科技大廈超限結(jié)構(gòu)設計分析

序言：作為思想的載體和知識的探索者，寫作是一種獨特的藝術(shù)，我們?yōu)槟鷾蕚淞瞬煌L格的1篇科技大廈超限結(jié)構(gòu)設計分析，期待它們能激發(fā)您的靈感。

摘要：深圳前海恒昌科技大廈為超高層辦公樓，運用PKPM和MIDASBUILDING兩種軟件計算分析，結(jié)構(gòu)吻合良好。通過MIDAS程序進行罕遇地震作用下的動力彈性整體分析，并對薄弱部位（穿層柱等）進行專項分析，探究結(jié)構(gòu)的整體抗震受力性能。大震作用下的最大層間位移角小于1/120，各類構(gòu)件均達到預設的性能目標，結(jié)構(gòu)滿足“大震不倒”的設計要求。

關鍵詞：抗震性能目標;動力彈塑性;結(jié)構(gòu)抗震措施;

當前國內(nèi)土木工程事業(yè)飛速發(fā)展，越來越多大型公共建筑拔地而起，為了滿足功能與外觀需求，建筑師常常引入新元素、新技術(shù)、新工藝。在此背景下產(chǎn)生了較多的超限結(jié)構(gòu)，此類新型建筑設計需要結(jié)構(gòu)工程師突破原有規(guī)程，采用新的結(jié)構(gòu)形式，并不斷地完善設計理論、積累經(jīng)驗，為設計提供依據(jù)。吳國勤[1]針對多項不規(guī)則引起的超限問題進行研究指出，在抗震性能化設計時，根據(jù)JGJ3-2010標準，將結(jié)構(gòu)的抗震性能目標分為四個等級，結(jié)構(gòu)抗震性能分為五個水準，每個性能目標均與一組抗震性能水準相對應。譚偉[2]針對超長混凝土結(jié)構(gòu)溫度應力問題進行研究，主張創(chuàng)建有限元模型，合理計算溫差，由此得到準確可靠的溫度應力。本文通過對實際工程案例，分析了超限結(jié)構(gòu)的各種規(guī)范要求，提出了超限工程通過結(jié)構(gòu)動力彈塑性分析，證實結(jié)構(gòu)體系抗震安全性的方法。

1工程概況

恒昌科技大廈位于廣東省深圳市前海深港現(xiàn)代服務業(yè)合作區(qū)，包含東區(qū)和西棟140m的超高層，總建筑面積20萬m2。東區(qū)主要使用功能為辦公和酒店和商業(yè)，西區(qū)主要使用功能為辦公。由于建筑高度超過了A級高度，根據(jù)相關文件需要進行超限分析。東區(qū)和西區(qū)的結(jié)構(gòu)高度和平面布置均相近，本文以西區(qū)為例，介紹其結(jié)構(gòu)超限設計。

西區(qū)超高層辦公樓建筑平面為矩形，平面尺寸約為34m×55m，結(jié)構(gòu)主屋面標高為141.0m，高寬比為4.08，長寬比為1.60；核心筒高寬比為12.70，長寬比為3.37。帶八層裙房，裙房使用功能為辦公，塔樓與裙房之間不設結(jié)構(gòu)縫。首層層高6.0m,2～31層層高4.5m。標準層結(jié)構(gòu)體系為框架-核心筒結(jié)構(gòu)。

按《建筑抗震設防分類標準》（GB50223-2008），本項目抗震設防的級別為丙類，地面的粗糙程度為B類，工程抗震設防烈度為7度，并要保證基礎的地震加速為0.10g，其設計分組為第一組，案例的施工場地為Ⅲ類，所具備的特征周期是0.45s。除此之外，基本的風壓值是0.75，承載力計算時取基本風壓的1.1倍。

