福州万科派广场3号楼地上50层,建筑高度为185m,地下室共2层,基坑深度约9m。本栋建筑平面呈凹字形,建筑功能为公寓。由于受到建筑平面、使用功能等条件的限制,建筑周边剪力墙数量较少,周边布置较多的框架柱从而在周边形成框架结构。

　　 本工程结构设计使用年限为50年,建筑安全等级为二级;抗震设防类别为丙类,抗震设防烈度为7度(0.10g);设计地震分组为第三组,场地类别为Ⅲ类,特征周期为0.65s。基本风压为0.70kN/m²(50年重现期),地面粗糙度类别为B类,建筑效果图见图1。

　　 塔楼采用冲孔灌注桩基础,桩端以中风化花岗岩作为持力层。塔楼基础采用群桩的布置方式,桩径均为1.3m,有效桩长约44～70m。

　　 桩身混凝土强度等级采用C40,要求桩端进入中风化岩层的深度不小于1.6m。考虑到桩的长径比达54,要求对桩端、桩侧采用后注浆处理,以保证桩基的施工质量,塔楼基础平面布置见图2。

　　 主体采用剪力墙结构,建筑周边布置较多的框架柱,周边形成框架结构。本工程地下2层,为全埋地下室,地下室顶板楼板连续,且地下1层的剪切刚度大于地上1层的2倍,地下室顶板可作为上部结构嵌固端。

　　 塔楼地上50层,建筑高度为185m。建筑的高宽比约5.4,长宽比约1.20。建筑首层层高为3.9m,2～9层层高均为5.0m,10,23层(避难层)层高为3.4m;36层(避难层)层高为4.5m;其他楼层层高均为3.4m。

　　 1～5层结构的抗震等级为特一级,其他楼层结构的抗震等级均为一级。

　　 本工程地面以上梁、板混凝土强度等级均为C30。墙柱混凝土强度等级最高为C60,顶部楼层墙柱的混凝土强度等级为C35。

　　 塔楼建筑平面尺寸约58.2m×34m,框架柱截面为600×800,600×900等,框架梁截面为600×700,400×700,300×600;根据板跨选取板厚为100～150mm。塔楼标准层结构平面图、计算模型分别见图3～5。

　　 本栋结构超限情况汇总如下:1)塔楼建筑高度为185m,超过《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)3.3.1条规定的钢筋混凝土剪力墙结构房屋最大适用高度B级的限值,为超B级高度的高层建筑;2)在考虑偶然偏心的规定水平地震作用下,楼层的最大扭转位移比大于1.2,属于扭转不规则的结构;3)建筑平面凹凸尺寸大于相应边长的30%,属于凹凸不规则结构。

　　 本工程结构抗震性能按达到C级的要求进行设计,结构的抗震性能目标详细要求见表1。

　　 采用《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(2015年版)(简称抗规)进行计算,考虑到本工程场地类别为Ⅲ类,各楼层剪重比要求比规范限值提高5%。

　　 位移计算时,基本风压按50年重现期的风压进行取值;进行构件承载力计算时,基本风压取50年重现期风压值的1.1倍。

　　 分别采用SATWE,MIDAS Building这两个软件对结构进行计算、分析。采用振型分解反应谱法(CQC法)进行地震分析,同时考虑偶然偏心的影响。两个软件的计算结果相近,SATWE计算得到的结构前3阶振动周期值分别为T₁=4.881 9s(X向平动),T₂=4.237 7s(Y向平动),T₃=3.914 5s(扭转)。分析结果表明,在X向和Y向结构楼层的最小剪重比均满足规范和设定目标的要求。在地震和风作用下,结构最大层间位移角计算结果见表2。

　　 采用SATWE软件对结构进行弹性动力时程分析。计算采用7条时程波(天然波5条,人工波2条),各时程波计算所得结构基底剪力均大于CQC法的65%,且最大值小于CQC法的135%。7条时程波计算所得结构基底剪力的平均值大于CQC法的80%,且小于120%,选择的时程波可以满足规范的要求。

