工程建筑的主要功能为业务用房、数据机房和配套用房。建筑平面呈L形,南北长约131m,东西宽约89m,总建筑面积134 200m²,其中地上建筑面积77 564m²,地下建筑面积56 636m²,地上17层,1层层高4.5m,2～14层层高4.0m,15～17层层高4.25m;地下5层,地下1层～地下5层层高分别为7.2,6.0,3.8,3.6,3.6m;结构总高度为69.50m。建筑周圈存在由3层通高穿层柱形成的通透外廊,建筑效果图如图1所示。建筑在3层、8层和10层存在体型收进,并在2层和9层设有屋顶花园。本项目结构设计使用年限为50年,结构耐久性设计年限为50年,建筑结构安全等级为二级,结构抗震设防类别为丙类,抗震设防烈度为8度,设计基本地震加速度为0.20g,设计地震分组为第一组,建筑场地类别为Ⅱ类。

　　 本工程地上部分采用由钢管混凝土柱、钢梁、钢筋桁架楼承板、混凝土剪力墙组成的混合框剪结构体系(图2)。建筑体型高低错落,北侧高区共17层,呈回形平面;南侧低区从3层开始经过三次体型收进至10层,见图2。高低两区呈正交布置,通过西侧入口大堂处的4个转换框架相连。

　　 由于场地限制,本建筑平面呈L形(图3),考虑到建筑立面等效果,业主坚持要求南北两区之间不设缝,在1～3层形成通透外廊且建筑内部需存在大开敞通高空间。与此同时,本工程南区高度受周边建筑限制,进行了多次体型收进。这些因素造成了本建筑属体型不规则的超限高层结构。根据超限建筑审查技术要点 ^[1],本工程同时存在6项不规则情况,如表1所示。此外,由于建筑使用功能等客观条件限制,本工程中剪力墙分布不均匀,在南北方向上距离较远,在设防地震作用下1～4层剪力墙存在较严重的偏拉问题。

　　 结合工程特点和全国超限高层建筑工程抗震设防审查专家委员会的意见,本工程采用以下设计措施:1)采用整体模型、高区分块模型、低区分块模型(图3)、西侧和南侧入口大堂转换框架切榀模型等模型包络设计,其中整体模型计算分析时考虑平扭耦联、双向水平地震作用和偶然偏心影响。2)采用YJK软件和ETABS软件对整体结构进行多遇地震作用下反应谱分析,比较主要计算结果。3)采用YJK软件对结构整体与分块模型进行多遇地震作用下动力弹性时程分析,根据时程分析结果对反应谱计算结果进行修正,并重新计算设计。4)利用SAUSAGE软件对结构进行罕遇地震作用下动力弹塑性时程分析,寻找结构薄弱部位,予以加强。5)利用ANSYS软件对转换梁柱节点、斜柱转换节点等重要节点受力进行有限元计算分析。6)利用YJK软件计算结果加强薄弱部位楼板配筋,2层、3层、4层、9层及10层楼板按中震不屈服工况设计配筋;4层西侧入口大堂转换梁两侧各一跨范围内楼板按中震弹性工况设计配筋,并设置水平支撑。楼板薄弱部位均采用双层双向拉通配筋。7)重要结构构件抗震性能化设计的具体要求如表2所示,其中,西、南入口转换框架及穿层柱的设计已在文献[2]中论述。

　　 利用YJK软件和ETABS软件对整体结构进行多遇地震作用下反应谱分析,主要计算结果如表3和图4所示。根据计算结果可以看出:1)两种软件计算出的整体结构前3阶振型基本一致,周期、楼层剪力、位移、层间位移角等计算结果相近,计算可靠;2)YJK软件和ETABS软件计算出的第一扭转周期与第一平动周期比分别为0.66和0.64,小于规范 ^[3]限值0.85,表明整体结构具有足够的扭转刚度;3)地震作用下的各层层间位移角均小于规范 ^[3]限值1/800;4)在偶然偏心地震作用下,个别楼层X向扭转位移比超过1.2,但均小于1.4(图4(g))。

　　 结构北侧扭转较严重,因而在北侧1#,2#剪力墙(图2)之间布置大截面钢骨梁。此外,加大结构周边钢梁截面,以增强结构整体性。

　　 多遇地震作用下动力弹性时程分析采用5组天然地震波和2组人工地震波。当以水平向地震动为主输入地震波时,三向地震波加速度最大值比例为:X向∶Y向∶Z向=1∶0.85∶0.65和Y向∶X向∶Z向=1∶0.85∶0.65。地震波峰值加速度为70cm/s²。

　　 对结构整体模型、高区分块模型和低区分块模型分别进行动力弹性时程分析,计算结果表明,在X向和Y向两个方向上,每组地震波计算所得的结构底部剪力均介于振型分解反应谱法计算所得底部剪力的65%～135%之间,每组地震波计算所得的结构底部剪力平均值均介于振型分解反应谱法求得的底部剪力的80%～120%之间,并且7组地震波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,满足规范 ^[4]要求。动力弹性时程分析与振型分解反应谱法的计算结果相近,地震波计算所得的最大层间位移角平均值小于规范 ^[3]限值1/800。

