超高层建筑的底部剪力墙承担很大的竖向荷载,为保证剪力墙的延性,应控制合理的轴压比,采用钢筋混凝土剪力墙的结构需增加剪力墙厚度,但剪力墙过厚会增加结构自重,增大地震作用与基础成本,还减少了建筑有效使用面积。随着建筑的高度越来越高,为提高项目的综合效益,钢板组合剪力墙越来越多应用于超高层建筑。钢板组合剪力墙是由两侧外包钢板和中间内填混凝土组合而成并共同作用的钢板剪力墙 ^[1]。大量的试验研究表明钢板组合墙剪力墙能充分发挥钢材与混凝土两种材料的各自优势,其承载能力高、延性好,具有良好的抗震性能 ^[2,3,4]。

　　 针对方正金融中心主塔楼的高宽比较大,且核心筒呈长方形等特点,同时为满足业主方对施工工期、建筑装配率、底部剪力墙厚等要求,提升整个项目的综合效益,本项目主要进行了钢框架-钢支撑内筒结构、带加强层的钢框架-钢板组合剪力墙核心筒结构、钢框架-纯钢板墙核心筒结构及钢框架-巨型钢支撑+钢板组合剪力墙核心筒结构等多种结构体系方案的比选 ^[5]。基于结构的整体计算指标、施工进度、经济指标等多因素考虑,最终采用钢框架-钢板组合墙核心筒结构体系,钢框架由圆钢管混凝土柱与钢梁组成,为提高结构的整体刚度,在建筑设备避难层设置两道加强层。本文拟对该超高层结构进行抗震性能分析,通过动力弹塑性分析找出结构潜在的抗震薄弱部位,并提出相关抗震加强措施,以确保结构的可靠安全。

　　 方正金融中心项目由两栋超高层塔楼和连接于两栋塔楼之间的裙楼组成,并设有3层地下室。两栋塔楼功能为办公,裙楼为商业,地下室为车库、商业及设备用房。地上裙楼房与两塔楼通过设置防震缝脱开。本项目为超高层建筑,主塔楼51层,大屋面标高为230.80m。主塔楼的平面尺寸与层高、地震与风荷载作用等主要设计参数详见文献[5]。主塔楼的效果图如图1所示。

　　 主塔楼采用钢梁+圆钢管混凝土柱+钢板组合剪力墙核心筒组成的带加强层的框架-核心筒结构体系,属于混合结构体系,在建筑设备避难层设置两道加强层,其中22层加强层设置Y向伸臂桁架与周围环带桁架、41层加强层仅设周围环带桁架。外钢框架由圆钢管混凝土柱与H型钢梁组成,楼板采用钢筋桁架楼承板。结构体系如图2所示。

　　 主塔楼核心筒由钢板组合剪力墙组成,底部核心筒的外部钢板组合剪力外墙厚为700mm,内墙厚为600m,外包钢板厚度为16mm,混凝土采用C60,核心筒墙体厚度随高度增加逐渐减小,顶部钢板组合剪力墙内、外墙厚分别减小为300,400mm,外包钢板厚度为10mm ^[5]。核心筒的角部及组合墙端部与相交处均设置矩形钢管混凝土暗柱,以增加核心筒的整体性与延性。核心筒X向墙全高楼层处设置变截面的H型钢连梁。钢板组合剪力墙核心筒增加了结构抗侧刚度以及抗剪承载力,承担大部分的地震剪力。结构嵌固端取地下室顶板,典型楼层结构平面图如图3所示。

　　 结构的竖向荷载通过水平梁传到钢板组合剪力墙核心筒与外框柱,再传至基础;风荷载与地震作用下的水平剪力主要由钢板组合剪力墙核心筒承担,核心筒是结构抗侧体系的第一道防线,承担大部分的基底剪力与倾覆力矩;外围框架通过加强层伸臂桁架、环带桁架与核心筒相连,使二者能有效协同工作,作为结构第二道防线 ^[6]。

　　 根据建设部建质[2015]67号文附件1表1规定,抗震设防6度区混合结构的高度限值为200m,而本工程结构高度230.8m,故其高度超限。根据建设部建质[2015]67号文附件1表2和《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(2016年版)的第3.4.3条及条文说明,对本工程进行平面不规则及竖向不规则判定。

　　 本工程超限内容如下:1)由于主塔楼入口大厅局部跃层,结构2层楼板大开洞,开洞面积大于30%,楼板不连续,属于平面不规则项;2)由于22层、41层为加强层,导致部分楼层刚度突变,且底部1层局部存在穿层柱。因此本项目平面不规则类型1项,竖向不规则类型3项,共4项不规则类型;但无特别不规则项,因此本工程属于高度超限及规则性超限的高层建筑。

