林宝新, 杨　阳

某超高层框筒结构的抗震性能分析

林宝新1,2, 杨阳1

（1.安徽建筑大学土木工程学院，安徽 合肥 230022；2.安徽建筑大学建筑设计研究院，安徽 合肥 230022）

本文以某超限框架-核心筒结构为例，通过对该结构在多遇地震下的弹性分析、设防烈度下的等效弹性计算以及罕遇地震下等效弹性分析和弹塑性分析,并对开洞楼层的楼板应力分析，检验其抗震性能。分析结果表明，通过加强措施后，能达到期望的性能目标，可供同类工程参考。

框架-核心筒结构；弹性分析；弹塑性分析；抗震性能

0　引　言

框架-核心筒结构越来越多的在高层建筑中得到应用，其外框架间距大，而且布置方式多变，正好可以满足现代建筑的要求。《建筑抗震设计规范》[1](以下简称《抗规》)和《高层建筑混凝土结构技术规程》[2](以下简称《高规》)提出了抗震性能目标和抗震性能水准的概念，同时明确提出进行抗震性能设计在超限结构中的重要性。同时,《抗规》[1]又指出，对于在地震作用下可能导致重大地震破坏，特别是具有明显薄弱部位的不规则结构，应进行罕遇地震下弹塑性分析。在性能化设计中，对结构进行计算分析，观察薄弱部位出现的位置，并采取加强措施，以达到预期的抗震性能目标。

1　工程实例

1.1工程概况

合肥市滨湖某办公楼采用框架-核心筒结构，地下1层，地上38层，主屋面建筑高度为140.0 m，屋面直升机停机坪高度146.8 m；该结构高宽比为3.99，核心筒在X、Y向高宽比分别为11.2和7.17。嵌固端设置于地下室顶板，结构埋深8.7 m。基础采用钻孔灌注桩，桩径为800 mm，桩长为40 m，桩基竖向承载力特征值为5000 KN,平板式筏基厚度为2000 mm。

该结构地下一层层高6.1 m，一层结构层高5.2 m，二层层高3.6 m，三、四、五层层高3.2 m，十层和二十四层为避难层，层高3.9 m，其余标准层层高3.8 m。结构底部加强区为1～4层，底部加强区核心筒平面X、Y向尺寸分别为12.5 m和19.5 m，外墙截面为650～750 mm，其上过渡层外墙截面500～550 mm，上部核心筒外墙截面为350～450 mm。外框柱截面在20层以下主要为1200 mm×1200 mm，21～24层为1100 mm×1100 mm，25～30层为1000 mm×1000 mm，31层以上为900 mm×900 mm渐变至800 mm×800 mm。墙柱混凝土强度等级C30～C60。

该丙类工程为7度抗震设防，抗震等级为一级，场地类别为Ⅱ类，抗震性能目标定为D级。标准层结构平面如图1，剖面如图2。

图1　标准层结构平面图

图2　剖面图

1.2超限情况及结构特点

1.2.1结构高度

根据《高规》[2]第3.3.1条中框架核心筒结构在7度设防地区最大适用高度，该结构超过A级高度130 m，未超B级高度180 m。

表1　抗震性能目标

1.2.2结构规则性

该工程在建筑主入口部位的二、三层楼面开大洞，并存在穿层柱；一、二层抗剪承载力之比为0.78，满足《高规》[2]第3.5.3条大于0.75的要求，但不满足《抗规》[1]第3.4.3大于0.80的要求。整体一般不规则类型可按两项考虑。

综上所述，根据建质[2015]67号文[3]，该工程主要属B级高度，为超限高层建筑一般不规则结构工程。

1.3抗震性能目标

为保证“小震不坏，中震可修，大震不倒”基本抗震设防目标[1]。该结构的抗震设计在满足国家的规定和要求外，结合抗震性能化要求，选用不低于D级抗震性能目标[2]。其中关键构件为底部加强部位剪力墙、柱。详见表1。

2　多遇地震下的弹性分析

2.1振型分解反应谱法（CQC）分析

本工程采用SATWE程序分析，根据《安评报告》[4]，地震加速度取38 cm/s²，特征周期取0.40 s，地震影响系数最大值取0.087；根据《高规》[2]规定，该结构连梁刚度折减系数取0.7，周期折减系数取0.8。计算采用刚性楼板假定。

