太原某办公楼项目位于山西省太原市新晋祠路, 地上共36层, 地下3层, 结构高度为149.4m, 属于超B级高度的超限高层建筑。本工程各层平面形状呈长方形, 长宽比为1.0。首层层高为5m, 2, 3层层高均为4m, 标准层层高为3.8m, 13层和24层为避难层, 层高分别为4.5m和5.15m。建筑效果见图1, 标准层结构平面布置见图2。

　　 本工程结构设计使用年限为50年, 结构设计安全等级为二级, 地基基础设计等级为甲级, 建筑抗震设防分类为标准设防类 (丙类) , 抗震设防烈度为8度 (0.20g) , 设计地震分组为第一组, 场地类别为Ⅲ类, 特征周期T_g为0.45s, 阻尼比为0.05。50年重现期的基本风压为0.40kN/m², 用于层间位移角验算;100年重现期的基本风压为0.45kN/m², 用于承载力计算。地面粗糙度类别为B类。

　　 抗侧力体系采用钢筋混凝土框架-核心筒结构。考虑到本工程位于高烈度区, 为减少结构刚度突变带来的不利影响, 应尽量避免设置加强层。

　　 为减小框架柱截面尺寸, 低区楼层的柱子采用型钢混凝土柱, 截面尺寸可取1 300×1 300, 混凝土强度等级取C60。高区楼层的柱截面可适当减小, 考虑到框筒结构在高区楼层框架发挥较大的抗侧作用, 柱截面尺寸不宜小于1 000×1 000。

　　 连接内筒和外框架的主梁截面尺寸为500×700, 外框梁截面尺寸取700×900, 以增强结构抗扭刚度。核心筒连梁高度取900mm, 避难层连梁高度取1 500mm, 以提供适宜的抗侧刚度。

　　 8度区地震作用较大, 地震作用下层间位移角起控制作用。通过合理的结构布置, 以实现用最少的结构构件达到最优的结构抗震性能目的。

　　 优化前后核心筒布置见图3, 图3 (b) 中的墙Q1的顶部标高为4层楼面, 优化说明如下:

　　 (1) 由于核心筒Y向墙肢较为完整, Y向抗侧刚度存在富余, 可取消部分筒内的Y向墙肢。筒内部分墙肢较短, 对抗侧刚度贡献有限, 也可取消。

　　 (2) 考虑到底部加强区的Y向剪力墙的抗剪承载力需要, 底部4层设有墙Q1。需要说明的是, 墙Q1宜通过连梁与相邻的墙相连。由于墙Q1的轴压比很小, 而相邻的墙轴压比较大, 若墙Q1直接与相邻的墙相连, 连接处会产生应力集中, 从而导致墙Q1超筋。

　　 (3) 墙Q2宜开洞并采用双连梁。开洞对墙的抗侧刚度削弱不大, 可有效避免长墙抗剪破坏, 同时, 双连梁可作为耗能构件, 避免墙身破坏。

　　 (4) 上部楼层剪力墙存在缩进, 可调整剪力墙立面形状, 将剪力墙的侧边线改为斜线。由于截面变化, 缩进位置的上下轴压比相差较大, 侧边线改为斜线后, 以保证剪力墙的轴压比沿竖向缓慢变化, 避免应力局部集中。调整剪力墙立面形状前后, 剪力墙的损伤对比详见3.6节。

　　 (5) 地下一层剪力墙洞口布置需与首层一致, 若地下一层取消洞口, 会出现应力集中现象, 导致首层墙肢的剪力过大, 抗剪超限。

　　 优化前后楼面梁布置见图4, 优化说明如下:

　　 (1) 延伸次梁L1至外边梁L2, 可减小次梁L1的跨中弯矩, 同时, 可为外边梁L2提供中间支承, 大大减小外边梁L2的弯矩。由于梁L1, L2弯矩减小, 可削减梁截面宽度, 进而减小结构自重, 以减小结构地震作用。

　　 (2) 减小部分梁的截面宽度。需要说明的是, 具体建模过程中, 框架外的悬挑板建模方式, 宜采用梁板方式, 而不是悬挑板。YJK计算模型中, 悬挑板只考虑重力作用, 忽略了弯矩作用。显然, 这将导致框架柱的轴力偏小。

　　 经计算对比, 可发现优化前后结构自重减小约6.2%, 小震作用下最大层间位移角仍满足规范要求, 具体计算结果见表1。

　　 采用YJK, ETABS, ABAQUS软件进行各项计算分析, 以充分地论证本结构的合理性与安全性。

　　 根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》及相关国家规范, 8度 (0.20g) 框架-核心筒结构非超限建筑的高度限值为100m, 本工程结构高度149.4m, 属于高度超限建筑, 部分楼层存在扭转不规则。