　　 基于本工程超限情况与构件的重要性,按照《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)3.11节结构抗震性能设计方法,本工程结构抗震性能目标取C级。在不同地震水准下的结构和构件性能细化的要求见表1,并以其作为结构性能的判定准则。

　　 根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)性能设计的方法,在小震分析结果的基础上,对关键构件、普通构件及耗能构件的中震、大震的进行截面设计和承载力验算;采用ABAQUS软件进行大震动力弹塑性时程分析,根据弹塑性分析的结果验算结构和构件的性能目标。

　　 小震主要采用YJK软件对结构进行整体弹性分析,采用ETABS软件进行对比计算分析。ETABS软件中利用杆单元模拟柱和梁,用分层壳单元模拟钢板组合剪力墙。小震作用的弹性计算均采用振型分解反应谱法,结构阻尼比取0.03。对于小震的水平地震分别考虑了双向地震以及偶然偏心的影响;考虑了不同方向的地震作用;并采用时程分析法进行了补充计算。

　　 根据《钢板剪力墙技术规程》(JGJ/T 380—2015) ^[1]3.4.1条,在风荷载和多遇地震作用下,钢板组合剪力墙弹性层间位移角不宜大于1/400;而根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)第3.7.3条,本工程的计算层间最大位移与层高之比(层间位移角)限值为1/539。本工程从严考虑,按照混合结构体系确定结构的层间位移角限值取为1/539。

　　 在刚性楼板假定情况下,分别采用YJK,ETABS进行分析得到小震作用下结构各层层间位移角,如图4所示;结构X向、Y向最大层间位移角分别为1/1 504,1/1 309,结构各层层间位移角满足规范要求。

　　 小震弹性时程分析采用中国建筑科学研究院有限公司提供7组小震地震波进行计算分析。每组地震波含X,Y及Z三个方向波形,共21条不同波形的地震波,各地震波峰值加速度为18.0cm/s²。在本工程分析采用考虑三个地震方向同时作用。每组波分别按X,Y为主方向两种工况进行计算,7组波共14个工况,每一工况主次方向及竖向地震波峰值加速度比为1∶0.85∶0.65。

　　 采用YJK软件进行分析,表2列出了各组波以及平均值与CQC法的基底剪力比较结果。由表2可知:每条地震波的计算结果不小于65%,不大于135%。多条地震波计算结果在结构主方向的平均基底剪力一般不小于振型分解反应谱法计算结果的80%,不大于120%。故本报告选用的地震波满足规范要求。

　　 综合上述分析表明,振型分解反应谱法的部分楼层剪力与7条波分析结果的平均值相比,在顶部楼层小于7条波分析结果的平均值。结构设计时,利用YJK的楼层地震力调整功能对CQC法计算的楼层剪力进行相应的调整。小震时程分析的层间位移角X向最大值为1/1 408,Y向最大值为1/1 845,均小于1/539,满足规范要求。弹性时程计算结果表明,在小震作用下整体结构及所有结构构件满足规范要求,即能够实现性能水准1。

　　 中震作用下,所有钢板组合剪力墙墙肢均处于受压状态,无墙肢受拉;且钢板组合剪力墙的最大抗弯承载力比为0.57,最大抗剪承载力比为0.43,剪力墙满足中震性能目标的要求。钢管混凝土柱正截面不屈服验算最大承载力比为0.77<1,抗剪弹性验算最大承载力比为0.12<1,钢框架梁最大抗剪承载力比为0.95<1,钢管混凝土框架柱与钢框架梁均能满足预期的性能目标要求。

　　 加强层伸臂桁架构件最大应力比为0.80,环带桁架构件最大应力比为0.58,均小于1。中震作用下,伸臂桁架与环带桁架能满足中震弹性要求。

　　 按照等效弹性方法分析的中震作用下的最大层间位移角为1/520,小于1/270,结构能达到中震性能目标。

　　 采用ABAQUS程序对本工程进行罕遇地震下的动力弹塑性时程分析,采用纤维模型模拟梁单元的受力状态,该计算方法在满足计算精度的前提下拥有较少的自由度,求解效率较高。对于钢管混凝土柱,采用了基于截面的等效纤维法,即将分别采用单元模型模拟钢管混凝土中约束混凝土和钢材,并通过共节点的方法实现约束混凝土与钢管之间的共同作用。采用分层壳单元(S4R和S3R)对钢板组合剪力墙和楼板进行建模。其中对于钢板组合剪力墙壳单元采用复合材料分层壳模型,剪力墙端部暗柱翼缘板采用梁单元模拟,通过与剪力墙网格共节点保证两者变形协调、共同受力。弹塑性楼板分层壳中的楼板分布钢筋通过Rebar layer的命令进行设置 ^[7,8]。

