本项目位于深圳市, 总用地面积14 430.3m², 总建筑面积119 309m²。主要由A, B两座商务公寓、裙房、裙房架空绿化组成。B座商务公寓位于项目地块的中部, 地上34层, 建筑总高度119.15m (图1) 。大堂设在3层, 1, 2层为商业办公, 3, 4层兼绿化与转换层, 5~34层为商务公寓, 其中12, 25层为避难层。根据本工程的平面布置和结构受力特点, 选取B座商务公寓进行计算分析, 其结构类型为部分框支-剪力墙结构。

　　 工程抗震设防烈度为7度 (0.1g) , 地震分组为第一组, 场地类别为Ⅲ类, 场地特征周期T_g为0.45 s。基本风压为0.75 k N/m² (50年重现期) , 建筑抗震设防类别均为丙类, 小震影响系数按安评报告与《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) ^[1] (简称抗规) 中较大者取值, 为0.101 3。风荷载按《建筑结构荷载规范》 (GB 50009—2012) ^[2]及《高层建筑结构混凝土技术规程》 (JGJ 3—2010) ^[3] (简称高规) 取值, 计算位移时基本风压取0.75k N/m², 计算承载力时基本风压取0.825k N/m²。

　　 本项目裙房最大平面尺寸为195m×50m, 地下室主要平面尺寸为205m×65m。在地面以上设两道防震缝, 楼面为钢筋混凝土梁板结构, 嵌固端在1层楼面, 设置3层地下室。塔楼范围以外, 采用框架-剪力墙体系。

　　 结构主要构件信息如下:1) 构件尺寸:框支梁截面800×1 200~1 400×2 200, 框架梁截面200×400~400×700, 框支柱截面800×1 200~1 600×1 900;剪力墙厚200~500mm, 地下室顶板厚180mm, 转换层楼板厚180mm, 转换层上、下各一层楼板厚150mm, 标准层楼板厚100mm, 屋面板厚120mm。2) 混凝土强度等级:桩基础C40, 承台及地下室外墙C35, 4层以下框支柱C60, 剪力墙C60~C30, 地下室顶板C35, 转换层楼板C60, 其他层楼板C40~C30。

　　 采用框架、剪力墙作为结构的竖向承重及抗侧力体系。

　　 楼面采用现浇混凝土楼盖体系, 并加大转换层楼板厚度, 提高楼板配筋率至0.3%。

　　 根据地勘报告, 结合场地情况, 经与建设单位、勘察公司充分讨论、协商, 考虑结构受力、经济指标、工期、施工难易程度、现场管理等多方面因素, 确定采用桩筏基础, 以中风化层为持力层;裙房以抗拔为主, 持力层为强风化层。底板采用600mm厚防水板, 由于底板下土质比较好, 底板层荷载考虑由底板下的土体承担。

　　 为了确保抗震性能目标的实现, 本工程采用有限元软件SATWE与MIDAS/Building (补充计算) , 分别计算结构在小震下的作用, 并验证结构各部位在小震作用下的性能目标。结构整体计算结果如表1, 2所示。

　　 由表1, 2可知, SATWE及MIDAS/Building两种软件的计算结果接近, 间接反映出结构建模与分析的正确性。计算结果表明, 结构的主振型以平动为主, 周期比、位移比、层间位移角、刚重比、刚度比、受剪承载力比、底层柱倾覆力矩等均满足高规的限值要求, 说明结构体系是合理的。

　　 本工程根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》 (建质[2010]109号) , 对高规涉及的关于结构不规则性的条文进行了检查。该商务公寓总建筑高度119.15m, 超出7度 (0.10g) A级高度限值100m (框支-剪力墙) , 不超出7度 (0.10g) B级高度限值120m (框支-剪力墙) , 属于高度超限。最大位移比为1.36, 小于1.4, 属于扭转不规则。平面凸出尺寸为相应边长的0.56, 属于凹凸不规则;除两侧电梯剪力墙外, 两端剪力墙通高设置, 其余均在4层转换, 属于竖向不连续, 通过逐条检查, 该商务公寓属于超限高层建筑。

　　 本工程属于抗震超限高层建筑, 采用基于性能的抗震设计方法。按照抗规, 结构采用三水准进行抗震设防, 即小震不坏、中震可修、大震不倒。采用振型分解反应谱法时, 比较分别采用安评报告反应谱与抗规反应谱的计算结果, 取较大值进行抗震设计。根据高规的有关规定, 本工程结构抗震性能目标设定为C级, 结构构件在不同烈度下的性能目标见表3。