　　 分析结果表明,在结构高区的部分楼层,按CQC法计算得到的楼层地震剪力偏小,需将相应楼层的地震剪力进行放大设计。

　　 在中震作用下,按等效弹性的方法对构件的承载力进行计算,选取具有代表性的构件,对其承载力进行手工复核。计算结果表明:在中震作用下框架梁、连梁大部分受弯不屈服;个别连梁受弯达到屈服状态,但其受剪未达到屈服状态;剪力墙、框架柱受弯、受剪均未达到屈服状态;总体来说,在中震作用下,构件的承载力均具有一定的富余度。

　　 本工程建筑高度为185m,为超B级高度的高层建筑,在地震或风荷载作用下,需对竖向构件是否存在受拉的情况进行分析。计算结果表明:在风荷载作用下,剪力墙墙身内未出现受拉情况。

　　 中震作用下,底部楼层的剪力墙存在受拉的情况,大部分剪力墙的名义拉应力在0.3MPa左右,可对剪力墙的暗柱和分布钢筋的配筋率适当提高,来增加剪力墙的抗震性能。

　　 中震作用下,1～6层W10(图6)名义拉应力超过混凝土抗拉强度标准值。为提高剪力墙的抗震性能,在墙身内布置型钢(钢材为Q345B),钢材容许应力取200N/mm²。

　　 大震分析结果表明,在不考虑墙身内型钢作用时,W10墙身钢筋拉应力峰值约200N/mm²,可见结构在大震作用下具有较好的耗能作用,该剪力墙具有较好的抗震性能。

　　 针对剪力墙存在受拉的情况,要求在中震作用下墙身受剪保持弹性的状态,并计入墙身受拉的不利影响。

　　 选取具有代表性的竖向构件,对其承载力进行手工复核,复核结果表明,其承载力均能满足规范和设定的抗震性能目标的要求,且其承载力均具有一定的富余度,主要计算结果见图7。

　　 为评价结构在大震作用下的抗震性能,采用MIDAS Building软件对结构进行弹塑性动力时程分析,分析选取的地震波与规范地震参数的对比情况见图8,分析结果表明:1) 剪力墙受剪均能满足受剪截面限值条件的要求;墙身钢筋受拉、剪力墙混凝土受压均未达到屈服状态,墙身钢筋拉应力峰值约200N/mm²。2) 个别框架柱受弯达到屈服状态,其塑性变形处于IO水准 ^[1],柱受剪能满足受剪截面限值条件要求。标准层部分框架梁、连梁发生受弯屈服,其塑性变形均未达到CP值 ^[1],进入受弯屈服的梁在较多楼层均有分布,起到了较好的耗能作用。3) 大震作用下,结构X向的最大层间位移角为1/180(位于27层),Y向的最大层间位移角为1/280(位于36层),均优于规范的限值1/120。主要计算结果见表3和图9～11。

　　 本工程主体采用剪力墙结构,建筑周边布置较多的框架柱,周边形成框架结构,见图12。

　　 周边框架的刚度较大,为研究其对整体结构的影响,以下问题需进行细致分析:1)确定整体结构的结构形式;2)进行抗震二道防线的设计。

　　 采用ETABS软件对周边框架进行分析,在小震作用下,周边框架在X向和Y向承担的楼层剪力、各层周边框架承担的剪力与基底剪力的比值,见图13。分析结果表明:1)周边框架在各楼层承担的剪力占比在10%～18%之间,各层剪力墙承担了大部分的楼层剪力;2)结构顶部楼层,周边框架与剪力墙承担的剪力没有出现反号。从计算结果来看,结构整体受力形态与剪力墙结构相近。

　　 根据各层周边框架柱承担的剪力,可求得周边框架在X,Y向底层承担的抗倾覆力矩占比为23.01%(X向)、24.73%(Y向)。

　　 结合周边框架在各层承担的剪力占比和其在底层承担的抗倾覆力矩占比来看,整体结构的受力特点与剪力墙结构相近。

　　 为了增强周边框架的抗震性能,并作为结构抗震设防的第二道防线,根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)的要求,采取V=min(0.2Q,1.5V_f)对各层周边框架承担的剪力进行调整,各层周边框架承担的剪力调整系数计算结果见图14。

