甘肃省武威市抗震设防烈度为8度, 设计地震分组为第三组, 建筑场地类别为Ⅱ类。该地区拟建一座五星级高层酒店, 地下1层, 地上13层, 结构高度58.9m, 裙房主要屋面标高17.1m, 主楼建筑总长117m, 宽度22.2m。长宽比5.27 (>5.0) , 不满足高规^[1]第3.4.3条规定;高宽比2.65 (<6.0) , 满足高规^[1]第3.3.2条规定。根据建筑要求不设永久结构缝。塔楼框架柱自8层东侧开始逐层逐跨向上收进直至顶层。地下室层高6m, 1层层高6.2m, 2层层高5.4m, 3～4层商业部分层高5.2m, 设备层层高3.3m, 5层以上层高均为4.2m, 塔冠高度为10m。建筑效果图见图1。

　　 因本工程主体结构高度超出8度区框架结构的最大适用高度 (58.9m>40m) , 为减少结构超限项并满足其抗震需求, 需要增设竖向抗侧构件。根据本工程抗震设防、建筑形体及平面布置情况, 针对上部主体结构提出以下3种方案:框架-剪力墙、钢支撑-混凝土框架和钢支撑-框剪结构。为便于观察, 将结构框架与剪力墙、钢支撑拆分展示, 如图2所示。

　　 各方案主体结构平面主要柱距均为6, 8.4, 9m。框架梁截面宽度在1层为500mm, 在其他楼层为400mm;1～4层与裙楼连接处梁截面高度为1 100 mm, 且所有边框梁及1层其余梁的截面高度为800mm, 剩余梁截面高度均为700mm。主要结构平面布置如图3所示。

　　 框架柱采用钢筋混凝土柱, 塔楼部分矩形柱截面尺寸为800mm×800mm, 圆柱直径为1 000mm;裙房部分矩形柱截面尺寸为800mm×800mm, 圆柱直径为800mm。1～5层外围剪力墙墙厚为500mm, 其他楼层为400mm, 主楼投影范围内两端和转角处均布置剪力墙, 其厚度为300mm或400mm。1～3层墙、柱混凝土强度等级为C50, 其他楼层为C40。

　　 塔楼左端和门厅入口 (图3 (a) ) 框架柱采用型钢混凝土柱, 其余为钢筋混凝土柱。塔楼底层矩形柱截面尺寸为1 000mm×1 000mm, 在2层、5层柱截面分别收进至900mm×900mm和800mm×800mm, 圆柱直径为1 000mm。裙房部分矩形柱截面尺寸为800mm×800mm或850mm×850mm, 圆柱直径为1 000mm或800mm。1～6层框架柱混凝土强度等级为C50, 其他楼层为C40, 型钢采用Q235级钢材。钢支撑为矩形截面BRB, 芯板材料采用Q235级钢材。按计算布置5种支撑, 屈服承载力分别为1 200, 2 200, 3 300, 4 200, 4 900kN。

　　 框架部分构件类型及其截面尺寸, 以及钢支撑类型均与钢支撑-混凝土框架方案相同, 所有楼层在主体结构投影范围内梁端及转角处布置400mm厚钢筋混凝土剪力墙。1～4层墙、柱混凝土强度等级为C50, 其他楼层为C40, 型钢采用Q235级钢材。

　　 剪力墙和BRB平面布置时, 除了要满足建筑设计要求外, 还要在以加强结构侧向刚度为目的的前提下尽量保证结构在X, Y向的动力特性相似, 使结构质心、刚心重合, 以降低扭转效应;立面布置时, 应避免刚度突变而形成薄弱层。为了在罕遇地震下具有更好的耗能性能并减小受力构件内力, 本工程BRB采用倒V形式进行布置。

