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摘要：星汇海珠湾项目A5塔楼采用剪力墙结构体系，为体型不规则的B级高度建筑。运用结构设计概念，在设计中采用了基于性能的抗震设计方法，利用承载力与变形验证不同水准下结构的抗震性能，包括小震弹性计算，中震等效弹性设计，以及罕遇地震下的弹塑性分析。提出了相应的超限设计措施，使结构实现预定的性能目标。
关键词：超限高层；基于性能的抗震设计；抗震性能目标
1 工程概况
星汇海珠湾项目地块位广州市海珠区西部，其中316地块包括A1~A5五幢超高层塔楼，均带一层商业裙房，各栋通过在裙房设防震缝断开连接。其中A5塔楼为144.7m高的29层商业配套服务用房，首层~2层为架空层，3~29层为5米高的标准层（其中11,21层为3.6米高的避难层）；设3层地下室，底板标高-12.500m，地下室为停车库和设备用房，塔楼建筑面积31483m2。
本工程结构设计使用年限为50年，建筑结构安全等级为二级；抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.1g，地震动力反应谱特征周期0.35s，设计地震分组为第一组，抗震设防分类为丙类。控制结构水平位移的基本风压按50年重现期的风压Wo=0.50KN/m2，承载力设计时按基本风压的1.1倍。地面粗糙度类别为C类，体型系数取1.4。
2结构体系及基础
A5塔楼总高度为144.7m，平面为54.60×21.7m，高宽比为6.7（Y向），采用剪力墙结构体系，以地下室底板为设计嵌固端。A5标准层结构布置如图2所示。
由于结构Y向高宽比较大，结构抗侧刚度要求较高，需尽量利用建筑条件如核心筒、电梯、楼梯间处设置剪力墙以提供较大的抗侧刚度；同时为保证合理的抗扭刚度，沿建筑周边有条件的地方尽量布置剪力墙及设尽可能高的框架梁。由于地下室建筑专业车位布置以及保证标准层建筑使用空间需要，导致X向周边墙肢翼缘较短，墙肢厚度不能过大，标准层典型X向周边短翼缘墙肢尺寸为300x700。同时由于裙房架空层高度较大，为了减少楼层刚度、抗剪承载力突变以及剪力墙稳定性计算需要，底部剪力墙墙厚加厚至400mm，其它层剪力墙厚度沿高度逐渐减少至200mm。竖向构件的混凝土强度等级逐步变化，塔楼9层以下剪力墙混凝土为C60，9层以上均匀过渡到C35。楼盖采用现浇钢筋混凝土梁板体系,板厚150mm~160mm，混凝土强度等级为C30。塔楼基础采用筏板基础，筏板持力层为中风化泥质粉砂岩。
3 结构分析
A5塔楼主要超限情况为：1.塔楼为剪力墙结构，主体高度为144.7m，根据规范[1]规定属于B级高度建筑；2.根据YJK计算结果，平面扭转位移比最大值为1.23，按照规范[1]规定属于I类平面扭转不规则。针对以上超限及不规则情况，结构分析设计中采用了基于性能目标的抗震设计方法，利用承载力与变形采用不同软件验证不同水准下结构的抗震性能，包括小震弹性计算，中震等效弹性计算，以及罕遇地震下的弹塑性分析。根据工程结构的特点，选定结构性能目标为C级，构件各阶段抗震性能目标见表1。
3.1 小震作用下的弹性分析
小震下的结构整体分析采用SATWE[2]和YJK[3]软件进行静力弹性计算。在两个软件中均设置一致的分析参数，结构计算考虑偶然偏心地震作用、扭转偶联及施工模拟，考察结构整体指标时采用刚性楼板假定，结构构件的抗震等级和梁、柱、板等参数均严格按照规范规定设置。结构整体分析主要结果见表2。
小震弹性计算分析表明：两个软件的计算结果基本接近，表明计算模型是基本准确的，计算结果是合理和有效的，可以作为设计依据。基底剪重比按照规范[1]的方法调整，即当计算结果不满足时，直接放大地震剪力以提高结构的抗震承载力，结构整体刚度按层间位移角限值控制。楼层侧向刚度比及受剪承载力均满足规范要求。刚重比大于1.4，满足规范[1]第5.4.4条的强制性要求，但刚重比均小于2.7，需考虑重力二阶效应。
3.2 弹性时程分析
根据抗规第5.1.2条和高规第4.3.4条的规定，A5楼房屋高度144.70m，需采用时程分析法进行多遇地震下的补充计算。按建筑场地类别和设计地震分组选用不少于五组实际强震记录和二组人工模拟的加速度时程曲线，计算结果取时程法的平均值和振型分解反应谱法的较大值，多组时程曲线的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符，其加速度时程的最大值按《建筑抗震设计规范》表5.1.2-2采用。弹性时程分析时，每条时程曲线计算所得结构底部剪力不小于振型分解反应谱法计算结果的65% ，多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不小于振型分解反应谱法计算结果的80%。反应谱方法计算得到的最大楼层剪力、位移和弯矩除顶部局部楼层略小于弹性时程分析的均值外，大部分楼层均大于时程分析的平均值[4]，施工图设计时，结构地震作用效应取时程法计算结果的平均值与振型分解计算结果的最大值包络设计。
