月亮灣B3地塊建屋廣場(chǎng)E座工程位于蘇州市工業(yè)園區(qū)崇文路以北，八達(dá)街以東。E座建筑總高度222.80m，地下3層，地上50層（不包含出屋面設(shè)備及構(gòu)架層），總建筑面積72154m²，其中地上建筑面積60088m²，地下建筑面積約為12066m²，建筑效果圖及剖面如圖1，2所示。E座地下1~3層為車庫(kù)，地上1~3層為物業(yè)辦公配套用房，4層為健身房（含小型6m×25m游泳池），5~50層為公寓標(biāo)準(zhǔn)層，標(biāo)準(zhǔn)層層高3.8m，其中含3個(gè)避難層（12，25，38層），層高4.4~4.7m。結(jié)構(gòu)大屋面高度為202.70m，結(jié)構(gòu)大屋面以上為兩個(gè)設(shè)備層(51，52層，局部有樓板)和3個(gè)構(gòu)架層（無(wú)樓板），構(gòu)架層頂標(biāo)高222.8m。

圖1 建筑效果圖

圖2 建筑剖面圖

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期和設(shè)計(jì)使用年限均為50年，結(jié)構(gòu)安全性等級(jí)為二級(jí)，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)安全等級(jí)為二級(jí)?？拐鹪O(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類，抗震設(shè)防烈度為7度（0.10g，第一組），建筑場(chǎng)地類別為Ⅲ類，特征周期為0.53s，地面粗糙度類別為B類，基本風(fēng)壓為0.45kPa。結(jié)構(gòu)嵌固層設(shè)在地下室頂板，框架抗震等級(jí)為一級(jí)，底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻抗震等級(jí)提高為特一級(jí)，其余剪力墻抗震等級(jí)均為一級(jí)，剪力墻軸壓比均按0.5控制。

E座采用型鋼混凝土框架-鋼筋混凝土核心筒體系，核心筒和框架組成雙重抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系。

建筑平面呈矩形，平面尺寸為43.1m×26.2m，結(jié)構(gòu)高寬比為7.74；外圍柱距為7.4~8.8m，核心筒平面尺寸為25.7m×9.1m，核心筒高寬比為22.27，遠(yuǎn)超規(guī)范限值12。由于核心筒平面亦呈矩形，長(zhǎng)寬比為2.82，為保證結(jié)構(gòu)兩個(gè)方向動(dòng)力特性相近，結(jié)構(gòu)布置上需加強(qiáng)Y向剪力墻，減弱X向剪力墻，上部標(biāo)準(zhǔn)樓層結(jié)構(gòu)平面布置如圖3所示。在D~G軸布置4片Y向雙肢剪力墻，墻厚從底層900mm逐漸收至頂層300mm；并在核心筒內(nèi)樓梯處布置兩片Y向剪力墻，墻厚從底層550mm逐漸收至頂層200mm。在5，6軸布置X向剪力墻，墻厚從底層750mm逐漸收至頂層250mm，并對(duì)剪力墻大開(kāi)洞處理；同時(shí)加大Y向框架梁和框架柱的截面尺寸來(lái)提高結(jié)構(gòu)Y向抗側(cè)剛度，標(biāo)準(zhǔn)層Y向框架梁截面為700×750，而X向框架梁截面為500×700，25層以上樓層外框柱沿Y向呈矩形布置，其Y向截面尺寸比X向截面尺寸大100~200mm。經(jīng)上述處理后，X，Y向周期分別為5.7，5.1s，結(jié)構(gòu)兩方向剛度基本接近。

圖3標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置圖

框架柱采用型鋼混凝土柱，利用柱內(nèi)高強(qiáng)型鋼來(lái)減小柱截面尺寸并提高延性，并通過(guò)提高外圍框架柱剛度控制整體結(jié)構(gòu)層間位移角滿足規(guī)范要求。底層柱截面為1450×1450（型鋼混凝土柱），頂層為700×900（鋼筋混凝土柱），根據(jù)高度分段收進(jìn)。型鋼混凝土柱延伸至32層，32~34層為型鋼混凝土柱過(guò)渡層，過(guò)渡層柱內(nèi)型鋼同下部樓層，過(guò)渡層柱內(nèi)縱向鋼筋按鋼筋混凝土柱計(jì)算配置。34層以上采用普通鋼筋混凝土柱并延伸至頂層。底部框架柱軸壓比控制在0.70以內(nèi)（短柱控制在0.65以內(nèi)）?；A(chǔ)頂~22層樓面核心筒和框架柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60，22層樓面~頂層樓面逐漸遞減至C40?？蚣芰航孛鏋?/span>500×700，700×750，次梁截面為250×550。地下室室內(nèi)頂板厚180mm，室外頂板厚250mm，其他樓層樓板厚一般為120mm，局部100mm。

