赖伟强， 张 堃

(四川省建筑设计研究院有限公司, 四川成都 610000)

1 工程概况

本工程位于成都市区西北三环外，总建筑面积约90 016 m2。地下3层，其中地下1层局部夹层，地下室建筑功能主要为人防、车库、设备用房和酒店后勤用房；塔楼地上41层，结构大屋面标高为172.7 m，裙房地上3层，屋面标高为18.3 m，建筑功能主要为酒店(典型层高3.6 m)、酒店配套用房和酒店式公寓(典型层高4.2 m)，塔楼共设置9 F、22 F和33 F共3个避难层(典型层高4.2 m、6.0 m)。建筑整体效果图见图1。

图1 建筑效果图

采用抗震缝将塔楼与裙房脱开，塔楼采用双重抗侧力体系的钢筋混凝土框架-核心筒结构，裙房采用钢筋混凝土框架结构。本文仅介绍塔楼的抗震能力分析。

塔楼核心筒尺寸约为13 m×31 m，核心筒外围墙厚由底部800～1 000 mm逐步缩小至大屋面400～500 mm；塔楼框架柱柱网尺寸主要为13.5 m、12.1 m和10.55 m，22 F以下为型钢混凝土柱，22 F以上为钢筋混凝土柱；塔楼标准层的外框梁和与核心筒相连的框架梁高为800 mm；塔楼标准层酒店和公寓区域板厚100～110 mm，核心筒内板厚120 mm，设备层、避难层及其上一层板厚为150 mm；典型结构平面布置图见图2。

图2 结构典型平面布置

2 设计准则

本工程设计基准期为50 a，设计使用年限为50 a，建筑结构安全等级为二级；所在地区地面粗糙度为B类， 50 a一遇基本风压为0.3 kN/m2，构件承载力计算式取1.1 倍，阻尼比0.05；舒适度计算取10 a一遇基本风压为0.2 kN/m2，阻尼比0.02；本工程抗震设防烈度为7°(0.1g)，设计地震分组为第二组，场地类别为III类，设计特征周期Tg=0.45s，阻尼比0.05。塔楼抗震设防类别为标准设防类(丙类)，根据GB 50011-2010《建筑抗震设规范》以下简称《抗规》[1]和JGJ 3-2010《高层建筑混凝土结构技术规范》以下简称《高规》[2]，塔楼核心筒和框架柱的抗震等级均为一级。

3 超限情况和抗震性能目标

根据建质[2015]67号《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》[3]和DB 51/T5058-2014《四川省抗震设防超限高层建筑工程界定标准》[4]，塔楼超限情况如下：

(1)结构高度172.7 m，超过A级高层建筑最大使用高度130 m，但未超过B级高层建筑最大使用高度180 m，无竖向收进情况，长宽比约为1.35，高宽比约为4.89小于7，属于B级高度超限高层建筑。

(2)扭转不规则。在考虑偶然偏心影响的规定水平地震力作用下，楼层竖向构件的最大位移比大于1.2。

根据《高规》[2]第3.11节及其条文说明，保证该超限高层满足“小震不坏、中震可修大震不倒”的抗震设防目标，本工程抗震性能目标选用C-、D+级(介于C～D之间)，各水准下的抗震性能要求见表1。

表1 抗震性能设计目标

4 结构整体计算分析

4.1 小震弹性反应谱分析

本工程分别采用SATWE和ETABS两种软件，采用振型分解反应谱法(CQC法)进行结构整体计算，周期折减系数0.9，连梁刚度折减系数0.6，考虑双向地震及偶然偏心。整体计算结果对比见表2，对比结果显示：两种软件的主要计算控制指标均比较接近且均满足规范要求，计算结果合理准确；前两二周期均为平动周期(T2/T1>0.8)，第三周期为扭转周期，且T3/T1<0.85、扭转位移比<1.4，说明结构两个方向的动力特性接近且具有较好的抗扭刚度。

建质[2015]67号《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》第11条规定，“超高的框架-核芯筒结构，其混凝土内筒和外框之间的刚度宜有一个合适的比例，框架部分计算分配的楼层地震剪力，除底部个别楼层、加强层及其相邻上下层外，多数不低于基地剪力的8 %且最大值不宜低于10 %，最小值不宜低于5 %”。

图3～图5反映框架部分的剪力分布及比例：(1)大部分楼层框架承担的剪力占本层剪力的10 %～30 %，规定水平力作用下结构底部框架部分在X向、Y向承担的倾覆弯矩占比27.8 %、21.3 %，介于10 %～50 %，表明框架与核心筒的刚度比例适中，为典型的框架-核心筒结构；(2)框架承担的剪力最大值大于底部剪力的10 %，但部分楼层框剪承担的剪力小于底部剪力的20 %，表明框架和核心筒部分能够形成有效的双重抗侧力体系，且框架部分需按照规范要求进行0.2V0调整，以保证其作为二道防线的抗侧能力。

表2 多遇地震下的CQC法计算结果对比

图3 框架承担的剪力分布

图4 框架剪力与本层剪力的比例分布(Vf/Vi)

图5 框架剪力与底部剪的比例分布(Vf/V0)