　　 当时程分析法计算得出的楼层剪力平均值与反应谱法计算值之比大于1时,等比例放大反应谱法中的地震作用,并重新进行计算设计。结构整体模型、高区分块模型和低区分块模型地震作用放大调整系数如表4所示。

　　 在设防地震作用下,结构底部加强区(1～4层)的剪力墙满足抗弯不屈服、抗剪弹性的抗震性能化设计目标。为解决设防地震作用下剪力墙偏拉问题,在剪力墙内设置型钢,使剪力墙中由轴向力产生的平均名义拉应力不超过混凝土抗拉强度标准值的2倍,当型钢的含钢率超过2.5%时,按比例放松此要求 ^[1]。考虑到实际施工等问题,本项目控制型钢的含钢率不大于4.0%。

　　 利用有限元软件ANSYS中的Workbench模块对13～14层斜柱转换处梁柱节点进行承载力分析。首先在AUTOCAD中建立斜柱转换处梁柱节点的三维模型,再将节点模型导入Workbench中进行单元网格划分。随后,根据现行规范 ^[5,6],将钢材和混凝土材料的本构关系输入到有限元模型中。对梁柱节点的下端进行边界约束,从YJK计算模型中提取设防地震作用下最不利的轴力、弯矩、剪力、扭矩作用组合,将其施加到相应的梁、柱截面上,计算分析得出斜柱转换处节点的应力云图(图5)。由图5可知,在设防地震作用下,斜柱转换处梁柱节点仅存在极小部分钢材的应力值(最大约为349MPa)略大于钢材的屈服强度(Q345的屈服强度为345MPa),绝大部分钢材的应力值均小于屈服强度。斜柱转换处梁柱节点的现有尺寸和材料强度能够满足抗震性能化设计目标。

　　 本文对结构整体进行了动力弹塑性时程分析,研究结构在罕遇地震作用下的变形形态、受损伤情况,寻找结构的薄弱部位,进而对结构设计提出改进意见。动力弹塑性时程分析采用2组天然地震波和1组人工地震波。当以水平向地震动为主输入地震波时,三向地震波加速度最大值比例为:X向∶Y向∶Z向=1∶0.85∶0.65和Y向∶X向∶Z向=1∶0.85∶0.65。地震波峰值加速度为400cm/s²。罕遇地震作用下结构弹性与弹塑性分析的基底剪力如表5所示。3组地震波作用下结构弹塑性与弹性分析的基底剪力比值介于0.43～0.80之间,说明结构具有良好的耗能能力,且在大震下尚能保持足够的刚度。

　　 罕遇地震作用下,结构的最大层间位移角如图6所示。当地震输入主方向分别为X向和Y向时,结构的最大层间位移角分别为1/143和1/104,均小于规范 ^[4]限值1/100。

　　 图7显示了天然波1作用下结构墙体混凝土受压损伤情况。可以看出,混凝土材料损伤较严重区域分布在结构连梁、洞口边、墙体端角部以及翼缘墙等部位。结构体型收进部位的剪力墙未出现明显损伤,但连梁破坏较严重。在罕遇地震作用下,结构中约80%以上的连梁产生塑性变形,形成塑性铰,这起到耗能作用,损伤分布符合结构的受力特点和抗震设计机理。剪力墙水平和竖向钢筋均未达到屈服,墙体未发生剪切破坏,钢管混凝土柱、钢梁和钢支撑也未发生明显损伤,钢材未屈服。设计中加强剪力墙受损伤较严重的洞口边、端角部以及翼缘处边缘构件的配筋。剪力墙底部加强区(1～4层)水平和竖向钢筋配筋率提高至0.8%,其他楼层剪力墙水平和竖向钢筋配筋率采用0.4%。

　　 综上所述,本结构在罕遇地震作用下尽管发生损伤、刚度降低,但仍能达到预期的抗震性能目标,满足“大震不倒”的抗震设防要求。

　　 (1)利用YJK软件和ETABS软件对结构整体进行多遇地震作用下的反应谱分析,得出两种软件计算出的结构振型基本一致,周期、楼层剪力和位移相近,计算结果可靠。结构在多遇地震作用下的层间位移角满足规范要求。

　　 (2)利用YJK软件对结构整体和分块模型进行动力弹性时程分析,计算结果显示结构的反应特征和反应谱法结果基本一致。结构设计取时程分析法计算出的平均值和反应谱法计算结果的较大值,调整各层内力以及截面、配筋设计。

　　 (3)通过设防地震和罕遇地震反应谱分析设计,结构各关键部位和关键构件均满足预期的抗震性能化设计要求。

　　 (4)有限元分析表明斜柱转换处的梁柱节点承载力满足要求。

　　 (5)罕遇地震作用下的动力弹塑性时程分析结果显示结构能够达到“大震不倒”的抗震设防要求,根据分析结果在设计中对结构的薄弱部位予以加强。本结构设计可靠,满足预期的抗震性能目标。