深圳市华阳国际工程设计股份有限公司广州分公司510655
摘要：越秀展览中心项目属体型复杂、不规则类型较多的大底盘多塔超限高层结构。本文主要针对超限高层建筑进行了结构弹性、弹塑性分析以及针对结构中出现的不规则类型进行了专项分析，通过合理的针对性较强的措施保证结构性能满足抗震设防性能目标的要求。
关键词：复杂超限高层结构；抗震性能设计；动力弹塑性时程分析
1工程概况
本工程位于广州市越秀区，地上一到六层为集展览、会议、办公、商业等多种功能为一体的综合楼，七到十六层为两栋办公楼，三层地下室，结构高度约65米，见图1。
结构使用年限为50年，建筑抗震设防类别为商业裙楼乙类、办公塔楼丙类，抗震设防烈度为7度，Ⅱ类场地，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度值为0.10g，特征周期0.35s。50年基本风压值为0.50kN/m2。
图2剖面示意图
2结构体系及特点
本工程结构体系采用框架-剪力墙结构，嵌固层设置在首层顶板面。中庭约48x54米大空间采用钢砼组合结构（详见《广州越秀展览中心项目大跨度结构设计》一文），其余裙楼及塔楼均采用钢筋混凝土梁板结构体系。本项目南北两栋办公塔楼均为常规的框架剪力墙结构，主要复杂及不规则类型集中在底下六层的大底盘裙楼。主要的不规则项有：
（1）竖向构件不连续。塔楼部分框架柱不能落地，需在裙楼屋顶进行托换；原已建柱基础承载力不足，部分框架柱需要进行桁架转换。
（2）楼板不连续。局部不利位置楼板有效宽度为典型楼板宽度的72%。
（3）尺寸突变。本结构为大底盘多塔结构，在裙房屋顶层处（结构高度的48.8%高于20%），且竖向构件收进大于25%。
（4）扭转不规则。
根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》，本结构属于超限高层，须进行抗震设防专项审查。
3结构性能目标设定及分析
3.1性能目标设定
本工程的抗震设计在满足国家及地方规范的基础上，根据性能化抗震设计的概念进行设计。本工程房屋高度为A级高度，参考《高层建筑混凝土结构技术规程》DBJ15-92-2013将其性能目标定位性能C级。性能目标C是指多遇地震下满足结构抗震性能水准1的要求，设防地震下满足性能水准3的要求，预估罕遇地震下满足性能水准4的要求。
3.2多遇地震弹性分析
本工程采用YJK和Midas软件进行多遇地震的对比分析，并根据《高层建筑混凝土结构技术规程》DBJ15-92-2013规定，采用弹性时程分析法进行补充分析。两种软件的分析结果详见下表一，可得出以下结论：采用YJK和Midas两种不同力学模型的空间分析程序对结构进行弹性分析，两者吻合程度较好。
表一
时程分析采用7条地震波进行分析，其中两条为场地人工波，另外5条为实际记录地震波。按7度地震，Ⅱ类场地，50年时限内超越概率为63.2%（小震），阻尼比为0.04考虑。分析结果见图3~图6。
图6
分析结果表明：（1）弹性时程分析采用了五组实际记录的地震波及两组人工地震波，符合《高层建筑混凝土结构技术规程》（DBJ15-92-2013）第4.3.5条规定，时程分析结果满足平均底部剪力不小于振型分解反应谱法结果的80％，每条地震波底部剪力不小于反应谱法结果的65％的条件。
（2）由上述各图对比可见，弹性时程分析的基底剪力和位移平均值均小于规范反应谱结果，反应谱分析结果在弹性阶段对结构起控制作用，可用于配筋设计。
（3）楼层位移曲线以弯剪型为主，位移曲线在裙楼顶位置有突变，跟实际情况相符。裙楼以上位移曲线光滑无突变，反映结构侧向刚度较为均匀。
3.3中震分析
采用YJK软件对设防烈度地震（中震）作用下，除普通楼板、次梁以外所有结构构件的承载力，根据其抗震性能目标，结合广东省《高规》中“不同抗震性能水准的结构构件承载力设计要求”的相关公式，进行结构构件性能计算分析。第3性能水准的结构在中震作用下按下式计算：
省高规（3.11.3-1）
式中，η（构件重要性系数）对关键构件取η=1.1，对一般竖向构件取η=1.0，对水平耗能构件取η=0.8；
ξ（承载力利用系数）对于压、剪取0.74，对于弯、拉取0.87。
在计算设防烈度地震作用时，采用规范反应谱计算，水平最大地震影响系数αmax＝0.23，阻尼比ξ=0.05。
中震计算分析表明，所有竖向构件的抗剪配筋均未出现超筋的情况，属抗剪弹性；中震不屈服验算时，穿层柱、底部加强区剪力墙、斜杆等关键构件没有出现超筋的情况，满足中震不屈服的性能目标。
3.4罕遇地震弹塑性时程分析
