摘要：在超高层建筑结构当中，混合框筒结构体系的应用逐渐普遍，成为现代超高层建筑中使用较多的结构体系之一。本文依据具体工程概况，对建筑结构的关键构件、普通竖向构件和耗能构件的性能水准进行分析，希望从中得出有效的设计技术，推动超高层建筑工程的顺利进行。
关键词：超高层建筑；混合框筒结构；抗震性
前言
经济的发展越来越快，人口数量也在不断的增加，住房的需求量也就越来越多，为了节省土地面积，便出现了越来越多的超高层建筑，超高层建筑结构由于楼层数多、投资较大、建造周期长、受力复杂，结构成本比重高，时间空间效益成本也比较高，是否进行结构的优化会对结果产生很大的影响，结构和设备在施工过程中的安全性更是制定施工组织计划、优化施工方案时首要关注的问题。
1.工程概况
某高层写字楼，建筑总高度250m，占地面积2000㎡，总建筑面积9.8万m2。标准层的层高为4.2m，并分别在12层、22层、34层及45层共设有4个建筑避难层，层高均为5.5m。建筑底部设有14m通高大堂，核心筒内每隔4.5m均有现浇砼板，核心筒外均无钢管柱与核心筒之间的拉结梁。建筑剖面如图1所示。
图2 建筑剖面图
拟建场地原始地貌单元属冲海积阶地，场地整体较平坦、开阔。中风化花岗岩埋深为现有地面往下28m～40m，厚度约5m～8m，下为微风化花岗岩，基岩埋深较浅[1]。
建筑抗震设防类别为重点设防类，建筑结构安全等级为二级，设计使用年限50年。所在地区的抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度0.15g，设计地震分组：第三组；场地类别：II类；特征周期根据规范为Tg=0.45s。50年一遇的基本风压：0.7kN/m2，风荷载体型系数1.4，地面粗糙度类别：A类。结构抗震等级：框架为一级、核心筒为特一级。
2.伸臂加强层的位置
该工程高宽比基本能满足规范要求，但是由于地处沿海地区，风荷载大，风荷载作用下不做伸臂加强层，刚度比不能满足规范要求。伸臂钢桁架连续布置，穿过核心筒剪力墙，与外框架柱连接成整体，外框柱的拉压作用及钢臂的连接，进一步有效地提高整个结构的抗侧刚度及控制整体结构位移。由于伸臂层的位置首选0.6H高处及顶层，但顶层因建筑功能需要不宜设置。根据避难层位置及伸臂位置进行对比分析，确定34层和45层为最佳伸臂加强层。详见图2。
图2 加强层伸臂桁架布置
3.抗震性能设计
3.1抗震性能目标
选用性能目标时，需综合考虑抗震设防类别、设防烈度、场地条件、结构的特殊性、建造费用、震后损失和修复难易程度等因素。该工程结构高度超过B级高度较多且存在不规则性，根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（以下简称《高规》）3.11.1条及《建筑抗震设计规范》附录M，最低性能目标选用C级，具体抗震性能目标如表4所示。
3.2多遇地震下结构计算分析
依据表1，首先采用考虑扭转耦联的振型分解反应谱法进行多遇地震下结构计算分析（考虑偶然偏心和双向地震）[2]。采用SATWE、ETABS和MIDAS3种程序分别计算，两种程序计算出的主要指标比如层间位移角、周期比、剪重比等大致相同，同时均满足规范要求，位移比除首层、34层超过1.2外，其余均小于1.2。
表1 抗震性能目标
3.3 中震下结构计算分析