2結(jié)構(gòu)超限判別與應對措施

本工程的超限情況依照《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術(shù)要點》和《廣東省超限高層建筑工程抗震設防專項審查實施細則》進行判定，本項目建筑高度為141.0m，超A級高度不超過B級高度，屬于高度超限；本工程還存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則（考慮偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比大于1.26>1.2）、由于裙房與塔樓未分縫，收進部分大于25%，尺寸屬于突變、局部不規(guī)則（底部大堂穿層柱、局部轉(zhuǎn)換柱），結(jié)構(gòu)存在3項體型不規(guī)則項，屬于體型特別不規(guī)則結(jié)構(gòu)，但不屬于特殊類型高層建筑及超限大跨空間結(jié)構(gòu)。

且針對上述超限項，結(jié)構(gòu)采取加強措施，具體如下：

(1）結(jié)構(gòu)布置期間，抗測力構(gòu)件分布均勻，使結(jié)構(gòu)剛心與質(zhì)心盡可能相同，使結(jié)構(gòu)整體剛度需求得到滿足；

(2）加強穿層柱、轉(zhuǎn)換柱根部的雙向約束；

(3）對各層樓面按照彈性板進行細化的有限元分析，確保中震作用下樓板不出現(xiàn)貫通性裂縫；

(4）在體型收進的裙房層，對墻柱進行箍筋全高加密，樓板配筋加強的措施，保證水平力作用下的應力傳遞。

3抗震性能目標

根據(jù)本工程的超限情況、結(jié)構(gòu)特點和經(jīng)濟性的要求，根據(jù)《高規(guī)》對抗震性能目標的劃分，本工程建筑抗震性能目標定為C級，即小震滿足性能水準1、中震滿足性能水準3、大震滿足性能水準4。

4多遇地震結(jié)果分析

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》5.1.12條“體型復雜、結(jié)構(gòu)布置復雜以及B級高度高層建筑結(jié)構(gòu)，應采用至少兩個不同力學模型的結(jié)構(gòu)分析軟件進行整體計算。”采用PKPM、MIDASBUILDING進行小震彈性對比計算。

兩種軟件的質(zhì)量相近，表明結(jié)構(gòu)導荷正常，模型計算正確。

兩種軟件的周期相近，且在合理范圍，通過將第一平動自振周期與扭轉(zhuǎn)自振周期的對比，最終發(fā)現(xiàn)結(jié)果不超過0.85，因此可以斷定，該結(jié)構(gòu)具備較好的扭轉(zhuǎn)剛度性能。

兩種軟件的風荷載以及地震作用條件層間位移角幾乎相等，并且能夠滿足相關抗震結(jié)構(gòu)設計規(guī)范，表明模型中的結(jié)構(gòu)剛度是一致的、準確的。

同時在風荷載以及地震的雙重作用下，建筑結(jié)構(gòu)基地的彎矩與剪力值極為接近，并且在規(guī)定的范圍內(nèi)，表明結(jié)構(gòu)施加地震力與風荷載正確。

兩種軟件計算的剛度與剛度比相近，各層側(cè)移剛度與上層比值均大于0.9，滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》3.5.2要求，表明本塔樓各層剛度均勻。

兩種軟件計算的抗剪承載力相近，各樓層X、Y向的樓層抗剪承載力之比均大于0.75，滿足規(guī)范對樓層抗剪承載力要求，表明本塔樓不存在抗剪承載力突變。

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第4.3.4條規(guī)定，本工程應采用彈性時程分析方法進行多遇地震下的補充計算。計算分析時選取五條天然波及兩條人工模擬的加速度時程曲線，由于本工程不考慮豎向地震作用，所以采用主、次波的方式考慮雙向水平地震作用。波時程曲線與反應譜對比如圖1所示。

通過上述波時程曲線與反應譜對比能夠得知，在各時程曲線之上所計算出的基底總剪力，要高于根據(jù)振型分解反應譜所計算出的基底總剪力值，且比率在65%。而由七條時程曲線所計算出的基底總剪力平均數(shù)值，也大于在振型分解反應譜基礎上計算出的基底總剪力，且比率為80%，滿足規(guī)范相關要求。

