王鹏， 许平， 胡振杰
（成都基准方中建筑设计有限公司，成都610011）
[摘要] 中和镇府河地块·嘉年华二期商业项目中的超高层办公塔楼，为高位转换超限结构，房屋高度为115. 950m，属B级高度。介绍了结构体系、结构性能分析等内容。基于抗震性能设计方法，采用YJK和ETABS软件对此结构进行了多遇地震作用下的弹性分析，采用YJK软件进行了设防烈度地震作用下关键构件的性能分析，采用STRAT软件进行了罕遇地震作用下的弹塑性时程分析。分析结果表明，结构可满足预定的抗震性能目标。
[关键词] 超限高层；高位转换；抗震性能设计；弹塑性分析
1 工程概况
中和镇府河地块·嘉年华二期商业项目位于四川省成都市天府新城，用地性质为商业。项目地上分为9栋楼，1号楼为幼儿园，4号楼与9号楼为多层独立商业，其他为高层办公塔楼，其中5号楼为超高层塔楼（图1）。本文主要介绍5号超高层塔楼的结构设计与分析。该塔楼地下3层，地上24层，房屋高度115. 950m（含室内外高差0.Im）；地下2，3层为车库，地下1层及地上1~4层为商业，5层及以上为办公，11层为避难层；地下1层~地下3层层高分别为6.3，3.8，3. 7m，地上1~3层层高为4. 5m，4层层高为6.Om，11层层高为3.3m，标准层层高为4. 9m。为实现底部大开间，将上部剪力墙进行转换，在塔楼底部4层顶设置结构转换层，形成底部大空间的框支剪力墙结构。5号楼剖面图如图2所示。本工程安全等级为二级，设计使用年限为50年；抗震设防类别为标准设防类，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0. lOg，设计地震分组为第三组；场地类别为Ⅱ类，场地特征周期为0. 45s，基本风压为0. 30kN/m2（50年重现期），地面粗糙度类别为C类。
2 结构体系与结构布置
结构体系为部分框支剪力墙结构，楼面、屋面均采用现浇钢筋混凝土梁板体系。转换层设置在4层顶，属于高位转换，采用传力途径直接、明确的梁式转换方式。转换层结构平面如图3所示，标准层结构平面如图4所示。结构布置时，利用楼电梯间等竖向交通布置落地剪力墙，大部分上部剪力墙均落在转换主梁上，避免多次转换的不利形式。主要构件截面及其混凝土、钢筋强度等级见表1。
3 结构超限情况及抗震性能目标
本工程房屋高度为115. 950m，属于B级高度的高层建筑，考虑偶然偏心的位移比大于1.2，属于扭转不规则。针对项目超限情况，依据《高层建筑混凝土结构技术规程》( JGJ 3-2010)（简称高规）选用D级性能目标及相应的抗震性能水准，各构件的抗震性能目标及所采用的分析软件见表2。
4 抗震等级
本工程的抗震设防类别为标准设防类（丙类），根据高规及《建筑抗震设计规范》( GB 50011-2010)（简称抗规），结构各构件抗震等级见表3。
5 整体结构计算分析
5.1小震弹性分析
采用YJK与ETABS软件对结构进行整体计算对比。采用振型分解反应谱法（CQC法）计算结构在小震作用下的动力响应，部分计算结果见表4。由表可见，YJK与ETABS两个软件的计算结果均比较接近，相互验证了计算结果的可靠性。分析结果显示，结构满足小震作用下的性能目标。
采用5组天然波和2组人工波对结构进行弹性时程分析，弹性时程分析得到的基底剪力见表5。计算结果显示，每条时程曲线计算所得结构基底剪力在规范反应谱计算基底剪力的65%—135%范围内，多条时程曲线计算所得结构基底剪力的平均值在规范反应谱计算基底剪力的80%~120%范围内，满足规范要求。对七组地震波的剪力平均值与振型分解反应谱的基底剪力进行比较，并依据两者较大值对楼层地震作用标准值进行调整。