中震计算地震影响系数取0.34，中震计算时，连梁刚度折减系数取0.5，中梁刚度放大系数取1.5，阻尼比取5%。中震弹性设计应采用作用分项系数、材料分项系数和抗震承载力调整系数，构件的承载力计算时材料强度采用设计值，不考虑构件抗震等级，对加强层及其上下层剪力墙、钢管柱以及底层14m高，顶层25m高钢管柱等关键构件内力放大1.2倍。中震不屈服设计不采用作用分项系数、材料分项系数和抗震承载力调整系数，构件的承载力计算时材料强度采用标准值。采用SATWE进行计算[3]。
3.3.1结构构件中震弹性设计
结果表明：钢管混凝土柱、伸臂层及其上下层墙均处于弹性状态；剪力墙剪压比满足规范要求，抗剪截面处于弹性状态。首层的计算指标如图3所示。
图4 伸臂桁架中震不屈服验算应⼒比
墙轴力取标准值核心筒底部墙肢拉力的计算采用的荷载工况为：1.0恒载+0.5活载+1.0双向地震（中震），计算时不考虑内力放大系数。计算考虑墙肢中型钢的作用，墙肢中的型钢根据钢和混凝土的刚度比，折算为一定厚度的混凝土。最大拉应力出现在底部的核心筒角部墙肢，可以满足《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》要求。
3.4罕遇地震下结构弹塑性分析
采用MIDAS 对结构进行静力弹塑性和动力弹塑性时程分析；计算模型中结构主体范围内采用刚性楼板假定，为考虑加强层楼板对桁架影响，对加强层上下层楼板采用了实际楼板刚度；考虑1.0恒载+0.5活载作为结构初始荷载，并考虑重力二阶效应；用模态加载方法进行静力弹塑性分析；动力弹塑性分析采用直接积分法；动力弹塑性分析地震波采用双向地震输入，主次方向地面加速度峰值比值为1∶0.85。
3.4.1静力弹塑性分析
根据结构的能力谱曲线与7度（0.15g）罕遇地震需求谱相交点，确定结构性能点。在性能点对应的地震作用下，结构X向层间位移角最大值为1/137（33F），结构Y向层间位移角最大值为1/129（25F）。
3.4.2动力弹塑性分析
结构在地震波作用开始阶段，弹性及弹塑性顶点位移基本一致，时程曲线基本重合，一段时间后，结构出现损伤，耗能构件屈服，结构刚度退化，结构阻尼增大，周期变长，弹塑性位移时程曲线滞后于弹性时程曲线。
3.4.3结构构件抗震性能设计
大震下静力弹塑性推覆分析和动力弹塑性时程分析结构的破坏形态基本一致，动力弹塑性时程分析更能反映结构延性和耗能能力，更真实地模拟地震作用。在7条波中，选取一条对结构损伤较大（基底剪力及层间位移角均较大）的天然波T024，研究结构在天然波T024的作用下，结构构件及整体的变形性能，并找出结构的薄弱部位。
（1）框架钢梁抗震性能分析：在结构中高层区域框架钢梁的延性比（总变形/屈服变形）比较大，但框架钢梁绝大部分均处于弹性状态，45F伸臂层及其上下层外围边跨框架钢梁进入塑性状态，但未进入全截面屈服状态。
（2）钢管混凝土柱抗震性能分析：弯曲成分延性较大区域在两个伸臂层及其上下层，最大延性比为0.82；轴力成分延性较大区域在34层伸臂层及以下几层，最大延性比为0.72。底部14m高柱轴力成分最大延性比发生在角部为0.24，弯曲成分最大延性比为0.14。顶部25m高柱轴力成分最大延性比为0.04，弯曲成分最大延性比为0.16。均在弹性范围内[4]。
（3）伸臂桁架抗震性能分析：两个方向最大延性比分别为1.76和1.55，均为斜腹杆，斜腹杆最大应力为390MPa已屈服；两个方向弦杆的最大延性比为0.43，处于弹性状态。
（4）核心筒混凝土连梁抗震性能分析：在5s时刻剪力墙突变处（23F）及其下几层连梁开始屈服出现塑性铰；在5s时刻大部分连梁均已开裂，10s时刻大部分连梁已经屈服出现塑性铰；15s时刻后出现塑性铰的位置趋于稳定。