该结构计算考虑双向地震和偶然偏心的作用。计算结果由表2可知，结构周期比为T3/ T1=0.744<0.85的规范值，最大层间位移角小于1/800，X、Y方向剪重比经调整后最小值为1.74%，楼层最大位移比小于1.2，各项计算结果符合规范要求，能满足“小震不坏”的设防目标[1]。

表2　SATWE中各性能指标

2.2弹性时程分析

本工程符合《抗规》[1]第5.1.2条中规定：结构属于7度设防地区且房屋高度大于100 m时，应采用时程分析法进行补充计算。选用3条波的加速度时程曲线描述如图3,各条地震波主次方向峰值加速度比为1:0.85，其中主方向有效峰值调整为38 cm/s²，并分别沿X向和Y向加载，地震波振型阻尼比ξ为0.05，地震波持续时间均大于规范规定的15 s和5 T的最大值，地震波的时间间距△t为0.02 s,特征周期为0.40 s。

图3　地震波加速度时程曲线

表3　反应谱法与时程分析法底部剪力比较

由表3得出，该基底剪力比值在三条波中最小值为0.87，大于规范要求的0.65，并且三条波在X向和Y向的基底剪力平均值分别为12413.9 KN和11899.8 KN，分别是CQC法的0.94和0.92倍，都大于规范要求的0.8。所以满足《抗规》[1]中的选波要求。

层间位移角和楼层剪力包络图分别如图4和图5所示，各地震波在X、Y向层间位移角最大值分别为1/1340和1/1440，满足表1要求。从图5中可以看出，楼层剪力在30层处，动力时程计算结果开始大于CQC法计算结果，说明该结构顶部楼层在高阶振型的影响下会产生较大位移，在设计时将该部分楼层的地震作用适度放大。

图4　层间位移角

图5　楼层剪力包络图

3　设防烈度地震作用分析

采用SATWE程序对结构进行中震弹性、中震不屈服判别分析，以判别结构在中震作用下的抗震性能是否满足性能目标要求。中震弹性和中震不屈服计算模型主要输入参数详见表4。

（1）底部加强部位柱进行中震弹性判别，结构构件截面抗震验算应符合公式（1）：

式中Rd---材料强度按设计值计算的构件承载力值；---承载力抗震调整系数；---结构构件内力组合的设计值；---分别为重力荷载、水平地震作用的分项系数；---重力荷载代表值的效应、水平地震作用标准值的效应。

（2）剪力墙、非底部加强部位框架柱、框架梁、连梁进行中震不屈服判别，结构构件截面抗震验算应符合公式（2）：

式中Rk---材料强度按标准值计算的构件承载力值。

表4　中震弹性和中震不屈服计算模型主要输入参数

中震分析所得最大层间位移角为1/412,满足表1要求。框架梁部分出现抗弯承载力屈服，未出现抗剪承载力屈服；剪力墙连梁大部分出现抗弯承载力屈服，部分出现抗剪承载力屈服；底部加强部位的剪力墙、框架柱抗剪和抗弯承载力均处于弹性状态；非底部加强部位的剪力墙、框架柱抗剪和抗弯承载力未出现屈服。

在中震不屈服下对底部墙肢进行拉应力校核,限于篇幅，文中仅示拉应力较大的墙肢，各墙肢位置如图1中标注。计算结果如表5。

表5　中震不屈服底部墙肢最大拉应力

可见底部加强部位剪力墙部分出现拉应力，最大拉应力为2.482 Mpa，但均小于混凝土抗拉强度标准值2.85 Mpa,各构件性能均满足中震性能目标要求。

4　罕遇地震作用分析

4.1罕遇地震下的等效弹性分析

根据表1在罕遇地震作用下的抗震性能目标要求，对结构进行大震不屈服判别分析，考虑剪切的脆性破坏性质、剪切铰模型的局限性，现对大震作用下竖向构件受剪截面验算。水平地震影响系数取0.5，连梁刚度折减系数取0.3，阻尼比取7%，特征周期取0.45 s，材料强度采用标准值。大震作用下受剪截面验算应符合公式（3）：

