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    广州某超高层写字楼在送超限审查阶段,在抗震设计中所要求进行的弹性、弹塑性分析和性能化设计过程。分析结果表明,在地震和风荷载作用下,工程主体结构具备较好的承载和变形能力,各项指标均能够满足设计规范和使用的要求。

  一、工程概况
  本项目位于广州市珠江新城,占地12335平方米。基地成一狭长L形,总建筑面积158155m2,地下四层,地面以上由三栋超高层办公塔楼组成,本文介绍的是1#楼,地上共36层,总高156.8米。
  二、 结构总体设计与选型:
  设计时采用安评报告提供的数据,抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度=0.10g,塔楼属B级高度高层建筑,高宽比为7.13;结构类型为框架-筒体(X向置中,Y向偏置)剪力墙结构,相应的框架为一级,剪力墙为一级,地下室:塔楼相关范围内的,地下一层抗震等级同上部塔楼;地下二层~地下四层竖向构件的抗震等级降低一级,框架梁的抗震等级为三级。首层夹层以及顶部三层为仅有框架梁,无楼板的架空层;标准层板厚一般为h=110mm,剪力墙筒体及开洞位置的楼板厚度取140mm。主要框架梁尺寸为500x800~700x800,主要柱截面尺寸为1200x2600~900x1400,剪力墙厚600~300mm。 标准层结构图
  三、 抗震性能要求
  针对本工程的结构特点,设定本结构的抗震性能目标如下表,利用这些指标能更合理的判断整体结构在中震、大震作用下的性能表现,给超限设计提供可靠的判断依据。在考虑竖向荷载、风和小震的作用时,采用SATWE程序按规范方法进行计算和设计,则可保证结构构件处于弹性阶段;对中震作用,采用SATWE程序进行中震不屈服计算,选用中震的地震反应谱曲线,计算中荷载分项系数取1.0,材料强度取标准值,不考虑地震作用的内力调整,当构件的地震作用组合效应不大于构件的抗震承载力,即可判断构件为中震不屈服;对于大震作用,则采用PKPM对结构进行静力弹塑性分析(Pushover)。按弹塑性程序计算所反映的塑性发展程度来对构件以至整个结构进行相应的性能评价。连梁设计时通过调整配筋,达到强剪弱弯的性能目标,允许弯曲屈服,但不能发生剪切等脆性破坏。
  四、 结构分析
  本工程属于复杂超高层建筑,分别采用CSI系列的ETABS9.2.0及PKPM系列的SATWE两个不同力学模型的三维空间分析软件,考虑在竖向荷载、X、Y方向的风荷载及地震作用下的内力与位移;计算时考虑了重力二阶效应影响进行整体内力和位移计算,并考虑楼板的弹性变形(位移计算时为刚性板),同时根据地震安全性评价报告提供的地震波采用SATWE软件进行多遇地震下的弹性时程分析,并采用PUSH&EPDA弹塑性静力分析软件对高层建筑结构在罕遇地震作用下进行静力弹塑性分析(PUSHOVER分析)。重要构件按中震不屈服复核;同时也进行了风荷载作用下的舒适度计算。
  计算方法及参数:
  a) 由于本项目地下室除塔楼范围的首层外大部分均采用无梁楼盖,首层不宜作为嵌固层。因此计算模型的嵌固层设置在地下四层,但考虑回填土对地下室的约束刚度。
  b) 采用多遇地震下的弹性时程分析方法进行补充分析,选取由《广州市天河区猎德路猎德村地块工程场地地震安全性评价报告》中的1条人工波并选取2条天然波,用SATWE程序进行弹性动力时程分析,计算时结构阻尼比0.05,场地地面最大加速度36.8cm/s2。
  c) 主要设计参数:考虑平扭耦联的扭转效应和偶然偏心效应,周期折减系数0.85,振型质量参与系数大于90%;连梁刚度折减系数取0.8,中梁刚度增大系数1.8,梁扭折减系数0.4,框架梁端弯矩调整系数取0.85;考虑地震作用最大时的角度的地震作用方向。
  结论:两个程序的计算结果较接近,没有出现原则性冲突或矛盾的结果。在地震作用下,结构的楼层层间最大位移角满足要求;部分楼层剪重比不满足“高规”第3.3.13条要求,需乘以地震剪力放大系数,满足规范要求;第一扭转周期与第一平动周期的比值少于0.85;侧向刚度比除第8计算层外均满足“高规”要求
  计算还选用三组加速度时程曲线进行了多遇地震作用下的弹性动力时程分析,结果均小于考虑扭转藕连的振型分解反应谱法,层间位移角的结果与振型分解反应谱法接近,满足《高规》3.3.5第一条的规定。但人工波计算的局部楼层剪力比振型分解法稍大,对这些楼层设计时应适当加强;
  本工程高宽比超限,通过计算结构顶点最大加速度反映出该建筑具有良好的使用条件,满足舒适度要求。顶点最大加速度远小于“高规”中4.6.6条的限值(0.25m/s2);
  对底部加强区的剪力墙、框架柱按中震不屈服进行分析,个别框架梁截面需要调整;剪力墙截面满足抗剪要求,但部分墙肢纵筋配筋量明显增大;框架柱配筋除个别外与小震时相当。因此通过调整个别框架梁,剪力墙截面,增加配筋,可以使本工程的结构体系在遭遇设防地震烈度水平的地震袭击时,能达到规范的设计要求;
  按照规范要求“大震不倒”的抗震设防目标,本工程采用PUSH&EPSA程序接口SATWE进行罕遇地震作用下进行静力弹塑性推覆分析。在罕遇地震作用下,各层弹塑性位移角最大值均小于1/100,符合“高规”第4.6.5条要求;在性能点处,连梁普遍出现塑性铰,部分框架梁梁端出现塑性铰,剪力墙未出现剪力铰,即剪力墙抗剪能力足够,不会发生剪切破坏。因此建筑物可实现“大震不倒”的抗震设防目标。
  五、针对超限采取的措施及结论
  塔楼标准层隔层开洞,存在楼板局部不连续,在整体计算分析时按全楼弹性膜计算,开洞范围周边及筒体内的楼板厚度加强,板双层双向钢筋布置,楼板最小配筋率取0.25%,并用有限元应力分析复核配筋。通过计算表明:结构在常遇地震作用时的层间位移角、扭转位移比、抗侧刚度比、楼层层间受剪承载力比均满足规范控制指标;
  对塔楼底部加强区的剪力墙根据中震不屈服验算,提高水平钢筋的配筋率,一般墙的配筋率为0.4%,外侧墙肢的配筋率为0.5~0.6%;剪力墙端约束边缘构件纵向钢筋的配筋率1.2%~1.6%。底部加强区高度的框架柱,控制轴压比以提高其延性,并根据验算配置纵筋和箍筋;而根据静力弹塑性分析,核心筒处的剪力墙在罕遇地震下,底部加强区出现受拉裂缝,少量受剪裂缝,除加强水平钢筋外,也提高该部分墙身的纵向钢筋配筋率或增加墙厚,满足剪力墙不出现剪切破坏;剪力墙、框架柱等重要构件满足罕遇地震作用下不出现剪切破坏,结构层间位移角小于1/100,因此可以期望本工程的结构体系在遭遇设防地震烈度水平的地震袭击时,达到“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防要求,同时也能最大限度地满足建筑功能的要求。