3.3中震性能分析
根据规范[1]第3.11.3条的规定，对中震的第3性能水准采用等效弹性方法计算，按规范[1]第3.11.3条第3款规定，控制各类构件在中震下的受弯及受剪承载力满足第3水准的要求。采用YJK软件计算，中震分析的地震动参数按规范取值：αmax =0.23，Tg=0.35s ；结构中震整体计算主要参数详下表：
注：未注明计算参数与小震相同，不考虑跟抗震等级有关的调整系数，材料强度采用标准值
中震等效弹性计算结果表明[4]，较少部分楼层个别的连梁及框架梁出现超筋情况，关键构件、一般竖向构件均可控制弯剪不超筋，竖向构件受剪截面均不超限，取竖向构件的中震验算结果与小震弹性计算结果的大值进行设计，即可满足中震达到第3性能水准的要求。
3.4大震分析
3.4.1. 罕遇地震作用下的等效弹性分析
根据规范[1]第3.11.3条规定，第3、4、5性能水准的结构宜以大震弹性地震力控制竖向构件的受剪截面，以保证不发生剪切破坏。本工程大震下的性能目标定为第4性能水准，采用YJK，依据规范[1]第3.11.3条的相关公式进行竖向构件弹性大震下的受剪截面验算。等效弹性计算时，结构大震整体计算主要参数详下表:
注：未注明计算参数与小震相同，不考虑跟抗震等级有关的调整系数，材料强度采用标准值
大震等效弹性计算结果[4]表明在大震作用下剪力墙的竖向构件均能满足规范要求。
3.4.2罕遇地震作用下的弹塑性分析
对于大震下结构的弹塑性计算，按规范[1]第3.11.4条的相关规定，对高度不超过300m的超高层建筑，如结构较规则，且基本振型的质量参与系数不小于50％的结构可采用静力弹塑性方法。本工程高度为144.7米，且结构较规则，因此采用静力弹塑性分析。弹塑性的目的为对结构整体进行性能评估，考察结构的最大弹塑性层间位移角是否满足规范要求，采用PKPM进行弹塑性静力分析结果[4]表明，性能点对应的最大层间位移角：X向为1/154，Y向为1/185，均满足小于1/120的预设目标，结构具有较大的承载力及较好的延性，能够满足“大震不倒”的抗震设计目标。
3.5 X向周边短翼缘墙肢包络设计
由于建筑专业使用限制，X向周边短翼缘墙肢较多，对结构抗震延性不利，通过中、大震性能补充分析，提高短翼缘墙肢的抗震承载力及整体结构的抗震延性。在多遇地震作用时，X向周边短翼缘墙肢弯剪均无超限，按此模型计算分析结果配筋可满足小震承载力要求。中、大震等效弹性分析，在不考虑X向周边短翼缘墙肢作用时，结构其他竖向构件剪压比均仍无超限。大震作用下，不考虑X向周边短翼缘墙肢作用下的弹塑性层间位移角为1/137，满足规范要求，说明结构周边X向短翼缘墙肢即使在全部屈服失效、退出工作后，结构仍能满足“大震不倒”设防目标。X向周边短翼缘墙肢承载力设计时，按考虑X向周边短翼缘墙肢的小震、中震性能设计结果以及不考虑X向周边短翼缘墙肢中震性能设计结果对竖向构件的弯剪配筋值进行包络设计，同时构造上对短翼缘墙肢按框架柱要求进行配筋，进一步来提高短翼缘墙肢的抗震能力[4]。
4 结语
综上所述，本工程着重概念设计，结构体系选择恰当，结构布置、构件截面取值合理，结构位移符合规范要求，剪重比适中，结构具有良好的耗能机制，针对超出规范限值的情况已按规范要求做出相应的补充分析和加强构造处理，能满足现行规范的“小震不坏，中震可修、大震不倒”的抗震设防要求。
参考文献:
[1] 广东省标准<高层建筑混凝土结构技术规程>(DBJ15-92-2013).中国建筑工业出版社，2013
[2] 中国建筑科学研究院PKPM CAD工程部 SATWE用户手册及技术条件S-3（2010版）
[3] 北京盈建科软件股份有限公司 结构计算软件YJK-A 用户手册及技术条件 2015
[4] 广州城建开发设计院有限公司.星汇海珠湾项目(AH050316)（A1~A5超限设计的可行性论证报告) 2016
注释:
[1]JGJ3-2002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，2002.
[2]中国建筑科学研究院PKPM CAD工程部. SATWE用户手册及技术条件S-3[M].2005.
[3]北京金土木软件技术有限公司，中国建筑标准设计研究院. ETABS中文版使用指南[M].2005.
论文作者:李龙辉
论文发表刊物:《基层建设》2017年第10期
论文发表时间:2017/7/26
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