高度超限高層建筑抗震性能化設計分析論文
1、工程概況
金融城起步區A007-1地塊項目A塔樓位于廣州市金融城的A007地塊，是金融城起步區A007-1地塊項目中集商業、辦公于一體的超高層塔樓。A塔樓包括四層地下室，地上40層，總結構高度172m。本工程地下負四層、負三層及負二層主要為停車及設備用房，負一層及地上4層裙房為商業用房；A塔樓36層塔樓中，除16層、24層及34層為避難層外，其余均為辦公用房。
本工程抗震設防烈度為Ⅶ度，基本地震加速度為0.10g，設計地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類。由于A塔樓負一層至四層為人流密集的大型的商業建筑，抗震設防類別確定為重點設防類（乙類），抗震措施提高一度按Ⅷ度考慮；其余均為標準設防類（丙類）。本工程塔樓結構高度為172m，采用鋼筋混凝土框架—核心筒結構體系，周邊框架柱8層以下采用型鋼混凝土柱，核心筒為鋼筋混凝土剪力墻。
2、結構體系與結構布置
2.1、結構體系
通過前期對結構方案的合理性及經濟性的比選，本工程B級高度的A塔樓確定采用鋼筋混凝土框架—核心筒結構體系。A塔樓高寬比約為4.61，核心筒由樓梯間、電梯筒以及設備服務用房構成，與外框架共同為超高層塔樓提供了良好的抗側力剛度。
核心筒高寬比約為13.23，大于高規建議的高寬比12，并且在25層以上取消A-2軸（Y向）的一片主要受力剪力墻，造成Y向的整體穩定性和側向剛度較弱。為提高Y向整體穩定性和側向剛度，剪力墻厚度取為800~500mm。
由于首層大堂建筑的要求，形成10m通高無側向約束的外框框架柱，考慮到下部樓層框架柱的截面控制要求并提高框架柱的延性，框架柱8層以下采用鋼骨混凝土柱，含鋼率約為5%；其中9層和10層為過渡層，含鋼率約為2.5%。
2.2、樓蓋體系
根據結構體系特點、使用要求和施工條件，本工程均采用現澆鋼筋混凝土樓蓋體系。
地下室底板采用平板結構，板厚700mm；負三層及負二層采用無梁樓蓋，板厚300mm，其中人防區域板厚350mm；負一層及以上樓層采用梁板結構，負一層板厚180mm，首層板厚150mm，地上部分板厚為100、120mm等。剪力墻核心筒由樓梯間、電梯筒以及設備服務用房等構成，開洞較多，為加強筒體剪力墻的共同協調受力，板厚為150mm。
2.3、計算嵌固端的確定
本工程首層樓板存在大開洞的情況，設計時考慮以地下室負一層樓板做為嵌固端，此樓層采用現澆梁板樓蓋結構，樓板厚為180mm，采用雙層雙向配筋，且每層每個方向的配筋率大于0.25%；同時在不考慮地下室側約束的情況下由計算得地下二層與地下一層側向剛度比大于2，故本工程嵌固部位確定為地下室負一層。
3、荷載與地震作用
3.1、樓面荷載
本項目各區域的樓面荷載（附加恒載與活荷載）按規范與實際做法而取值。
3.2、風荷載及地震作用
根據廣東省標準的要求，結構承載力計算時按廣州市重現期為50年的基本風壓0.55kN/m2（A塔樓是對風荷載比較敏感的高層建筑，承載力設計時按基本風壓0.50kN/m2的1.1倍考慮）考慮，結構位移驗算時按重現期為50年的基本風壓0.50kN/m2考慮，建筑物地面粗糙度類別為B類。風荷載的取值是基于廣東省建筑科學研究院提供的《廣州國際金融城A007-1地塊項目風致結構響應分析報告》（2014年5月13日）以及荷載規范。
地震作用計算以國標GB50011-2010為標準，并參考場地地震安全性評估報告及第一次地質詳勘報告的結果，小震計算取規范與安評報告的包絡值，中震與大震計算按規范的參數。
4、結構超限判別及抗震性能目標
本工程塔樓采用鋼筋混凝土框架-核心筒結構體系，按照《高層建筑混凝土結構技術規程》（GDDBJ15-92-2013）的規定，框架－核心筒結構7度（0.1g）高層建筑的A級和B級適用的最大適用高度分別為130m、180m，本工程塔樓高172m，超過規范A級高度的33%，但未超過B級高度。