　　 混凝土本构模型采用ABAQUS中混凝土损伤塑性模型(CDP),该模型能够考虑混凝土材料拉压强度差异、刚度及拉压循环裂缝闭合呈现的刚度恢复等性质。计算中,混凝土材料轴心抗压和轴心抗拉强度标准值按《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)的附录C取值。需要指出的是,偏保守考虑,计算中混凝土均不考虑截面内横向约束增强效应,仅采用规范中建议的素混凝土参数。钢筋和钢材的应力-应变曲线采用双折线模型,利用ABAQUS自带的各向同性强化模型来模拟混凝土结构中的钢筋以及型钢的滞回特性。

　　 YJK软件与ABAQUS软件计算出的结构周期见表3,结构的主振型以平动为主,扭转周期与平动周期之比小于0.85,且两者误差很小,满足规范要求。

　　 本工程采用带加强层的混合结构体系,按照塔楼楼层先施工,伸臂桁架斜腹杆及环带桁架的斜腹杆后装的建造过程进行施工模拟分析。施工模拟加载采用隐式积分法进行模拟,采用生死单元技术来实现,将施工模拟完成后的应力状态作为结构动力弹塑性时程分析的初始状态。施工模拟结束时,在“恒载+0.5活载”作用下钢材最大von Mises应力为235.9MPa,小于钢材屈服应力,结构处于弹性状态。

　　 采用7组地震波对结构进行大震时程分析,每组地震波含X,Y及Z三个方向,共21条不同波形的地震波,各地震波峰值加速度为125cm/s²。每一工况主次方向及竖向地震波峰值加速度比为1∶0.85∶0.65。结构在天然波4(TRB4)、天然波5(TRB5)和人工波2(RGB2)作用下具有较大的基底剪力,且满足《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(2016版)要求。本工程选取天然波4(TRB4)、天然波5(TRB5)和人工波2(RGB2)进行大震动力弹塑性时程分析,计算得到结构在大震作用下Y向的层间位移角比X向的层间位移角大。其中天然波4(TRB4)、人工波2(RGB2)作用下的X,Y向结构弹塑性层间位移角曲线如图5所示。

　　 3组地震波大震作用下计算得到的X向最大层间位移角为1/229(35层),Y向最大层间位移角为1/157(49层),均小于限值1/135,因此结构在大震作用下的层间位移角满足规范要求。

　　 对大震作用下结构的弹性模型与弹塑性模型楼层顶部位移进行对比。天然波4(TRB4)作用下结构X向、Y向顶部位移对比曲线如图6,7所示。由图6,7可知,在前30s弹塑性计算的结构损伤程度较小,弹塑性与弹性的楼层顶部位移差值较小。在30s以后,随着构件损伤增大,弹塑性与弹性的楼层顶部位移差值逐渐增大。

　　 大震作用下,结构构架层梁端首先出现屈服,随后剪力墙钢连梁屈服,整个过程中,大部分剪力墙损伤较小,仅结构底部及与伸臂桁架相连墙肢存在一定的损伤,但损伤因子均较小,结构外框柱的钢管及钢梁基本处于弹性状态。具体如图8所示。

　　 钢板组合剪力墙核心筒的混凝土受压损伤主要集中在结构底部及加强层,外包钢板塑性应变较小,位于结构21层与伸臂桁架相连的一个剪力墙单元,其余钢板均为弹性状态。结构核心筒大部分处于无损坏,在伸臂桁架层及底部楼层处于轻度损坏;核心筒钢连梁部分屈服。满足预期性能目标。

　　 根据图8中的钢管混凝土柱的混凝土受压损伤及钢管塑性应变云图可以看出混凝土完好,钢管混凝土柱仅在23层与伸臂桁架相连处发生屈服,属于轻微损坏。其余大部分钢管混凝土柱塑性应变均为0。结构钢管柱处于轻微损坏状态,满足预期性能目标。结构外框梁塑性应变均为0,构件处于弹性状态。少部分连接外框柱与剪力墙的框架梁在端部进入屈服,构件屈服耗能,满足预期性能目标。由此可见,结构外框架大部分构件处于弹性状态,仅局部钢管混凝土柱进入轻微损坏,结构主框架仍然具有一定的承载力,满足预期的二道防线要求。

　　 结构伸臂桁架斜腹杆最大塑性应变均为1.755×10^-3,塑性应变比为1.94,构件轻度损坏程度;其桁架弦杆塑性应变均为0,构件处于弹性状态,见图9。伸臂桁架满足预期的性能目标。屈曲约束支撑均屈服,能有效耗能。