5.2中震分析
5.2.1中震弹性计算
本工程对关键构件（框支框架及底部加强部位剪力墙）提出了中震弹性的抗震性能设计目标。中震弹性计算采用规范反应谱，地震最大影响系数ama=0.23，周期折减系数取1.0，不考虑风荷载，结构阻尼比取0. 06，中梁刚度放大系数取1.2，连梁刚度折减系数取0. 55，不考虑与抗震等级有关的内力放大系数，保留荷载分项系数、材料分项系数和承载力抗震调整系数，材料强度取设计值。
采用YJK软件对结构进行中震弹性计算，计算结果表明：部分框支柱和底部加强部位剪力墙的中震弹性计算的配筋值大于多遇地震计算结果，但无超筋现象，施工图设计时对其按中震弹性计算的配筋结果予以加强；框支梁及框支次梁的配筋值与多遇地震计算结果基本相同，且无超筋现象；关键构件的受剪截面满足中震弹性要求。
5.2.2中震不屈服计算
考虑本工程特殊性，对转换层以上X向框架梁提出了中震下抗剪不屈服、部分抗弯屈服的性能目标。中震不屈服计算采用规范反应谱，地震最大影响系数amax=0.23，周期折减系数取1.0，不考虑风荷载，结构阻尼比取0. 06，中梁刚度放大系数取1.2，连梁刚度折减系数取0. 55，不考虑与抗震等级有关的内力放大系数，不计算荷载分项系数和承载力抗震调整系数，材料强度取标准值。
采用YJK软件进行中震不屈服计算，计算结果表明，X向最大层间位移角为1/407，y向最大层间位移角为1/405，小于3倍弹性层间位移角限值( 1/333)；普通竖向构件仅有个别墙肢的配筋存在超筋现象，抗弯进入屈服阶段，但其受剪截面满足中震不屈服要求；转换层以上X向框架梁仅部分抗弯屈服，抗剪均未屈服；部分耗能构件中震不屈服计算结果显示超筋，构件进入了屈服阶段。
通过以上分析，在设防烈度地震作用下，关键构件能够满足中震弹性要求，整体结构满足性能水准4的要求。
5.3大震弹塑性时程分析
框支剪力墙结构上部荷载只能通过转换构件的内力重分配才能向下传递，转换构件受力复杂。针对本工程的实际情况，对结构中关键构件（框支框架及底部加强部位剪力墙）提出大震下抗弯、抗剪不屈服的性能目标，对普通剪力墙及转换层X向框架梁提出受剪截面满足大震不屈服的性能目标。
采用STRAT软件对结构进行大震作用下的弹塑性时程分析。从弹性时程分析的七组双向地震波中选用一组人工波（人工波一）、两组天然波（天然波一、天然波二）共三组地震波进行大震作用下的弹塑性时程分析。弹塑性时程分析时，主方向与次方向地震波峰值比取1：0. 85，地震波持续时间为20s，主方向地震波峰值取220cm/s2，Tg取o．5s。
5.3.1整体计算结果
结构在三组地震波作用下的弹塑性时程分析整体计算结果见表6，各组地震波均按主方向为X向、y向分别计算。从计算结果可以看出，大震下最大层间位移角为1/135，位于第20层，满足规范对罕遇地震作用下层间位移角的限值( 1/100)要求。结构层间位移角以人工波-x主方向计算结果最大，以下分析均以人工波-x主方向地震作用下的结构反应为例。
5.3.2框支梁、框支柱的应力、应变分析
框支梁纵向钢筋应力、应变分布见图5，框支梁混凝土应力、应变分布见图6，图中应力、应变均以压为正、拉为负，余同。可以看出，框支梁纵向钢筋最大拉应力为320. 6MPa、最大压应力为390MPa，均小于钢筋强度标准值400MPa，对应的最大拉应变为0. 001 6、最大压应变为0.001 95，均小于钢筋屈服应变0. 002，说明罕遇地震作用下框支梁纵向钢筋未出现屈服。框支梁混凝土大部分压应力小于混凝土抗压强度标准值38. 5MPa，局部应力集中位置的应力达到38. 46MPa，略小于混凝土抗压强度标准值，说明罕遇地震作用下框支梁混凝土未出现屈服。