式中VGE--重力荷载代表值作用下的构件剪力（N）；---混凝土轴心抗压强度标准值（N/mm²）；---地震作用标准值的构件剪力（N）。

底部加强区剪力墙墙肢最大剪压比计算结果如表6。

表6　底部加强区墙肢最大剪压比

由表6计算结果得到，底部加强区核心筒剪力墙最大剪压比为0.105﹤0.15，即大震作用下底部加强区剪力墙剪力均满足公式（3）的要求，墙肢截面验算满足要求；关键构件的截面与配筋能满足在罕遇地震下抗剪不屈服状态的抗震性能目标要求。

4.2罕遇地震下的静力弹塑性分析

采用静力弹塑性分析（Pushover)对结构做罕遇地震推覆验算，以检验结构在大震作用下的薄弱层变形，是否满足表1中性能目标要求；并找出薄弱部位和薄弱构件，针对性地优化结构布置。

计算分析模型中，剪力墙采用弹塑性墙元，梁、柱采用纤维束空间杆单元[6]。混凝土和钢筋本构关系模型分别为图6、图7，其中混凝本构模型曲线在上升阶段为Saenz曲线，下降阶段为直线[6]；钢筋本构模型为双折线模拟[6]。

图6　混凝土本构关系

图7　钢筋本构关系

计算采用刚性楼板假定，并考虑梁柱交接刚域，材料强度采用标准值。采用倒三角加载模式进行加载，重力荷载代表值作为初始荷载[6]。其中侧向位移限值取1/20结构高度，截面刚度破坏程度指数取0.7，即认为刚度退化到原来的30%时出铰，楼板取6倍翼缘高度，墙高斯点破坏比例取0.7，钢筋放大系数1.15[6]。

4.2.1结构整体抗震性能

图8　X向的能力，需求曲线

图9　Y向能力曲线，需求曲线

X和Y向结构能力曲线、需求曲线如图8和图9所示，可看出两条曲线有交点，能力曲线在设定的位移范围内没有下降且较为平滑，说明该结构具有较大的抗倒塌能力。结构在性能点时最大层间位移角在X和Y向分别为1/190（第37加载步）、1/189(第37加载步），均小于1/120；X向剪重比为5.05%，顶点位移为677.9 mm ，基底剪力为44861.4 KN；Y向剪重比为5.10%，顶点位移为653.3 mm，基底剪力为45257.6 KN。大震与小震的基底剪力比在X、Y向分别为3.22和3.24，说明结构刚度发生一定退化。该结构具有良好的变形能力，仍能保证“大震不倒”的设防目标[1]。

4.2.2结构构件性能

通过Pushover程序进行推覆分析，结构在中间部分楼层核心筒的连梁梁端率先出铰，然后向结构上部、下部两端发展。随着加载步的增加，核心筒的连梁开始大部分出铰，之后部分框架梁梁端也开始出铰，且框梁普遍晚于连梁出铰，连梁很好地起到了耗能作用，框架结构很好地起到了第二道防线的作用。

图10　性能点时 X、Y向为主方向计算层4塑性铰分布图

性能点时X、Y向为主方向计算层4塑性铰分布图如图10。X、Y向都在加载到37步时出现性能点，此时拉应力水平裂缝出现在核心筒角部部分墙肢上，到层4止，极少墙肢局部部位受剪屈服，经复核后，各墙肢均能满足受剪不屈服，不会出现较大面积的墙肢剪切屈服和破坏；外框架柱均处于弹性工作状态，满足罕遇地震作用下的抗震设防目标。

5　楼板应力分析

本工程二层楼板内楼梯开洞较多，尤其是入口大厅处大开洞，为检验该层楼板能否将水平应力传递到竖向构件上，采用MIDAS Building程序对二层楼板补充楼板应力分析，采用弹性板假定。在多遇地震和罕遇地震作用下分析得出的楼板应力云图分别如图11、12。

图11　多遇地震作用下2层楼板应力云图

图12　罕遇地震作用下2层楼板应力云图

由应力云图可以看出，拉应力主要出现在竖向构件和框连梁处的附近楼板，压应力主要出现在连续板块的中部，应力明显集中发现在楼板凹凸处、楼电梯洞口处。小震下楼板拉应力大多部分小于2.00 MPa，并且低于2.20 MPa（C35混凝土抗拉强度标准值）；大震作用下楼板大多出现拉应力，但整个板块仅2.8%超过7.45 Mpa，最大值达到30.59 MPa，拉应力值大于12.07 MPa的楼板面积不超过计算有效板块面积的0.8%。开洞处的楼板仍能保持整体性，可协调墙柱竖向构件变形和传递水平地震作用。