　　 小震作用下,可将结构各楼层剪力按此调整系数进行放大,从而实现对周边框架的包络设计。

　　 选取具有代表性的构件,对其承载力进行手工复核,主要计算结果见图15,16。计算结果表明,周边框架梁的承载力可满足中震不屈服的要求,周边框架柱的承载力可满足中震弹性的要求。手工复核的主要计算结果见图16。计算结果表明,在中震作用下,建筑周边框架梁、框架柱的承载力均具有一定的富余度,可满足规范和设定的抗震性能目标的要求。

　　 在大震作用下,周边框架的主要计算结果见图17。从计算结果可知:

　　 (1) 在大震作用下,16.5%的框架柱进入屈服状态,其塑性变形值处于IO水准 ^[1]。

　　 (2)在大震作用下,“○P轴”剪力墙钢筋受拉未达到屈服状态,部分框架梁进入屈服状态,但塑性变形值较小,均处于IO水准 ^[1]。

　　 (3)在大震作用下,“○P轴”有40%的框架梁进入屈服状态,框架梁受弯屈服后“Ⓐ轴”框架柱内力有所增加,23.6%的框架柱进入屈服状态。框架柱和框架梁的塑性变形值较小,处于IO水准 ^[1]。

　　 (1) 周边框架在各楼层承担的剪力占比在10%～18%之间,且顶部楼层周边框架与剪力墙承担的剪力没有出现反号,整体结构的受力特点与剪力墙结构相近。

　　 (2) 沿结构两个主轴方向,在小震作用下周边框架在结构底层承担的抗倾覆力矩占比均小于25%,剪力墙承担了大部分的倾覆力矩。

　　 (3) 对周边框架按“框架-剪力墙”结构对其承担的地震剪力进行调整设计。

　　 (4) 对周边框架梁、框架柱按中震不屈服进行承载力复核。

　　 (5) 大震分析表明,大震作用下周边框架有轻微的塑性发展,塑性变形均处于IO水准 ^[1],周边框架具有良好的抗震性能。

　　 总体来说,整体结构的受力特点与剪力墙结构相近。周边框架具备良好的抗震性能,可满足作为结构抗震设防第二道防线的要求。

　　 采用ETABS软件对楼板进行详细分析,楼板均采用壳单元,并按1m×1m进行剖分。小震作用下楼板应力分析结果表明,各楼层大部分区域楼板面内的正应力小于0.3MPa,楼板的面外剪应力均小于0.2MPa,核心筒内楼板的面内正应力略大,正应力平均值达0.8MPa(小于f_t=1.43MPa)。中震与大震作用时,采用等效弹性的方法,可将小震计算得到的楼板应力值进行弹性放大来考虑,放大系数取中震、大震的地震影响系数与小震的比值。分析结果表明楼板的设计可以满足规范和设定的抗震性能目标的要求。

　　 对于楼板内承受的拉应力超过混凝土抗拉强度设计值的位置,按下式来增加每延米楼板内的钢筋 ^[2]:附加钢筋A_s=(F_t风+F_t地震)/F_y(F_y为钢筋受拉强度设计值,F_t风,F_t地震分别为风荷载、地震作用下楼板内拉力)。中震与大震作用下,楼板设计时可以不考虑风荷载的作用。计算表明,对于各层核心筒区域的楼板,板面和板底附加100mm²/m的纵向钢筋可满足相应受力要求。

　　 (1) 对于超限较为明显的结构,应采用抗震性能化的设计方法,根据构件的重要程度,分别采用不同的性能水准进行设计。

　　 (2) 对于剪力墙结构,当建筑周边或结构内部存在刚度较大的框架时,需分析其对整体结构的影响,以确定框架部分的抗震设计方法,并应进行相应的抗震设防二道防线的设计,以保证主体结构具有良好的抗震性能。

　　 (3) 为实现“大震不倒”的抗震性能目标,评价大震作用下结构薄弱区的薄弱程度,应对结构进行弹塑性动力时程分析。对于关键构件,需对其在大震作用下的承载力进行复核,以保证结构具有较好的抗震性能。