（5）核心筒剪力墙抗震性能分析：在5s时刻结构底部及伸臂桁架上下几层外围剪力墙出现开裂，产生拉弯损伤；10s时刻结构大部分外围剪力墙开裂，结构底部及伸臂桁架上下几层剪力墙出现拉弯屈服和受拉屈服；15s后剪力墙损伤趋于稳定。
3.4.4弹塑性分析结论
综上弹塑性分析结果，结构在罕遇地震作用下，最大层间位移角小于规范要求，整体上可以实现“大震不倒”设防目标；大部分连梁出现不同程度塑性，形成了塑性铰，符合屈服耗能的抗震工程学概念；下部剪力墙及加强层处剪力墙出现不同程度损伤，结构薄弱部位在结构底层及加强层上下层；伸臂桁架构件斜腹杆出现屈服，弦杆处于弹性状态；钢管混凝土柱未出现屈服，大部分钢梁未屈服，剪力墙受剪截面满足截面限制条件，结构有一定的安全贮备。
4.其他设计关键技术-跃层柱的屈曲分析
4.1恒+活荷载作用下的稳定验算
该结构首层存在14m通高柱、顶部观光会所存在25m通高柱，为保证在轴力作用下柱的稳定，采用MI-DAS软件，对底层和顶层框架柱顶部施加单位力进行屈曲分析，将单位力设为变量，分析结果如下：
（1）底部柱：临界荷载Ncr=3461462kN，恒+活N=44034kN，安全系数λ=78.61。
（2）顶部柱：临界荷载Ncr=286907kN，恒+活N=5709kN，安全系数λ=50.3。
由上可知：在恒荷载和活荷载作用下，底部及顶部跃层柱具有足够的整体稳定性。
4.2恒+活+风荷载作用下的稳定验算
由于在结构顶部风荷载较大，49层25m通高柱可能在柱间侧向风荷载作用下会失稳，因此对25m通高柱进行几何非线性分析。结构整体施加的荷载工况为：恒+活+整体风+柱间线荷载风（50kN/m）+柱顶（50000kN节点力），通高柱相关范围梁柱应力最大为330MPa，小于345MPa，接近于临界值，可认为此时为临界状态。此时柱Ncr=48248kN，而D+L时N=5709kN，安全系数λ=8.45。故，25m通高柱在恒+活+风荷载作用下具有足够的安全储备，不致因失稳而屈曲破坏。
综上所述，结构作为建筑工程的支撑构架，结构设计合理与否，将直接影响到后续工程的有序开展和工程整体质量。由于超高层建筑结构由于楼层数多、投资较大、建造周期长、受力复杂，因此对于结构设计有很大的挑战性。
（1）对于高层建筑设计，前要要对伸臂位置及数量进行对比分析，再选出最佳方案。同时要注意结构刚度及内力突变，还要考虑结构施工中竖向变形对伸臂桁架的影响。
（2）通过对核心筒剪力墙设置钢框架、增大墙体的配筋可提高抗剪承载力，控制好层间位移可保证钢管桩的稳定性。
（3）通过对结构不规则程度的分析，对关键构件、耗能构件性能的确定，可通过设计方法实现预期的性能目标。
参考文献：
[1] 陈麟，张耀春，周云.大型支撑框筒结构的非线性地震反应分析[J].地震工程与工程振动.2005（02）43-45
[2] 黄海滨.超高层建筑结构经济性探讨[J].四川水泥.2016（08）172
[3] 杨毅.浅谈高层建筑结构设计的问题与思考[J].四川建筑.2013（06）166-167
[4] 卓瑜，林新阳.浅谈超高层建筑结构设计的若干问题[J].广东土木与建筑.2001（03）31-32+30
论文作者:丁彦江
论文发表刊物:《基层建设》2018年第29期
论文发表时间:2018/11/26
标签：结构论文; 塑性论文; 荷载论文; 延性论文; 构件论文; 性能论文; 桁架论文; 《基层建设》2018年第29期论文;