目前常用的弹塑性分析方法从分析理论上分有静力弹塑性（pushover）和动力弹塑性两类，从数值积分方法上分有隐式积分和显式积分两类。本工程的弹塑性分析将采用基于显式积分的动力弹塑性分析方法。计算软件采用结构动力弹塑性计算软件PKPM-SAUSAGE（PKPMSeismicAnalysisUsage）。
《高层建筑混凝土结构技术规程》（DBJ15-92-2013）第3.11节——结构抗震性能设计，将结构的抗震性能分为1～5五个水准，对应的构件损坏程度则分为“无损坏、轻微损坏、轻度损坏、中度损坏、比较严重损坏”五个级别。
在SAUSAGE中构件的损坏主要以混凝土的受压损伤因子及钢材（钢筋）的塑性应变程度作为评定标准，其与上述“高规”中构件的损坏程度对应关系如下表所示：
按弹性时程分析所采用的7条地震波进行计算分析，大震下剪力汇总如下表：
在弹塑性分析模型中，剪力墙边缘构件配筋采用简化集中配置。为真实反映连梁受力性能，在分析模型中将跨高比小于5的连梁全部用剪力墙开洞（壳单元）模拟，并将连梁顶、底钢筋简化集中配置。分析结果表明，结构大部分剪力墙为轻微损坏和轻度损坏，少量剪力墙为重度损坏，大部分连梁发生中度到严重损坏，剪力墙钢筋均未进入屈服，部分连梁钢筋进入屈服。结构大部分框架柱为无损坏或轻微损坏，裙房顶部上下楼层部分框架柱为轻度损坏，框架柱均未出现严重损坏。
罕遇地震弹塑性时程分析结论：
1）在人工波罕遇地震作用下结构仍保持直立，最大弹塑性层间位移角X向为1/119、Y向为1/101，小于框架-剪力墙结构1/100的限值；
2）核心筒设置合理的剪力墙开洞形成连梁，连梁在大震下损伤耗能效果明显，从而保护了主承重墙肢，大部分主承重墙未出现明显的损伤；且从人工波X主方向作用下SAUSAGE结构弹性与弹塑性反应对比来看，由于连梁耗能作用充分，弹塑性下结构各层剪力均低于弹性结果，而各层位移反应总体大于弹性结果。
3）裙楼中庭大开洞的连廊楼板出现局部比较严重受压损伤，设计考虑进一步加强连廊薄弱连接楼板的配筋，其余楼板均未出现明显损伤，抗震承载力足够；
4）由于中震性能设计时采取的加强措施，各底部加强区处核心筒损伤基本集中在连梁上。结构底层的混凝土受压损伤较集中，考虑剪力墙内设置钢板，通过大震等效弹性验算底部剪力墙满足抗剪截面要求，可认为有足够的抗震承载力；裙房与塔楼交界处上下楼层剪力墙和框架柱受压损伤较明显，考虑适当提高裙房屋面上下各一层剪力墙和框架柱的纵筋和箍筋配筋率，提高局部楼层的梁柱构件延性，增强该楼层抗震承载力；
5）大震下个别首层框架柱出现轻微的塑性应变，极少数柱脚出现轻度的塑形应变，大部分外框架柱和框架梁均处于弹性状态。框架柱在大震作用下的承载力仍有较大富余，剪力墙进入塑性后框架结构可以起到抗震二道防线的作用；
6）二层、三层托柱转换桁架在大震下未出现塑性应变，桁架结构在大震下承载力有较大富余；与转换桁架相连的矩形钢管混凝土柱未出现钢材塑性应变，满足大震下承载力要求；
综上所述，本结构抗震性能良好，结构在罕遇地震作用下的震后性能状况达到主承重剪力墙、框架柱和框架梁基本无损坏或轻微损坏，楼板轻度损坏，连梁中度损坏的性能目标，满足所设定的抗震性能要求。
5设计加强措施
根据计算分析结果，针对本工程出现的超限情况及薄弱部位采取以下加强措施：
（b）从严控制斜柱的轴压比，在计算结果的基础上适当加强斜柱及其拉梁、受拉楼板的配筋及楼板厚度，楼板钢筋双层双向设置。
（c）根据大震下弹塑性静力分析结果、中震大震下的等效弹性分析结果，对结构薄弱部位、关键部位进行适当加强，使抗侧刚度和结构延性更好地匹配，达到有效地协同抗震。
（d）提高底部加强区及裙楼上一层范围剪力墙及框架柱配筋率，按照一级抗震等级要求加强计算配筋。裙楼屋面上、下一层的柱子箍筋全高加密。
（e）对跨度加大的转换梁采用型钢砼梁，提高转换梁的延性。
（f）穿层柱采用钢管砼柱、转换柱或部分剪力墙端柱内置型钢，提高柱子的延性。
（g）对于楼板局部不连续区域，根据应力分析结果，对薄弱部位楼板的厚度及配筋进行适当加强。
（h）根据楼盖竖向振动舒适度分析结果，在适当部位设置调谐质量减振阻尼器（TMD）。
（i）根据分析结果，对受力较为复杂的节点构造上进行加强。
（j）对首层（薄弱层）的地震剪力放大1.25倍进行计算。
参考文献：
[1]《广州越秀展览中心-抗震超限设计可行性报告》
[2]《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要求》建质[2016]267号
[3]《广东省超限高层建筑工程抗震设防专项审查实施细则》粤建函[2016]267号
[4]《建筑抗震设计规范》GB50011-2010
[5]《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010
[6]《高层建筑混凝土结构技术规程》DBJ15-92-2013