　　 中震弹性计算时考虑的主要因素:1) 不考虑风荷载组合;2) 最大地震影响系数按设防烈度调整为0.23, 不考虑与抗震等级有关的增大系数及其他内力增大系数;3) 连梁折减系数改为0.5;4) 周期折减系数采用0.9;5) 阻尼比取0.05。框支柱、框支梁、底部加强区剪力墙进行中震弹性计算, 非底部加强区剪力墙进行中震抗剪弹性计算。

　　 中震不屈服分析通过修改多遇地震设计方法实现。中震不屈服计算时考虑的主要因素:1) 不考虑风荷载组合;2) 最大地震影响系数按设防烈度调整为0.23, 不考虑与抗震等级有关的增大系数及其他内力增大系数, 荷载作用分项系数取1.0, 材料强度取标准值;3) 连梁折减系数改为0.5;4) 周期折减系数采用0.9;5) 阻尼比取0.05。框架柱、框架梁、连梁、转换层楼板进行中震不屈服计算, 非底部加强区剪力墙进行中震抗弯不屈服计算。

　　 采用SATWE软件计算结构在中震作用下的性能, 得出以下结论:1) X, Y向的最大层间位移角分别为1/606, 1/354, 属于轻微破坏, 满足中震可修的要求。2) 剪力墙水平钢筋采用小震及中震弹性下较大值, 竖向钢筋采用小震及中震弹性 (不屈服) 下较大值;框架柱纵筋及箍筋小震及中震弹性 (不屈服) 的计算结果均为构造配筋, 按小震配筋已满足中震弹性 (不屈服) 的要求;框架梁、连梁抗剪按中震抗剪不屈服及小震结果包络设计。3) 转换层楼板在中震作用下, 达到了弹性的性能目标。4) 框支柱、框支梁在中震作用下处于弹性工作状态, 达到预定的抗震性能目标。5) 剪力墙、框支柱轴力均为压力, 没有出现拉力。

　　 采用通用有限元软件ABAQUS 6.10对结构进行罕遇地震下的动力弹塑性时程分析, 模型的前处理采用自行编写的接口程序完成, 梁单元采用自行开发的材料用户子程序UMAT和VUMAT。一维杆件弹塑性模型采用纤维束模型, 二维剪力墙和楼板弹塑性模型采用ABAQUS内置的弹塑性壳单元。

　　 有限元分析中为减少工作量, 通常对楼板采用刚性楼板假定。本工程弹塑性分析中将不采用刚性楼板假定, 将各层楼板划分为1m×1m网格密度的弹塑性壳单元来进行分析 (图2) 。这将使得模型的规模和计算量大幅增加, 但可以得到更为准确的计算结果。

　　 对混凝土构件进行动力弹塑性时程分析时, 需要较为准确地考虑构件配筋对其承载力和刚度的贡献。本工程动力弹塑性时程分析中构件的配筋数据主要按照SATWE软件的小震弹性和中震弹性 (不屈服) 取包络值确定, 同时考虑规范的构造要求。

　　 地下1层~地上7层剪力墙约束边缘部位的水平与竖向分布钢筋配筋率不小于0.4%, 抗震等级为特一级的墙体一般部位水平与竖向分布钢筋的最小配筋率为0.35%, 约束边缘构件竖向钢筋最小配筋率为1.4%, 体积配箍率为1.4%。

　　 为简化起见, 混凝土楼板的配筋为:150mm厚楼板双层、双向通长配置10@150钢筋, 180mm厚楼板双层、双向通长配置12@150;120mm厚楼板双层、双向通长配置10@200钢筋;100mm厚楼板按构造配筋。

　　 选用了1组人工波、2组天然波, 采用ABAQUS软件对结构进行罕遇地震作用下的动力弹塑性时程分析, 各组地震波均按地震主方向为X向、Y向分别计算。

　　 ABAQUS软件计算得到的模型前3阶振动模态见图3。

　　 对结构动力弹塑性时程分析的整体计算结果进行分析:1) 罕遇地震作用下结构仍保持直立, 最大层间位移角X, Y向分别为1/147, 1/171, 小于罕遇地震作用下最大层间位移角1/100 (转换层1/120) 的限值, 满足抗规大震不倒的要求;2) 罕遇地震下结构底部的地震剪力约为多遇地震下的4~5倍, 部分构件进入了塑性阶段且结构整体的宏观变形满足规范要求。

