高烈度区（8度0.3g）超高层结构设计与分析

高烈度区（8度0.3g）超高层结构设计与分析

朱永聪

广东建筑艺术设计院有限公司 510220

摘要：项目场地的抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速值为 0.30g，结构计算高度为167.2米，采用框架-核心筒结构体系，性能目标采用C类。重点分析：1）在八度半区情况下，主体结构高度超过超限高度限制，对10层以下外框架柱采取型钢加强柱措施；2）穿层柱按照中震抗剪弹性，地震力分配不小于楼层框架柱平均值，对外框柱局部短柱，采取全高用加大直径及加密箍筋的井字复合箍措施提高延性；3）对核心筒剪力墙通过加大外围墙体厚度及设置型钢控制剪应力水平，中震下剪力墙拉应力超过混凝土抗拉强度标准值时增加型钢及钢板承担受拉作用；4）严格控制剪力墙轴压比不大于规范限值0.5，在计算配筋基础上适当提高底部加强区中大震下受拉剪力墙的水平及竖向分布筋(提高至1.5%)，一般部位采用小震、中震的包络计算结果进行设计。结构实现预期的性能目标。

关键词：框架-核心筒结构 地震 性能目标

0   引言

本文以海口某超高层结构为例，对高烈度地区超高层框架-核心筒结构体系的刚度分布、受力机理、抗震性能进行详细分析，并根据结构受力特点针对性地采取一系列加强措施。结构实现了 “小震不坏、中震可修、大震不倒”的预期设防目标。

1工程概况

项目地块位于海口市秀英区长流起步区，地上37层，地下2层。裙房首层功能为出入大堂、配套商铺及服务用房；二层功能为食堂及厨房，可供930人同时就餐；三层有520座报告厅、接待室、招待餐厅、35人会议室及企业活动空间。塔楼为办公楼，分为低中高区：4~17层为低区，18~27层为中区，28~37层为高区，其中11、22、33层为避难层。第36层北侧为高层景观区，通高至第37层。

本工程结构安全等级二级，设计使用年限50年，根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）及地勘报告，建筑场地类别为II类，场地的抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速值为 0.30g，设计特征周期取 0.4s，设计地震分组为第二组。50年一遇的基本风压为0.75kN/m2，地面粗糙类别为A类，承载力设计时基本风压放大系数取1.1。

2 基础设计

本工程塔楼采用桩筏基础，筏板的板底相对标高为-12.1m (筏板厚度取为2.0m)，室外地面相对标高为-0.3m，故塔楼基础埋深为11.8m。塔楼从室外地面到结构主屋顶的高度为167.2米，埋深与高度之比约为1/14,满足《建筑地基基础设计规范》中大于1/18的要求。地下室（无上部结构的地下室）采用桩承台+防水板基础，防水板的板底相对标高为-10.7m (筏板厚度取为 0.6m），基础埋深为l0.4m。基础设计时，抗浮设计水位(绝对标高)10.7m，依据 《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011第3.0.1条，本工程的地基基础设计等级为甲级。

根据地质勘察报告的建议，结合本场地地质条件。塔楼、裙楼及地下室的基础选型见表2.1。塔楼采用旋挖灌注桩，桩采用直径1000mm，混凝土设计强度等级为水下C40。桩端持力层为⑥层粉质粘土，有效桩长暂定为55m，采用桩端桩侧后注浆工艺，单桩竖向抗压承载力特征值为8000 kN。裙楼及地下室采用旋挖灌注桩，桩采用直径600mm，混凝土设计强度等级为水下C30。桩端持力层为④层中风化玄武岩或⑤2层粉质粘土，有效桩长为6~20m，单桩竖向抗压承载力特征值为1200 kN，单桩竖向抗拔承载力特征值150 kN。桩基础承载力详见表2.2塔楼范围之外底板采用抗浮锚杆，锚杆直径150mm，单根锚杆抗拔承载力力特征值为400KN。锚杆有效长度约为8~30m。

表2.1桩基础承载力表

3结构体系

鉴于建筑与结构的结合考虑及抗震性能要求。本工程采用钢筋混凝土框架核心筒结构体系，由剪力墙+框架梁（柱）+连梁组成的结构体系共同抵抗水平地震及风荷载，提供必要的侧向刚度。

3.1  核心筒

根据建筑平面布置的特点，利用电梯井筒、楼梯间在建筑中间布置核心筒。

图3.1.1剪力墙的截面及尺寸示意图图3.1.2 1层核心筒剪力墙平面 图3.1.3 10层核心筒剪力墙平面

3.2  结构整体变形控制目标和抗震等级

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010（下文简称高规）第3.7.3~3.7.5条，框架-核心筒结构的层间位移角限值为1/800，本工程结构计算高度为167.2米，按线性内插计算后，层间位移角限值为1/725，根据海南省住建厅印发《超限高层抗震设计要点》（附条文说明）琼建质【2019】3号第4.2.4条，8度0.3g地区层间位移角限值可放松1.1倍，即本工程层间位移角限值为1/659。剪力墙抗震等级为特一级，框架梁柱抗震等级为一级。