　　 为减少结构不规则项, 参照《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》^[2]对本工程进行超限判别。针对本工程提出的三种结构方案, 平面凸出均超出30%且为细腰形, 存在平面凹凸不规则。框架-剪力墙方案地上5层侧向刚度小于上一层侧向刚度的70%, 且在Y向考虑偶然偏心的扭转位移比在地上2层为1.30, 存在刚度突变及扭转不规则等超限问题。其他方面, 三种方案均满足规范要求。

　　 本工程结构设计及小震弹性计算采用YJK软件完成。根据抗震规范^[3]和荷载规范^[4]对三种结构方案进行整体计算, 并分别统计了各方案的材料用量, 其结果见表1～3, 层间位移角曲线见图4。

　　 根据计算结果得知, 钢支撑-混凝土框架结构扭转与平动周期比最大, 说明此结构方案的扭转效应大于其他方案;对于抗震规范^[3]中最小剪重比不能低于3.2%的要求, 三种方案均满足;剪力墙可以很好地分担结构层间剪力, 但钢支撑-框剪结构中剪力墙几乎都布置在Y向, 导致框架柱在X向承受了较大的剪力;在进行小震偏拉验算时, 钢支撑-混凝土框架结构较其他方案受拉构件最少, 且拉力较小, 有利于结构受力。风荷载和地震作用下钢支撑-混凝土框架结构的最大层间位移角限值根据规范插值计算为1/614, 框架-剪力墙和钢支撑-框剪结构的限值按规范取1/800, 各方案层间位移角均满足要求。

　　 因BRB截面尺寸的选取是按照支撑在弹性时程分析下的应力比控制的, 在多遇地震下所有钢支撑应力比均控制在0.7以下, 故各方案所用BRB在进行小震弹性分析时没有进入工作状态。

　　 为进一步研究三种结构方案在大震作用下的抗震性能, 采用计算软件SAUSAGE (V3.1) 进行大震弹塑性时程分析^[5,6], 采用显式算法, 计算时积分步长为7.6×10^-5s。

　　 剪力墙、楼板采用弹塑性分层壳单元及弹塑性损伤模型本构关系, 并叠加rebar-layer (采用钢材本构的分层壳单元) 考虑多层分布钢筋的作用。梁、柱采用纤维束模型, 考虑弯曲和轴力的耦合效应, 基于平截面假定, 杆件刚度根据截面几何尺寸、弹性模量和惯性矩, 沿杆件长度方向动态积分得到。混凝土本构采用弹塑性损伤模型, 所有钢材和BRB计算采用双线性随动硬化模型^[7,8], 在循环过程中, 无刚度退化, 考虑包辛格效应。钢材强屈比设定为1.2, 极限应力所对应的极限塑性应变为0.025。结构动力时程分析中, 阻尼取值对结构动力反应的幅值有较大影响, 本计算采用振型阻尼, 阻尼比为5%^[9,10]。

　　 按照规范要求, 本次计算选取一条人工波和两条天然波, 地震波持时为15s, 主方向峰值加速度为400cm/s², 次方向为340cm/s², 各地震波波形见图5。

　　 经动力时程分析, 各方案在三条地震波作用下X, Y向的楼层剪力包络曲线和层间位移角包络曲线分别如图6和图7所示。

　　 由图6可知, 框架-剪力墙结构4层以下因布置较多剪力墙, 导致其底部剪力大于其他方案, 钢支撑-混凝土框架结构底部剪力最小, 钢支撑-框剪结构介于两者之间;在裙房以上楼层, 三种方案X向的楼层剪力基本相同, 钢支撑-混凝土框架结构Y向楼层剪力明显大于其他方案。

　　 钢支撑-混凝土框架结构按规范插值所得弹塑性层间位移角限值为1/60, 钢支撑-混凝土框架结构和钢支撑-框剪结构为1/100。由图7可以看出, 三种结构都满足规范规定, 框架-剪力墙结构的层间位移角小于其他方案, 表明其具有更加良好的抗侧移能力, 钢支撑-混凝土框架结构因3层钢支撑布置偏弱导致位移角发生突变。