　　 针对本工程结构类型及不规则情况, 需采用抗震性能设计方法^[1]进行分析与论证, 参考该地区类似工程性能目标, 设定结构抗震性能目标为D级, 对于关键构件适当提高性能目标至C级, 相应的抗震性能水准见表2。

　　 结构整体计算采用YJK及ETABS两种软件进行对比计算。计算模型中考虑重力二阶效应 (P-Δ效应) 、偶然偏心、双向地震作用及施工模拟, 考虑到首层车道处造成楼面大开洞, 结构嵌固楼层设在地下一层楼面。

　　 经对比计算, YJK与ETABS 两种软件计算结果吻合较好。结构第1扭转周期与第1平动周期的比值均小于规范0.85的要求;结构振型参与有效质量系数均大于90%;X, Y向的层间位移角均小于规范限值1/800, 最大扭转位移比均小于规范限值1.4, 整体计算结果见表3。从计算结果可以看出, 本结构具有良好的抗侧刚度, 各项整体指标均能满足高规^[1]要求。

　　 按抗规^[2]要求, 结构需进行弹性时程计算。在设计中, 从YJK软件里选取了Ⅲ类场地土、特征周期为0.45s的两条天然波及一条人工波, 进行动力时程分析。考虑双向地震作用, 其中主方向地震波峰值加速度取70gal, 次方向地震波峰值加速度取59.5gal, 结构阻尼比为5%, 计算结果见表4。

　　 结构X向与Y向时程分析得到的基底剪力平均值及最小值均满足规范要求。实际配筋时, 取三条时程曲线计算结果的平均值与振型分解反应谱法计算结果中的较大值。

　　 对结构进行中震弹性验算, 底部加强区核心筒墙体和框架柱没有出现抗剪超筋, 满足中震抗剪弹性设计要求。

　　 对结构进行中震不屈服验算, 考虑双向地震作用, 底部剪力墙出现拉应力且超过2.0f_tk (f_tk为混凝土抗拉强度标准值) , 需设置型钢, 型钢布置见图5。

　　 根据文献[3,4,5], 采用ABAQUS软件进行弹塑性时程分析。选用两条天然波与一条人工波进行罕遇地震作用下的双向地震弹塑性时程分析, 整体计算结果见表5, 罕遇地震作用下三条地震波的层间位移角包络值曲线见图6, 墙肢混凝土损伤见图7, 8。弹塑性时程分析得到的结论如下:

　　 (1) 在考虑重力二阶效应及大变形的条件下, 结构在地震作用下的最大顶点位移为0.92m, 并最终仍能保持直立, 满足“大震不倒”的设防要求。

　　 (2) 主体结构在各条地震波作用下的最大塑性层间位移角为1/106, 结构的层间位移角曲线无明显的突变, 表明结构无明显的薄弱层, 满足规范要求。

　　 (3) 剪力墙中的连梁充分发挥了耗能作用, 剪力墙损伤基本上集中在连梁上。剪力墙边缘构件塑性应变非常小, 充分地保护了剪力墙墙身安全。

　　 针对上述超限情况及设计中的关键技术问题, 在设计中采取了如下主要措施:

　　 (1) 通过合理地布置剪力墙, 以保证采用最少的剪力墙, 达到最优的抗侧效果。通过合理地布置楼面梁, 以减小结构自重, 进而减小结构地震作用。

　　 (2) 部分墙肢在中震下的拉应力超出2倍混凝土抗拉强度标准值, 可在墙肢中设置型钢混凝土边缘构件, 以提高延性。

　　 (3) 针对平面扭转不规则, 外框梁截面尺寸可加大为700×900, 以提高抗扭刚度。

　　 (4) 底部加强区剪力墙约束边缘构件最小配筋率可提高为4.0%、最小体积配箍率可提高为2.0%、剪力墙分布筋可提高为1.6%。

　　 (5) 对结构进行罕遇地震弹塑性时程分析时发现的薄弱部位, 可在局部区域针对性提高配筋。

　　 本工程为位于8度区超B级高度的框架-核心筒结构高层建筑, 通过合理的结构布置和对关键构件适当加强, 以实现用最小的结构自重达到最优的抗侧刚度的目的。抗震设计中采用性能化设计方法, 借助多种计算软件进行了相关分析验算, 以达到规范所提出的相关抗震设防要求, 表明结构是可行、安全和合理的。