4超限判断、性能目标

4.1超限判断

   《高规》规定，抗震设防烈度8度区B级框架-核心筒结构的最大适用高度为120m。本工程高度为167.2m，高度超限。计算表明：本结构3~5层楼层Y-5%偏心荷载作用下位移比大于1.2，其中4层处位移比最大为1.28;3~4层楼层X-5%偏心荷载作用下位移比大于1.2, 其中4层处位移比最大为1.22，其余各处均小于1.2，扭转不规则。2、3局部结构楼板不连续，与局部结构柱周边无梁板连接，结构柱几何长度达数层之高，形成局部穿层柱，此塔楼存在局部不规则的穿层柱超限项。

综上，本工程共计3项超限。根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》，需要进行超限建筑工程抗震设防专项审查。本项目与2020年6月审查通过。

4.2  性能目标

根据本工程的超限情况，结构抗震性能水准根据《高规》(JGJ3-2010)3.11.2条，设定本工程结构抗震性能目标为C类，各构件抗震性能目标见表4.2.1。

表4.2.1 性能设计要求与性能目标

5 多遇地震作用的计算分析

5.1  主要计算结果

采用盈建科YJK作为主要计算分析软件，PKPM、 Midas Building作为辅助软件进行分析校核。分析时，均采用振型分解反应谱法计算地震作用，并考虑了偶然偏心及双向地震作用；采用CQC（完全平方根组合）进行振型组合，采用《抗规》（GB 50011-2010）的方法计算双向地震作用。表5.1.1为主要计算结果，由表可以看出，三种软件计算的主要指标基本相符。1) 结构楼层地震剪力大于 50 年一遇风荷载作用下的楼层剪力，对于该超高层框架核心筒结构，地震作用为结构分析和设计时的水平控制性荷载。2)结构下部局部楼层剪重比大于 4.80%，依据规范不需要对其进行地震作用的放大，满足抗规5.2.5 条的要求。3)结构考虑层高修正的层刚度比均满足规范限值，结构刚度总体能较平稳过渡，无软弱层；结构抗剪承载力比满足规范限值要求，无薄弱层。4)结构刚重比大于 1.4，能通过高规 5.4.4 的整体稳定验算，且大于 2.7，计算中不需考虑重力二阶效应的不利影响。5)弹性时程分析计算的层间位移角均小于 1/659，满足规范要求；楼层位移曲线光滑无突变，反映结构侧向刚度较为均匀。

表5.1.1计算结果对比

5.2 多遇地震弹性时程分析

对于本结构的弹性动力时程分析，根据抗震规范要求，在波形的数量上，将采用5组天然和2组人工合成的加速度时程波。在波形的选择上，在符合有效峰值、持续时间等方面的要求外，满足底部剪力及高阶振型方面的相关要求。对于有效峰值，多遇地震弹性时程分析，根据《高规》（JGJ 3–2010）第4.3.5 的规定，由于本工程处于 8度地震区，设计基本地震加速度为0.30g，加速度峰值为 110.00cm/s2 ；主方向与次方向的峰值加速度比值为 1:0.85，以下各时程波则将根据规范峰值对各点进行了等比例调整。对于持续时间，根据《高规》（JGJ 3–2010）4.3.5条文解释，不宜小于建筑结构基本自振周期 5 倍和 15 秒的要求。针对本工程，结构基本周期约为3.1929秒，因此有效持时按不小于15秒进行选用。根据《高规》（JGJ 3–2010）4.3.5条文解释：多组时程波的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所用的地震影响曲线相比，在对应于结构主要振型的周期点上相差不大于20%。图5.2a~5.2d 为弹性时程分析法与CQC法计算的楼层剪力。图 为时程分析法与 CQC 法计算的层间位移角对比。

图5.2a时程分析 X 向层剪力与 CQC 法比较             图5.2b时程分析 Y 向层剪力与 CQC 法比较

图5.2c时程分析 X 向层间位移角与 CQC 法比较        图5.2d时程分析 Y 向层间位移角与 CQC 法比较

6性能化设计

根据结构性能目标，设防地震和罕遇地震作用下结构内力计算采用等效线性方法，按既定的性能目标对结构及构件进行验算。结果表明，结构及构件均能满足相应的抗震性能目标。在设防地震作用下，剪力墙底部加强部位及越层柱未出现超筋情况，高于设定的抗剪弹性和抗弯不屈服的目标；其余竖向构件也未出现超筋情况，高于设定保证抗剪弹性及抗弯不屈服的性能目标要求，框架梁和连梁均未出现超筋情况，高于设定的抗剪及抗弯不允许屈服的性能目标要求。在罕遇地震作用下，根据《高层建筑混凝土技术规程》(JGJ 3-2010 J186-2010)，关键构件按公式（3.11.3-2）进行了大震作用下的承载力分析，判断关键构件在罕遇作用下，是否满足抗剪不屈服的性能要求。提取底部加强区大震抗剪不屈服结果进行复核，验算墙肢编号如图6.1，抗剪不屈服验算见表6.1.1