有少量樓層時程分析剪力小于反應譜法剪力，但其比值小于反應譜法剪重比調(diào)整系數(shù)，因此不需要對地震力進行放大。

綜上分析，當在風載荷與多遇地震條件下：

(1）使用MIDAS與SATWE軟件所計算出的建筑結(jié)構(gòu)相關指標都具有較強的規(guī)律性，且能夠保持一致，因此可以斷定該計算模型準確。

(2）建筑結(jié)構(gòu)所要控制的指標范圍均在既定的規(guī)范要求之內(nèi)，因此說明建筑結(jié)構(gòu)具有合適的剛度和承載力。

彈性時程分析。該項目采用2條天然波和1條人工波開展彈性時程分析，在波形選擇方面，與峰值、持續(xù)時長、頻譜特點等方面需求相符合，還要滿足底部剪力相關要求。根據(jù)計算可知，所選時程波與規(guī)范反應譜統(tǒng)計意義上相符，分析結(jié)果滿足要求。

表示在風荷載以及多遇地震的條件下，建筑結(jié)構(gòu)的各項控制指標能夠滿足性能水準1中的各項要求，并且可以達到抗震的效果。

5設防烈度下的地震作用分析

設防地震下結(jié)構(gòu)需滿足性能水準3的要求，本工程中建筑底部加強區(qū)域位置的剪力墻應達到受剪彈性與受彎不屈服的要求，而非底部加強區(qū)域的剪力墻應達到受彎不屈服，受剪不屈服；除穿層柱外普通的框架柱應達到受剪和受彎不屈服的目標，同時穿層柱也應達到受彎和受剪彈性的要求；連梁以及框架梁等耗能構(gòu)件應多數(shù)滿足受彎不屈服，僅少量構(gòu)件在局部樓層可以受彎屈服，但受剪不應屈服。為此進行以下分析判別。

設防烈度下的基底剪力、剪力墻與框架柱受彎驗算、剪力墻與框架柱受剪驗算、剪力墻受拉驗算、框架梁與連梁受彎、受剪驗算等均滿足規(guī)范要求。

綜上分析，在設防烈度地震作用下：

(1）中震與小震基底剪力之比約為2.8，表明地震作用數(shù)量級合理。

(2）底部加強區(qū)剪力墻均滿足受彎不屈服，受剪彈性；非底部加強區(qū)剪力墻和非穿層框架柱滿足受彎與受剪不屈服，穿層框架柱滿足受彎與受剪彈性。僅底部和頂部少量墻肢出現(xiàn)拉應力，名義拉應力小于2ftk。

(3）連梁、框架梁少量出現(xiàn)受彎屈服，但受剪不屈服，滿足預定性能目標。個別連梁通過采取加設交叉斜筋的加強措施滿足規(guī)范剪壓比限值要求。

表示結(jié)構(gòu)抗震性能指標能夠滿足在中震條件之下，設計控制水準3中的相關性能要求。

6罕遇地震作用下的動力彈塑性時程分析

《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第5.1.13條[3]規(guī)定“B級高度的高層建筑、混合結(jié)構(gòu)和復雜高層建筑結(jié)構(gòu)，宜采用彈塑性靜力或彈塑性動力分析方法補充計算”。本文案例工程的結(jié)構(gòu)，為超過“高規(guī)”表3.3.1-2之中的B級最大適用高度一般不規(guī)則形態(tài)，有必要了解結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的性態(tài)。

動力彈性時程分析是在建筑結(jié)構(gòu)動力方程數(shù)值之上所開展的，其能夠?qū)ㄖ休d力設計起到關鍵性的作用。在計算時，其可以將建筑結(jié)構(gòu)作為彈塑性震動體系，依照地震波數(shù)值，輸入到地面加速運動的狀態(tài)中，從而算出建筑結(jié)構(gòu)在此狀態(tài)之下，隨時間變化的各質(zhì)點位移、構(gòu)件內(nèi)力、速度、加速度情況。其主要是起到了以下幾種作用：