4.2 小震弹性时程分析

弹性时程补充分析时，选取2条人工波和5条天然波，地震波峰值加速度35 cm/s2，双向输入。7条地震波主方向的地震响应系数曲线如图6所示，结构前三阶振型的周期点在各条地震波曲线对应的地震影响系数平均值误差分别为-2.33 %、0.41 %和-5.54 %，均不超过20 %，满足规范要求。

弹性时程分析结果见表3、图7、图8。单条地震波下的底部剪力和层间位移角均在CQC结果的65 %～135 %之间，多条地震波下的底部剪力和层间位移角平均值在CQC结果的80 %～120 %以内，且最大层间位移角均小于1/706，满足规范要求。此外，楼层剪力结果显示：CQC法底部剪力与弹性时程分析法底部剪力平均值相当，但在结构上部1/4～1/3高度范围内，弹性时程分析的楼层剪力大于CQC法的楼层剪力，表明结构高阶振型会影响结构地震响应，故需对振型分解反应谱法的地震效应放大，放大系数取楼层剪力比值。

图6 多遇地震反应谱曲线比较

表3 弹性时程分析结果

图7 弹性时程分析的楼层剪力

图8 弹性时程分析的层间位移角

4.3 中、大震等效弹性反应谱分析

等效弹性分析分别采用“中震弹性”、“中震不屈服”、“大震不屈服”计算模型[5]。

中、大震底部剪力分别为小震结果的2.6～2.7倍、5.5～5.7倍；中震层间位移角分别为X向-1/291、Y向-1/371，均不大于1/282(2.5倍弹性层间位移角限值)，大震层间位移角分别为X向-1/130，Y向-1/169，均不大于1/111(0.9倍弹塑性层间位移角限值)；配筋计算结果显示：关键构件和普通竖向构件均满足“中震抗剪弹性、抗弯不屈服”、关键构建满足“大震抗剪、抗弯不屈服”、普通竖向构件满足“大震抗剪不满足剪压比”，结构构件既定抗震性能目标。

中震下的剪力墙轴拉比统计见图9(荷载组合取1.0DL+0.5LL+1.0Eh)，统计结果表明：塔楼部分剪力墙仅在顶部、底部局部楼层出现小偏拉现象，但轴拉比均小于1.0，根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查要点》(2015版)[3]第十二条规定，小偏拉剪力墙抗震构造等级按特一级且无需设置型钢。

图9 设防地震下的剪力墙轴拉比μt

大震下的剪比统计见图10(荷载组合取1.0DL+0.5LL+1.0Eh)，统计结果表明：剪力墙、框架柱的剪压比均不超过0.15，说明竖向构件的抗剪截面尺寸满足剪压比要求，不会发生脆性剪切破坏。

(a)剪力墙剪压比

4.4 大震弹塑性时程分析

弹塑性动力时程分析方法是考虑结构的弹塑性性质，旨在反映结构在罕遇地震下的损伤情况、复核结构是否满足弹塑性变形要求。选取1条人工波和2条天然波，地震波峰值加速度220 cm/s2，选用SAUSAGE[6]软件，双向输入，同时考虑几何非线性和材料非线性。分析结果如下：

(1)最大层间位移角θx=1/108，θy=1/141，根据《抗规》[1]换算得到的最大层间位移角为：θx=1/127，θy=1/122，均小于1/111，满足 “大震不倒”的既定抗震性能目标；同时，弹塑性与弹性最大层间位移角楼层基本对应，表明罕遇地震作用下结构的楼层抗侧刚度相对大小关系基本保持一致。

(2)连梁首先屈服而后开始出现损伤，损伤逐渐增大至大部分重度损坏～严重损坏；剪力墙绝大部分无损坏～轻度损坏，极少数中度破损～重度损坏且仅出现在中上部楼层。框架柱在顶部楼层轻微破损；框架梁大部分无损坏～轻度损坏，部分中度损坏，极少部分重度损坏～严重破坏且仅在端部。损伤情况表明结构抗震性能满足既定的抗震性能目标要求。关键构件在大震下的性能水平见图11。

图11 罕遇地震下的关键构件性能水平

(3)结构的损伤发展顺序表明结构具有明显的双重抗侧力体系(即：核心筒首先屈服耗能，为第一道防线；外框架随后屈服耗能，为第二道防线且符合“强柱弱梁”的抗震概念设计，保证结构在大震下有一定的安全储备)，与反应谱分析结果一致，符合预期目标。

5 结论

(1)多遇地震作用下，SATWE和ETABS两种软件分析的各项指标基本一致，说明计算程序合适、假定正确，计算结果可靠；SATWE 弹性时程分析与弹性反应谱分析结果一致，结构处于弹性阶段，承载能力和变形能力均能满足现行规范要求。

(2)设防地震、罕遇地震作用的下等效弹性反应谱分析和罕遇地震下的动力弹塑性分析结果表明：结构层间位移角和构件的性能水平均可满足预定的抗震性能目标，层间位移角满足规范限值要求，结构整体满足既定的抗震性能目标。

(3)损伤情况表明结构具有明显的双重抗侧力体系，具有“强柱弱梁”的特点，满足抗震概念设计。

本工程具有B级高度、扭转不规则等特点，通过超限判断、抗震性能化设计以及弹塑性分析，保证结构的安全可靠且满足规范要求，给类似工程提供参考。