　　 图8为不同方案结构各部分在大震作用下的耗能比例。由图可知, 钢支撑-混凝土框架结构及钢支撑-框剪结构在结构总体耗能方面强于框架-剪力墙结构, 但从BRB利用情况来看, 钢支撑-混凝土框架结构优于钢支撑-框剪结构。图9给出了钢支撑-混凝土框架结构与钢支撑-框剪结构地上5层某相同位置BRB在时程分析中的滞回曲线, 从图中可以看出, 钢支撑-混凝土框架结构BRB的滞回曲线较钢支撑-框剪结构更为饱满, 表明钢支撑-混凝土框架结构中位移型阻尼器更加有效地发挥了耗能作用。

　　 SAUSAGE按高规^[1]第3.11.3条将性能水准划分为6个等级, 各方案性能水准如图10所示。

　　 由图10可知, 框架-剪力墙结构中底部剪力墙损坏严重, 但其框架部分损伤较钢支撑-混凝土框架结构轻得多, 说明剪力墙有效分担了地震所产生的水平剪力。钢支撑-框剪结构剪力墙损坏较轻, 框架部分性能水准介于框架-剪力墙结构与钢支撑-混凝土框架结构之间。

　　 框架-剪力墙结构具有良好的抗侧移能力, 扭转效应较小, 并且剪力墙可以很好地分担地震水平作用。但由于剪力墙不能灵活布置, 导致结构存在薄弱层且扭转位移比大于规范要求, 使得结构超限, 并且底部受拉情况比较严重。

　　 钢支撑-混凝土框架结构整体侧向刚度最小, 3层较为薄弱, 水平荷载作用下侧向位移较大, 结构扭转效应也较为明显, 但均满足规范要求。由于BRB的灵活布置, 使得结构不存在刚度突变, 并且各层扭转位移比均小于1.2, 减少了结构不规则项。BRB屈服情况良好, 能够有效耗散大量地震能量, 与剪力墙相比震后损坏的钢支撑构件也便于更换。

　　 为符合建筑要求, 钢支撑-框剪结构的剪力墙均布置在Y向, 故X向侧向刚度较小, 虽然BRB耗能效果一般, 钢支撑不能被充分利用, 但其他受力性能均强于钢支撑-混凝土框架结构, 也不存在结构超限问题。底层框架柱承担的地震倾覆力矩大于50%, 抗震设计时需对其框架部分受力性能进行适当加强。

　　 根据表2和表3所提供的材料用量可知, 三种方案所需混凝土用量无明显差距, 但由于缺少剪力墙所提供的抗侧能力, 钢支撑-混凝土框架结构钢筋及型钢用量最大, 总体钢材用量比框架-剪力墙结构多出29%。在BRB用量方面, 钢支撑-混凝土框架结构使用了258根, 钢支撑-框剪结构使用了78根。

　　 根据结构计算模型所统计的材料用量估算各方案结构材料成本, 混凝土单价取550元/m³, 钢筋单价取4 900元/t, 型钢单价取9 000元/t, BRB考虑材料、预埋件及安装费用, 平均单价约2.5万元/根。计算结果见表4, 由于配筋较多和采用大量BRB的原因, 钢支撑-混凝土框架结构造价最高且比框架-剪力墙结构高975.7万元, 比钢支撑-框剪结构高605.4万元。

　　 本工程结构高度大于8度区框架结构最大适用高度, 故从抗震性能、减少结构超限项以及结构经济性角度出发, 对框架-剪力墙结构、钢支撑-混凝土框架结构和钢支撑-框剪结构进行了对比分析。结果表明, 钢支撑-框剪结构造价适中且侧向位移较小, 底部受拉不明显, 具有良好的抗震性能, 并能很好地减少结构不规则项, 因此本工程选择钢支撑-框剪结构方案。