(1）觀測建筑結(jié)構(gòu)當罕遇地震以后的彈塑性情況，并依照整體變形狀態(tài)和主要構(gòu)件塑性鉸分布狀況，來確定其是否能夠達到“大震不倒”的建筑設防標準。

(2）分析塔樓結(jié)構(gòu)的具體抗震性能，其中包括在罕遇地震狀態(tài)下的最大基底剪力、層間位移、層間位移角數(shù)值。

(3）依照前期的分析結(jié)果，針對建筑結(jié)構(gòu)之中抗震能力薄弱的部位與構(gòu)件，制定科學的加強方案，并為后期的施工圖紙設計，提供良好的參考依據(jù)。

6.1模型的建立與取值

本次所選擇的工程建筑結(jié)構(gòu)分析與設計的軟件為，由北京邁達斯技術(shù)有限公司所研發(fā)的MIDASBUILDING(STRUCTUREMASTER2014），選擇該軟件的目的為，其能夠精準評測罕遇地震狀態(tài)下，建筑結(jié)構(gòu)的動力彈塑性時程。在分析時，可以利用部分軟件性能，先對小震以及風荷載作用之下的建筑結(jié)構(gòu)配筋狀況進行設計，然后再將各構(gòu)件的配筋信息構(gòu)成每一單元的本構(gòu)模型，這樣模型也就比較接近實際的工程單元結(jié)構(gòu)。最后，在進行動力彈塑性分析時，可以通過求解器，利用前期所計算出的本構(gòu)關系與滯回模型，生成多樣化的處理方案。

其中建筑所使用的混凝土建材本構(gòu)關系，采用了《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》附錄C中所提供的單軸受壓應力模型，即應變本構(gòu)模型。假設鋼筋是最佳的彈塑性建材，其本構(gòu)關系則使用簡化后的二折線模型[4]。而墻單元部分的剪切特性材料本構(gòu)關系，則使用剪力退化三折線模型。同時，在分析鋼筋混凝土梁或者柱的回曲線時，則可以采用修正武田三折模型，其能夠?qū)偠扰c強度精準分析。

本工程進行彈塑性時程分析時，從彈性時程分析的地震動波形中選用了地震動響應與本工程相接近的兩條記錄波DZ2、DZ3及人工模擬波RG1。地震波的加載采用雙向加載方式。

6.2計算結(jié)果分析

大震作用下的基底剪力、層間位移角、結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)均滿足規(guī)范要求，依照本文上述分析結(jié)果，在罕遇地震狀態(tài)下結(jié)構(gòu)具體表現(xiàn)為：

(1）抗側(cè)力主要構(gòu)件剪力墻混凝土纖維未出現(xiàn)拉壓屈服，只有極少部分發(fā)生剪切屈服，比例為4.1%～6.9%。鋼筋纖維部分受拉屈服，未現(xiàn)在剪切屈服。

(2）個別位于裙房頂層和塔樓頂層的框架柱出現(xiàn)了輕微彎曲屈服，均未發(fā)生剪切屈服。

(3）作為主要耗能構(gòu)件的連梁，有一定比例的連梁的混凝土纖維發(fā)生剪切屈服狀態(tài)。大部分梁端進入了彎曲屈服狀態(tài)，一些頂部的樓層框架梁先進行了彎曲屈服，而后向底部以及中間樓層散開，而大部分的連梁都要比框架梁先進入屈服狀態(tài)，并且框架梁的完成屈服時間要高于連梁，能夠形成多道耗能系統(tǒng)。

由于各地震反應分布規(guī)律相似，選取基底剪力最大的RG1(100%X+85%Y）工況為代表，列舉各構(gòu)件的大震激勵反應。

6.3分析結(jié)論

根據(jù)前期所分析的建筑結(jié)構(gòu)在罕遇地震狀態(tài)下的彈塑性動力時程，綜合建筑結(jié)構(gòu)的整體反應指標與構(gòu)件性能，可以獲得以下幾點結(jié)論：