图6.1 底部加强区剪力墙墙肢编号示意图         表6.1.1首层墙肢抗剪承载力验算表

7罕遇地震作用下的弹塑性时程分析

采用YJK对结构进行X、Y两个方向的弹塑性动力时程分析。采用三条地震波计算结构在地震作用下的非线性响应，其目标谱采用规范反应谱，最大峰值加速度为 510cm/s2，Tg 的取值按照规范要求增加 0.05s。本次分析按双向地震输入，双向地震输入的地震波峰值比分别为 X:Y=1:0.85 和X:Y=0.85:1。结果表明，人工波作用下结构响应最大。现以人工波作用对应的结构响应作分析。

7.1层间位移

图7.1.1 给出了各工程罕遇地震作用下X、Y向楼层层间位移角。由图 可见，X 方向作用下最大层间位移角为 1/123，Y 方向作用下最大层间位移角为 1/127，均满足规范要求1/100。

图7.1.1a X 向结构层间位移角曲线 图7.1.1b Y 向结构层间位移角曲线

7.2连梁、框架损伤

X 向作用下墙肢、连梁混凝土受压损伤变化云图（e）X 向作用下 框架 混凝土受压损伤变化云图（e）

罕遇地震作用结构基底剪力为多遇地震基底剪力的3.41~3.66倍，地震作用量级合理；结构层间弹塑性位移角均小于规范限值要求；外框柱和核心筒剪力墙混凝土受压及钢筋受拉大部分均处于弹性应力状态，部分构件拉压出现轻度损坏，个别墙肢局部出现中度损坏，但比例较小，不会出现整片墙肢的剪切屈服和破坏；大部分楼层连梁及框架梁梁端进入抗弯及抗剪屈服状态，结构具有良好的多道防线和耗能体系。罕遇地震作用下关键构件宏观损坏程度介于轻度损坏和中度损坏间，各项设计控制指标均满足性能水准4的抗震性能目标。罕遇地震作用下整体宏观损坏程度介于轻度损坏和中度损坏间，各项设计控制指标均满足性能水准4的抗震性能目标。

8结论

8.1分析总论

（1）在小震作用下，主要技术指标满足规范要求，所有结构构件均处于弹性阶段，结构完好无损，无需修理即可使用；

（2）中震作用下，竖向关键构件满足抗弯不屈服、抗剪弹性要求，其余竖向构件抗弯未屈服，能保证抗剪不屈服要求；框架梁和连梁抗弯及抗剪均不屈服；

（3）大震作用下，最大层间位移角 X 向为 1/123，Y 向为 1/127，满足规范限值 1/100 要求。竖向关键构件满足抗弯不屈服和抗剪不屈服，宏观损坏程度介于轻度损坏与中度损坏性能水准之间，关键构件宏观损坏程度程度能满足性能水准 4 要求；框架梁及连梁部分抗弯屈服达到中度损坏，部分比较严重损坏的性能水准；宏观损坏程度程度能满足性能水准 4 要求。

综上所述，本工程能实现设定的抗震性能目标预期。

8.2抗震加强措施

在八度半区情况下，超B级框架-核心筒高度超过超限高度限制较多，对10层以下外框架柱采取型钢加强柱措施。

穿层柱按照中震抗剪弹性，地震力分配不小于楼层框架柱平均值，对外框柱局部短柱，采取全高用加大直径及加密箍筋的井字复合箍措施提高延性。

对核心筒剪力墙通过加大外围墙体厚度及设置型钢控制剪应力水平，中震下剪力墙拉应力超过混凝土抗拉强度标准值时增加型钢及钢板承担受拉作用。

严格控制剪力墙轴压比不大于规范限值0.5；在计算配筋基础上适当提高底部加强区中大震下受拉剪力墙的水平及竖向分布筋(提高至1.5%)，一般部位采用小震、中震的包络计算结果进行设计。

对二层跃层柱楼板采取加厚楼板至120mm，其余层核心筒楼板加厚至120mm，配筋按双层双向通长配置，配筋提高至全截面0.5%以上，适当增加洞口边上楼板配筋，特别是角部配筋。

参考文献

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