B4楼平面角部重叠，为满足抗震性能目标要求，确保地震作用下楼板能可靠传递水平力，采用YJK进行中震作用下弹性楼板应力分析，有限元分析结果表明各层楼板应力在开洞处以及剪力墙的凸角部位会有应力集中现象。实际的配筋过程中，针对该区域楼板配筋作加强。取结构第三层的楼板做应力分析，板厚110mm(核心筒150mm)，混凝土等级C30,应力分析结果可知[4]，中震作用下正应力基本小于混凝土强度标准值，局部正应力大于混凝土强度标准值处可通过钢筋受拉满足楼板中震抗弯不屈服要求，剪应力远小于凝土强度标准值的0.7倍，楼板可满足中震抗剪弹性要求。
3.4大震分析
3.4.1. 罕遇地震作用下的等效弹性分析
根据规范[1]第3.11.3条规定，第3、4、5性能水准的结构宜以大震弹性地震力控制竖向构件以及关键构件的受剪截面，以保证不发生剪切破坏。本工程大震下的性能目标定为第4性能水准，采用YJK，依据规范[1]第3.11.3条的相关公式进行竖向构件以及关键构件弹性大震下的受剪截面验算。等效弹性计算时，结构大震整体计算主要参数详下表:
注：未注明计算参数与小震相同，不考虑跟抗震等级有关的调整系数，材料强度采用标准值
大震等效弹性计算结果[4]表明在大震作用下剪力墙的竖向构件以及关键构件均能满足规范要求。
3.4.2罕遇地震作用下的弹塑性分析
对于大震下结构的弹塑性计算，按规范[1]第3.11.4条的相关规定，对高度不超过300m的超高层建筑，如结构较规则，且基本振型的质量参与系数不小于50％的结构可采用静力弹塑性方法。本工程高度为134.7米，且结构较规则，因此采用静力弹塑性分析。弹塑性的目的为对结构整体进行性能评估，考察结构的最大弹塑性层间位移角是否满足规范要求，采用PKPM进行弹塑性静力分析结果[4]表明，在静力推覆过程中，首次出现塑性铰的部位为连梁，剪力墙出现塑性铰集中在底部加强区域的楼层，随着加载步数的增加，从下往上递增，同时单片剪力墙出现塑性铰的单元数也逐渐增加，加载至性能点的加载步数时，墙柱上均未出现整体破坏，由图3以及图4结构大震性能点处各构件的塑性发展状况图可知，剪力墙塑性破坏相对较为集中的楼层为底部加强区楼层。结构整体推覆过程分析结果表明连梁起到了很好的耗能作用，剪力墙的底部加强区墙柱受力较大，损伤较为集中，在施工图中对底部加强区的墙身配筋率以及边缘构件的纵筋配筋率以及配箍率均作加强处理。性能点对应的最大层间位移角：X向为1/130，Y向为1/196，均满足小于1/120的预设目标，说明结构具有较大的
承载力及较好的延性，能够满足“大震不倒”的抗震设计目标。
图3 X方向大震性能点处 图3 Y方向大震性能点处
各构件的塑性发展状况 各构件的塑性发展状况
4 结语
综上所述，本工程着重概念设计，结构体系选择恰当，结构布置、构件截面取值合理，结构位移符合规范要求，剪重比适中，结构具有良好的耗能机制，针对超出规范限值的情况已按规范要求做出相应的补充分析和加强构造处理，能满足现行规范的“小震不坏，中震可修、大震不倒”的抗震设防要求。
参考文献
[1] 广东省标准<高层建筑混凝土结构技术规程>(DBJ15-92-2013).中国建筑工业出版社，2013.
[2] 中国建筑科学研究院PKPM CAD工程部 SATWE用户手册及技术条件S-3（2010版）.
[3] 北京盈建科软件股份有限公司 结构计算软件YJK-A 用户手册及技术条件 2015.
[4] 广州城建开发设计院有限公司.星汇海珠湾项目(AH050323)（B1~B4超限设计的可行性论证报告) 2016.
论文作者:李龙辉
论文发表刊物:《基层建设》2017年第12期
论文发表时间:2017/8/8
标签：结构论文; 塑性论文; 构件论文; 性能论文; 弹性论文; 塔楼论文; 楼板论文; 《基层建设》2017年第12期论文;