(1）結(jié)構(gòu)層間的彈塑性位移角不超過規(guī)定限值范圍，建筑結(jié)構(gòu)之中的主要抗側(cè)力構(gòu)件未出現(xiàn)嚴重損壞情況，且建筑局部構(gòu)件能夠屈服，但不至于引發(fā)建筑局部倒塌以及危及整體結(jié)構(gòu)安全的問題。因此，可以斷定該種設計方案具有較強的整體性，并能滿足“大震不倒”的抗震性能要求。

(2）鋼筋拉壓與剪力墻混凝土都在既定彈性應力狀態(tài)下，沒有出現(xiàn)彎曲與抗壓屈服問題。個別墻肢受剪屈服在局部體現(xiàn)，但比例較小，受剪截面經(jīng)復核計算后，能滿足性能目標要求，不會出現(xiàn)整片墻肢的剪切屈服和破壞。

(3）大部分的框架柱都在既定彈性狀態(tài)下，只有少數(shù)的裙房頂層框架柱頂端發(fā)生了輕微彎曲屈服，但沒有出現(xiàn)剪切屈服的狀況。因此，可以斷定結(jié)構(gòu)具有“強柱弱梁”的特點。

(4）多數(shù)的樓層框架梁梁端都能達到彎曲屈服的狀態(tài)，且框架梁沒有出現(xiàn)剪切屈服，少數(shù)的連梁出現(xiàn)了剪切屈服，并且大部分的連梁要比框架梁先出現(xiàn)屈服狀態(tài)，由此可以斷定結(jié)構(gòu)具有較好的耗能體系與多道防線特點。

綜上所述，在罕遇地震狀態(tài)下，建筑各項控制指標能夠達到設計性能水準4中的抗震要求。

7結(jié)構(gòu)抗震措施

在設計時，需要從建筑結(jié)構(gòu)體系的總體布置、設計計算、結(jié)構(gòu)抗震、構(gòu)造加強等幾部分進行分析，并要提高構(gòu)造加固方案的精準性，以此保證工程的質(zhì)量。

(1）在剪力墻底部加強部位及其上一層，設置約束邊緣構(gòu)件，加大該部位的配箍率。

(2）設置約束邊緣構(gòu)件上兩層為過渡層，適當加強該處配筋。裙樓屋面上下層墻柱配筋適當加強。

(3）設計時針對剪力墻個別剪切屈服應變等級超過5級的，其邊緣構(gòu)件的縱筋配筋率，約束邊緣構(gòu)件時不小于1.4%，構(gòu)造邊緣構(gòu)件時改為約束邊緣構(gòu)件，提高其延性能力[5]。

(4）建筑結(jié)構(gòu)底部有16.20m的高穿層柱體，在計算時利用了屈曲分析法，以保證其承載力可以達到既定要求。

(5）為能夠提高連梁的抗剪承載力，同時保障建筑結(jié)構(gòu)能夠滿足強剪弱彎的設計要求，則提升了部分剪力值偏大的連梁配箍率。

(6）針對底部大堂及裙房樓板開洞樓層進行了各工況下的應力分析，對應力較大區(qū)域采取局部構(gòu)造加強。采用雙層雙向配筋，提高與核心筒連接角部配筋率[6]。

8結(jié)論

(1）經(jīng)過小震、中震及大震下的分別計算分析，查找結(jié)構(gòu)薄弱部位并予以加強，達到了預期的抗震性能目標要求。并補充穿層柱的屈曲模態(tài)分析和樓板應力等專項分析，確保結(jié)構(gòu)整體的安全性。

(2）合理選擇結(jié)構(gòu)類型和結(jié)構(gòu)體系是高層建筑結(jié)構(gòu)設計的重要任務，它關系到結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟指標、結(jié)構(gòu)的抗震抗風性能以及施工效率，本文對超高層辦公樓的結(jié)構(gòu)選型提供參考。

(3）本文為超A級高度和貼臨車輛段的高層住宅建筑工程提供了常用的超限分析計算思路和分析方法，對其它類似的超限高層結(jié)構(gòu)設計具有一定的參考意義。

作者：姚一帆 單位：廣東海外建筑設計院有限公司