框支柱纵向钢筋应力、应变分布如图7所示，框支柱混凝土应力、应变分布如图8所示。可以看出，框支柱纵向钢筋的最大拉应力为183. 67MPa、最大压应力为255. 38MPa，均小于钢筋强度标准值400MPa，混凝土最大压应力为30. 97MPa，小于混凝土抗压强度标准值38. SMPa，混凝土最大压应变为0. 000 86，小于0.002，说明罕遇地震作用下框支柱钢筋及混凝土未出现屈服。
5.3.3落地剪力墙的应力、应变分析
首层落地剪力墙纵向钢筋应力、应变分布如图9所示，首层落地剪力墙混凝土应力、应变分布如图10所示。可以看出，剪力墙纵向钢筋最大压应力为111. 30MPa，小于钢筋强度标准值400MPa，混凝土最大压应力为18. 56MPa，小于混凝土抗压强度标准值38. 5MPa，混凝土最大压应变为0.000 54，小于0. 002，说明罕遇地震作用下首层落地剪力墙的纵向钢筋及混凝土均未出现屈服。
5.3.4转换层楼板应力、应变分析
本工程为部分框支剪力墙结构，为保证转换层处非落地剪力墙的水平剪力能够通过楼板有效传递给落地竖向构件，对转换层楼板进行有限元应力、应变分析。
计算结果表明，大部分楼板钢筋最大拉应力为333. 6MPa、最大压应力为399. 2MPa，小于钢筋强度标准值400MPa，且未出现塑性应变，局部应力集中位置的应力接近或达到钢筋强度标准值400MPa，产生轻微塑性应变。最大拉应力对应最大拉应变为0. 001 7，最大压应力为对应最大压应变为0.002 2。
转换层楼板混凝土最大压应力为37. 7MPa，小于混凝土抗压强度标准值38. 5MPa，对应的最大压应变为0. 001 7，即转换层楼板未产生塑性变形，罕遇地震下转换层楼板混凝土未出现屈服。
6 主要抗震加强措施
6.1关键构件
(1)控制底部加强部位剪力墙、框支柱轴压比：底部加强部位剪力墙轴压比小于0.4，框支柱轴压比小于0.5，且采用高强混凝土C60。
(2)对关键框支柱增设芯柱：对于角柱及轴压比较大的框支柱（轴压比大于0.4）增设芯柱，以提高其延性，芯柱配筋率不小于0.8%。
(3)控制底部加强部位剪力墙水平和竖向分布筋最小配筋率：底部加强部位落地剪力墙水平和竖向分布筋配筋率不小于0. 4%，转换层以上两层不落地剪力墙水平和竖向分布筋配筋率不小于0. 6%。
6.2转换层楼板
(1)加强转换层及其上下相邻两层板厚及配筋：转换层板厚取180mm，局部应力较大处板厚取200mm，配筋率不小于0.25%（双层双向），转换层上下相邻两层板厚依次取150，120mm。
(2)根据楼板应力分析结果，加大应力集中部位（如楼板洞口周边、竖向构件角部）的楼板配筋。
7 结论
本工程为高位转换框支剪力墙结构，属B级高度超限高层建筑。针对超限内容，对关键构件（框支框架、底部加强部位剪力墙）及转换层楼板采取加强措施。并采用多种计算软件进行弹性、弹塑性分析。
分析结果表明，所有指标均满足相关规范要求，多遇地震时能保证各构件处于弹性阶段；中震时关键构件处于弹性阶段，个别普通竖向构件屈服，但受剪截面满足中震不屈服；罕遇地震时底部加强部位剪力墙、框支框架未屈服，薄弱部位层间变形满足规范要求，结构能够实现预期的抗震性能目标D。本工程的设计于2014年10月通过四川省抗震设防专项审查。