　　 为真实地反映转换层的受力性能, 在模型中将转换梁用壳单元模拟, 将转换梁的顶部、底部的纵向钢筋简化集中配置。图4为转换层剪力墙、转换梁的混凝土受压损伤情况。可见, 剪力墙及转换梁均无塑性损伤, 满足罕遇地震作用下底部加强区剪力墙抗弯局部屈服、抗剪截面控制, 框支梁抗弯、抗剪不屈服, 满足性能目标。连梁塑性损伤满足罕遇地震作用下部分抗弯屈服、抗剪截面控制要求性能目标, 对出现损坏的连梁, 考虑到其为耗能构件, 建议加强出现损坏部位连梁的抗剪能力, 适当增强配箍率。转换层楼板塑性损伤情况限于篇幅, 此处不做详细介绍。

　　 在动力弹塑性分析模型中, 剪力墙配筋全部采用SATWE软件的计算结果, 剪力墙约束边缘构件与构造边缘构件的配筋采用简化集中配置。为真实反映连梁受力性能, 在分析模型中将跨高比小于5的连梁全部采用剪力墙洞口模拟, 并将连梁顶部、底部的钢筋简化集中配置。

　　 框架梁及框架柱的损伤分析、连梁的损伤分析及剪力墙的整体损伤分析由于篇幅原因省略, 整体结构楼板在第2组天然波 (Y向) 作用下楼板的损伤分析如图5所示。

　　 通过ABAQUS软件对结构进行罕遇地震作用下动力弹塑性分析, 得到以下结论:1) 罕遇地震作用下结构最大层间位移角X, Y向分别为1/147, 1/171, 小于罕遇地震作用下最大层间位移角1/100 (转换层1/120) 的限值, 满足抗规大震不倒的要求;2) 各层楼板受压损伤呈点状分布, 属于轻度损伤, 但楼板内钢筋有带状屈服情况发生, 电梯井外墙与楼板交接处的楼板配筋应有所加强;3) 结构顶部几层框架梁出现轻微损坏, 从进入轻微损伤的钢筋分布来看, 结构框架的屈服机制为先梁后柱;4) 框支柱、框支梁均未出现损伤, 抗震性能良好;5) 剪力墙及连梁在两个电梯井位置损伤较多, 主要原因是这两个位置连梁及剪力墙损伤后刚度下降, 是结构的两个主要薄弱位置, 需着重改善、加强;6) 连梁中度损坏、部分严重损坏, 满足罕遇地震作用下部分抗弯屈服、抗剪截面控制的性能目标;7) 罕遇地震作用下, 墙、柱的基底轴力均为压力, 未出现拉力。

　　 根据结构超限情况及计算结果, 结构设计过程中主要采取了以下措施:1) 按高规及抗规控制结构各项设计指标, 制定抗震性能目标;2) 将底部加强区的抗震等级提高至特一级, 并按中震相应的性能目标控制框支梁、框支柱及落地剪力墙;3) 严格控制一字形截面墙肢的轴压比, 增加配筋、配箍率, 以提高竖向构件的延性及抗震能力;4) 框支梁、框支柱和转换层以下的剪力墙配筋取小震弹性和中震弹性包络值;5) 转换层楼板厚度取180 mm、洞口周边楼板的厚度取150 mm, 并分别按照罕遇地震作用下MIDAS软件的分析结果, 双层、双向配置转换层和洞口周边楼板的钢筋。同时, 转换层上、下两层板厚取150mm, 以提高楼板抗震性能;6) 在施工图设计中, 地下1层~地上7层剪力墙约束边缘部位水平与竖向分布筋的配筋率不小于0.4%, 间距不超过200mm, 约束边缘构件竖向钢筋最小配筋率为1.4%, 体积配篐率为1.4%, 剪力墙约束边缘构件箍筋间距不超过100 mm;7) 对剪力墙变形集中的部位, 连梁设计时采用对角斜向钢筋或交叉钢筋暗撑或设置水平缝, 以提高连梁的延性, 并加强耗能性能;8) 用ABAQUS软件对结构进行动力弹塑性分析, 验算结构在罕遇地震作用下的抗震性能^[4,5,6], 计算结果表明均满足规范要求。

　　 (1) 采用两个不同的有限元软件SATWE, MIDAS/Building对结构进行小震作用下的分析计算, 其结果表明结构各项指标均满足规范要求, 结构的体系安全、合理。

　　 (2) 中震作用下结构各项性能均能达到预定的抗震性能目标, 部分构件设计时应取小震及中震计算结果的包络值设计。

　　 (3) 用ABAQUS软件对结构进行了大震作用下的动力弹塑性分析和构件损伤分析, 结果表明, 构件均满足抗震性能目标的要求, 结构屈服机制符合抗震概念设计的屈服顺序, 且罕遇地震下各构件损坏程度均可控制在轻微损坏至轻度损坏范围内, 满足所设定的抗震性能目标的要求。