本工程結(jié)構(gòu)高寬比達(dá)到7.74，核心筒高寬比達(dá)到22.27，為此，首先考慮通過(guò)在加強(qiáng)層設(shè)置腰桁架或伸臂構(gòu)件來(lái)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性以提高結(jié)構(gòu)剛度，但通過(guò)多種方案的比較分析發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是設(shè)置腰桁架還是伸臂構(gòu)件，都對(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度的提高不明顯，反而易造成加強(qiáng)層剛度突變，對(duì)結(jié)構(gòu)抗震不利。而通過(guò)常規(guī)沿豎向均勻提高外圍框架柱的剛度，也能將結(jié)構(gòu)層間位移角控制到規(guī)范限值以內(nèi)。

選取其中兩個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行介紹，如圖4所示。方案A不采用腰桁架，計(jì)算上型鋼混凝土柱延伸至32層；方案B在25，38層分別設(shè)置兩道腰桁架，25層腰桁架鋼構(gòu)件截面為H500×350×20×30，38層腰桁架鋼構(gòu)件截面為H450×350×20×30，型鋼柱按軸壓比控制設(shè)置到19層截止。對(duì)兩種方案的主要整體計(jì)算指標(biāo)加以對(duì)比分析，框架剪力分擔(dān)率和結(jié)構(gòu)整體指標(biāo)對(duì)比分別見(jiàn)圖5及表1。

圖4 方案對(duì)比圖

圖5框架剪力分擔(dān)率

通過(guò)兩種方案的對(duì)比可知：1）宏觀指標(biāo)方面（表1），方案B相對(duì)方案A有一定的變化，但大部分指標(biāo)差異值在5%以內(nèi)，從表1中的指標(biāo)判斷可不設(shè)置腰桁架。2）外框架剪力分擔(dān)率方面（圖5），方案B在腰桁架層及其相關(guān)樓層存在一定的內(nèi)力突變，對(duì)結(jié)構(gòu)抗震不利；且從含鋼率上來(lái)講，方案A略優(yōu)于方案B，故最終采用方案A。

腰桁架的作用是使各框架柱承受的軸力均勻變化，減小框架-核心筒結(jié)構(gòu)的剪力滯后效應(yīng)，提高外框架抗傾覆力矩的能力并減小結(jié)構(gòu)的側(cè)移。由于本工程核心筒偏小，為提高整體結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，已加大了外框柱截面，從外框架和內(nèi)核心筒的剪力分擔(dān)率及傾覆力矩比可以看出本工程外框架剛度已滿足要求，設(shè)置腰桁架的作用較弱。且腰桁架會(huì)造成結(jié)構(gòu)豎向剛度不均勻，腰桁架層及上下相鄰層構(gòu)件的內(nèi)力會(huì)出現(xiàn)較大突變，在地震作用下產(chǎn)生薄弱層效應(yīng)。故針對(duì)此核心筒過(guò)小的結(jié)構(gòu)類型，采用提高外框柱剛度的方法更合理。

本工程結(jié)構(gòu)高度為202.7m，超過(guò)規(guī)范^[2]中7度區(qū)框架-核心筒B級(jí)最大適用高度限值180m，屬高度超限的高層建筑。本工程Y向考慮偶然偏心，水平力下樓層最大彈性水平位移為該樓層兩端彈性水平位移平均值的1.25倍，大于1.2且小于1.4，為一般平面不規(guī)則。此外，本工程4層樓層層高6.7m，其以上各層層高3.8m，4層X向剛度與其上層剛度1.1倍的比值為0.87，小于1.0，存在軟弱層，為一般豎向不規(guī)則。綜上，本工程結(jié)構(gòu)高度超B級(jí)，存在一項(xiàng)平面一般不規(guī)則，一項(xiàng)豎向一般不規(guī)則，屬于超限不規(guī)則高層建筑。根據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)各構(gòu)件重要程度，結(jié)合整體結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)，確定結(jié)構(gòu)不同部位構(gòu)件的抗震性能目標(biāo)，見(jiàn)表2。