本工程結構類型符合現行規范的適用范圍，僅存在扭轉不規則、樓板不連續等1.5項不規則類別，本工程屬B級高度的超限高層建筑。針對結構高度及不規則情況，設計采用結構抗震性能設計方法進行分析和論證。設計根據結構可能出現的薄弱部位及需要加強的關鍵部位。
5、結構計算與分析
5.1、小震及風荷載作用分析
本工程多遇地震作用分析采用了振型分解反應譜法和彈性時程分析法，使用軟件為SATWE與GSSAP。
本工程為B級高度高層結構，抗震設防烈度為Ⅶ度，根據《高層建筑混凝土結構技術規程》第4.3.4條第2、3款和第5.1.13條的規定，需進行彈性時程分析法進行多遇地震下的補充計算。
采用SATWE進行彈性動力時程分析，輸入地震波為兩組實際地震記錄（SATWE軟件選波），并再由《廣州國際金融城A007-1地塊項目工程場地地震安全性評價報告》提供的地震波中選取一條場地合成人工波USER2（tt63%-2）輸入SATWE進行彈性動力時程分析。進行彈性動力分析時按Ⅶ度地震2類土，50年時限內超越概率為63.2%（小震），阻尼比為0.05考慮。
5.2、中震作用分析
對設防烈度地震（中震）作用下，除普通樓板、次梁以外所有結構構件的承載力，根據其抗震性能目標要求，按最不利荷載組合進行驗算，分別進行了中震彈性和中震不屈服的受力分析。計算中震作用時，水平最大地震影響系數αmax按規范取值為0.23，阻尼比為0.05。
采用中震彈性方法和中震不屈服方法對結構分別進行計算，并將計算得到的內力對各關鍵構件進行了詳細的構件驗算。結果顯示：關鍵部位剪力墻核心筒墻體、跨層柱滿足抗彎不屈服、抗剪彈性的要求，懸臂梁滿足彈性要求；框架柱滿足抗彎、抗剪不屈服；框架梁滿足抗彎、抗剪不屈服，Y向外框圈梁局部出現抗彎屈服；部分內外筒Y向連系框架梁出現抗彎屈服，部分樓層的連梁出來超筋的情況，但其均滿足抗剪截面驗算的要求。整體屬輕度損壞。
5.3、罕遇地震下的彈塑性時程分析
本工程的罕遇地震作用下的彈塑性時程分析采用了PER－FORM-3D以及通用有限元程序SATWE進行對比分析驗證。根據規范的要求，分析中使用不少于7組地震波輸入，其中要有五組真實地震記錄和兩組人工地震記錄。七組地震波均按照三向輸入。其加速度最大值按照1（水平1）：0.85（水平2）：0.65（豎向）的比例調整。在復雜彈塑性計算開始之前，將大震彈性反應譜和大震彈性時程分析基底反力進行了比較，以確保地震波的選取正確。
本工程采用彈塑性時程分析技術方法進行驗算，底部加強區核心筒（負1~4層）存在1%的墻鋼筋進入屈服，處于直接居住極限狀態以下，部分剪力墻出現出現輕微到中度損傷，滿足最小截面驗算要求；非底部加強區核心筒墻體混凝土輕微至輕度損傷，鋼筋未出現塑性應變，滿足最小截面驗算要求；跨層柱、懸臂梁滿足不屈服；2層和頂層部分框架柱出現屈服，滿足最小抗剪截面驗算；個別位置外框梁屈服；大部分連梁和普通框架梁出現塑性，小部分連梁和普通框架梁出現抗彎損壞，但其均滿足抗剪截面驗算的要求。整體結構屬輕度損壞，滿足罕遇地震作用下抗震性能目標。
6、結論
（1）本工程塔樓結構高度172.8m，存在扭轉不規則、樓板不連續等多項不規則，結構設計通過概念設計、方案優選、詳細的分析及合理的設計構造，采用的局部樓層框架柱為鋼骨混凝土柱的鋼筋混凝土框架-核心筒結構體系，滿足設定的性能目標要求，結構方案經濟合理，抗震性能良好。
（2）本工程A塔樓在25層以上取消A-2軸（Y向）的一片主要受力剪力墻，造成Y向的整體穩定性和側向剛度較弱。在罕遇地震作用下收進樓層以上的剪力墻出現輕度損傷，應增大此處的剪力墻鋼筋，提高剪力墻的延性，增強Y向整體穩定性和側向剛度。
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