6　抗震加强措施与结论

通过计算分析,为确保该结构能满足性能化中设定的性能目标和性能水准要求，采用相应的抗震加强措施,并得出以下结论：

（1）嵌固端设在负一层顶板，负一层竖向构件及一层梁板配筋构造上适当加强，确保更加有效传递水平力。

（2）将非底部加强部位剪力墙抗震等级设为一级，底部加强区位中震受拉剪力墙抗震等级提高为特一级；底部加强区以上设2层过渡层，约束边缘构件长度同底层。

（3）为解决短柱与超短柱，框架柱在12层以下采用型钢混凝土，在12～31层设置芯柱。

（4）由于1～3层入口门厅处楼板大开洞，该部位核心筒外墙墙体竖向高度为12 m,内部洞口较多,应对该处外墙的截面、配筋给予加强。

（5）在多遇地震作用下的CQC法和时程分析法表明结构承载能力和变形能力均符合现行规范要求,且能满足性能化设计中抗震性能水准1的要求。

（6）在设防烈度地震作用下,底部加强部位剪力墙、框架柱抗剪和抗弯承载力处于弹性状态，非底部加强部位剪力墙未屈服,框架梁、连梁仅有少量出现抗弯屈服；可满足性能化设计中抗震性能水准4*的要求。

（7）在罕遇地震作用下，结构整体抗震性能分析结果均在规范要求范围内，并且主要抗侧力构件没出现严重破坏，可满足性能化设计中抗震性能水准5的要求。

[1]GB50011-2010,建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[2]JGJ3-2010,高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[3]中华人民共和国住房和城乡建设部.超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点[Z].北京：中华人民共和国和城乡建设部，2015.

[4]中国地震局地球物理研究所.工程场地地震安全性评价报告[R].北京：中国地震局地震物理研究所，2014.

[5]GB50010-2010，混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[6]中国建筑科学研究院PKPM CAD工程部.PUSH&EPDA 多层及高层建筑结构弹塑性静力、动力分析软件用户手册[Z].北京：中国建筑科学研究院PKPM CAD工程部，2010.

[7]林宝新,许加义,李跃.某高层剪力墙带框支部分静力弹性和弹塑性分析[J].安徽建筑大学学报，2015，23(3):6-12.

[8]徐培福，戴国莹.超限高层建筑结构基于性能抗震设计的研究[J].土木工程学报，2005,38（01）:1-10.

[9]中国建筑科学研究院PKPM CAD工程部.SATWE S-3多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计用户手册[Z].北京：中国建筑科学研究院PKPM CAD工程部，2010.

[10]林宝新,贾鑫.某带斜柱框剪结构的抗震性能分析[J].合肥工业大学学报，2014(06):713-719.

[11]林宝新,张瑞.某平面回字形高层框架结构的抗震性能分析[J].安徽建筑大学学报，2014,22(2):13-18.

[12]北京迈达斯技术有限公司.结构大师非线性分析技术手册[Z]．

Seismic Performance Analysis of a Super High-rise Frame-tube Structure

LIN Baoxin1,2， YANG Yang1
(1. School of Civil Engineering,Anhui Jianzhu University,Hefei, 230022,China；2.The Architectural Design and Research Institute of Anhui Jianzhu University, Hefei, 230022,China)

Taking a frame-tube structure as an example, this study carries out the elastic analysis under the frequent earthquake, equivalent elastic calculation under fortification intensity earthquake, equivalent elastic and elastic-plastic analysis under the rare earthquake and stress analysis of openings layer’s floor, to test its seismic performance. Analysis results indicate that it can reach the expected performance objectives after reinforce measures were performed, and it also provides reference to similar projects.

Frame-tube structure; elastic analysis;elastic-plastic analysis; seismic performance

TU375

A

2095-8382(2016)03-001-07

10.11921/j.issn.2095-8382.20160301

2016-01-22

林宝新（1966-），男，教授级高工，主要研究方向为：工程防灾减灾理论与应用。