　　 大震作用下,结构加强层楼板损伤主要集中在伸臂桁架弦杆与斜腹杆相连的楼板处,楼板最大受压损伤约为0.68,损伤较为严重,结构加强层楼板受压损伤云图,如图10所示。楼板钢筋塑性应变主要集中在楼板与剪力墙相连的角部、伸臂桁架弦杆周边。其中21层楼板钢筋塑性应变较小,最大塑性应变为2.401×10^-3,钢筋处于轻度损坏,如图11所示。其余大部分钢筋塑性应变为0,钢筋处于弹性。大震作用下,楼板仅在局部应力较大部位发生破坏,但不会大面积开裂。伸臂桁架层楼板采取加强措施,应双层双向配筋,配筋率不小于0.3%,且在与剪力墙相交的角部及伸臂桁架弦杆附件楼板加强配筋,配筋率不小于0.4%。

　　 结构伸臂桁架与钢板组合剪力墙连接节点受力较大且构造复杂,采用ABAQUS对该关键连接节点进行有限元分析。材料参数采用标准值,钢材本构模型采用双折线模型,钢板组合剪力墙混凝土采用普通混凝土损伤模型。有限元模型不考虑楼板作用,实体单元采用C3D4R单元(三维四节点实体单元)。伸臂桁架与钢板组合剪力墙相连节点为研究对象,其有限元模型如图12所示。

　　 约束剪力墙墙底部位移及剪力墙连梁位置轴向位移,在墙顶及梁端施加荷载。中震弹性组合工况作用下,节点钢材应力及塑性应变云图如图13所示。钢材仅个别应力集中处单元最大应力达到449.4MPa,最大塑性应变为6.3×10^-4,其余大部分应力小于345MPa,塑性应变为0,节点钢材处于弹性状态。而混凝土个别单元最大受压损伤因子为0.67,主要集中在有限元模型剪力墙约束端的墙角。其余剪力墙受压损伤因子较小,同时节点区混凝土受压损伤因子为0,混凝土完好。中震弹性作用下节点处于弹性状态,满足预期性能目标。

　　 大震不屈服作用下,钢材最大应力为413.3MPa,位于节点板变截面的应力集中处,可通过在节点板变截面处设置加劲板提高节点承载力。其余钢材均处于弹性状态。混凝土个别单元最大受压损伤因子为0.62,主要集中在有限元模型剪力墙约束端的墙角。其余剪力墙受压损伤因子较小,同时节点区混凝土受压损伤因子为0,混凝土完好。大震不屈服作用下节点基本处于弹性,满足预期性能目标。

　　 本工程为带加强层的钢框架-钢板组合剪力墙核心筒的超限高层建筑,进行了多款软件(YJK,ETABS,ABAQUS)的分析计算。根据抗震性能分析的结果,采取如下抗震加强措施:

　　 (1)对于1层开洞楼板采用双层双向配筋,其中对洞口周边楼最小配筋率不小于0.30%,其余楼板配筋率不小于0.25%。

　　 (2)对于开洞墙,洞口周边设置暗柱+暗梁,暗梁伸入墙体长度不少于1.0梁高,且不小于1.0m。

　　 (3)42层剪力墙收进处上部端柱下延一层,端柱截面为箱形钢管柱,且壁厚不小于20mm。

　　 (4)为保证加强层伸臂桁架安全可靠,伸臂桁架所有杆件之间的焊缝,以及伸臂桁架端部连接节点处(与钢管混凝土柱连接处、与钢板组合墙连接处)的焊缝,其焊缝等级均为一级。

　　 (5)根据结构大震动力弹塑性时程分析结果,伸臂桁架层楼板应双层双向配筋,配筋率不小于0.3%,且在与剪力墙相交的角部及伸臂桁架弦附近楼板加强配筋,配筋率不小于0.4%。

　　 (6)结构薄弱部位位于结构底层墙肢,结构底部两层钢板组合剪力墙的外包钢板厚度由14mm加厚到16mm。

　　 (7)对于结构伸臂桁架及环带桁架加强层,弦杆满足大震不屈服;伸臂桁架斜腹杆设置防屈曲约束支撑(BRB),大震作用下能充分耗能。

　　 本工程属于复杂的超限高层建筑。采用基于性能的抗震设计方法,对结构进行了不同地震水准作用下的结构弹性与弹塑性分析。且采取了有针对性的抗震加强措施,减小了因结构高度超限与其他不规则性项所带来的抗震不利影响。分析结果表明,本工程通过合理的结构设计和适当的抗震加强措施,能达到预期的抗震性能目标C级。