E座結(jié)構(gòu)核心筒高寬比達(dá)到22.27，故需對(duì)墻肢進(jìn)行中震下拉應(yīng)力驗(yàn)算。中震作用下拉應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)圖6，由于核心筒呈矩形，Y向剪力墻較長(zhǎng)且數(shù)量多，故Y向墻肢在中震下仍處于受壓狀態(tài)，不出現(xiàn)拉應(yīng)力。雖然核心筒高寬比很大，但5，6軸兩片X向剪力墻靠近結(jié)構(gòu)中心（位于結(jié)構(gòu)中心兩側(cè)1/3處），其整體受拉相對(duì)較小，只有底部X向墻肢出現(xiàn)拉應(yīng)力。墻肢最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在外核心筒右上角，為C60混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值f_tk的0.85倍，接近混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。故設(shè)計(jì)時(shí)在結(jié)構(gòu)底部出現(xiàn)拉應(yīng)力的外核心筒四角及X向剪力墻內(nèi)增設(shè)型鋼構(gòu)造加強(qiáng)，提高其抗拉能力。同時(shí)結(jié)合本工程的抗震性能目標(biāo)，采用等效線性方法，對(duì)E座結(jié)構(gòu)進(jìn)行大震作用下結(jié)構(gòu)分析，復(fù)核大震下墻肢剪壓比。E座首層墻肢在大震作用下的剪壓比驗(yàn)算（不考慮墻內(nèi)型鋼作用）結(jié)果如圖7所示，計(jì)算時(shí)連梁剛度折減系數(shù)取0.3，阻尼比取0.06。計(jì)算結(jié)果表明，大震作用下E座結(jié)構(gòu)核心筒剪力墻剪壓比最大值為0.5，滿足大震下墻肢剪壓比要求。

圖6  中震作用下首層墻肢偏拉驗(yàn)算結(jié)果

圖7 大震作用下墻肢剪壓比驗(yàn)算結(jié)果

由于本工程核心筒高寬比較大，遠(yuǎn)超規(guī)范^[2]限值，為了更準(zhǔn)確真實(shí)地模擬結(jié)構(gòu)大震作用下的動(dòng)力特性，判斷結(jié)構(gòu)的非線性行為，本工程同時(shí)采用彈塑性分析軟件SAUSAGE和通用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行了動(dòng)力彈塑性時(shí)程對(duì)比分析^[4]。兩者在地震動(dòng)過(guò)程中的模擬方法都基于顯式算法，并采用相似的材料和構(gòu)件模型，但在阻尼模型的選擇和性能評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)等方面有一定的差異。圖8為兩者頂點(diǎn)位移計(jì)算結(jié)果對(duì)比，由圖13可見(jiàn)兩者具有較好的統(tǒng)一性，一定程度上可互相驗(yàn)證彈塑性模擬的準(zhǔn)確性。

圖8 結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移時(shí)程

部分彈塑性分析結(jié)果見(jiàn)表4，表4表明SAUSAGE與ABAQUS計(jì)算的宏觀指標(biāo)和構(gòu)件損傷較為接近；結(jié)構(gòu)最大層間位移角約為1/129，變形滿足性能目標(biāo)要求。圖9為結(jié)構(gòu)耗能時(shí)程，由圖9可知結(jié)構(gòu)塑性耗能約占總能量的25%。圖10，11分別為ABAQUS和SAUSAGE軟件計(jì)算的核心筒損傷分布情況，其中，圖11核心筒平面示意同圖10。由圖10，11可知：SAUSAGE與ABAQUS軟件計(jì)算的構(gòu)件損傷分布情況較為接近；1/6的剪力墻墻肢達(dá)到了輕度損壞程度；個(gè)別墻肢發(fā)生中度損壞，但其范圍較小，結(jié)構(gòu)的整體性依然保持較好；大部分連梁達(dá)到了嚴(yán)重?fù)p壞的程度，連梁作為結(jié)構(gòu)抗震第一道防線，在地震作用下迅速進(jìn)入損傷階段，并在整個(gè)地震過(guò)程中保持耗能作用，達(dá)到耗能設(shè)計(jì)意圖，其屈服耗能有效地保護(hù)了主體墻肢不被嚴(yán)重?fù)p壞。

圖9  結(jié)構(gòu)耗能時(shí)程（ABAQUS計(jì)算結(jié)果）

圖10  核心筒損傷分布情況一（ABAQUS計(jì)算結(jié)果）

圖11  核心筒損傷分布情況二（SAUSAGE計(jì)算結(jié)果）

動(dòng)力彈塑性分析最終結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)在考慮重力二階效應(yīng)及大變形的條件下，兩種軟件在1組人工波和2組天然波共計(jì)6個(gè)工況下（每組波分別以X,Y向做為主方向輸入三向地震作用）順利計(jì)算完成，并最終仍能保持直立，滿足“大震不倒”的設(shè)防要求；梁、柱、樓板及墻構(gòu)件層次的破壞狀態(tài)基本符合地震工程學(xué)原理，結(jié)構(gòu)第一道抗震防線為連梁，破壞較為明顯，達(dá)到了耗能與延性設(shè)計(jì)目的；豎向構(gòu)件在輕度破壞以內(nèi)，具有適宜的安全度?？傮w而言，7度罕遇地震下，結(jié)構(gòu)抗震性能優(yōu)于不倒塌，可修復(fù)后使用。

針對(duì)上述結(jié)構(gòu)超限狀況，尤其是核心筒高寬比過(guò)大的特點(diǎn)，基于小震、中震、大震彈性分析結(jié)果以及彈塑性分析所發(fā)現(xiàn)的薄弱環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮以下加強(qiáng)措施：

（1）核心筒底部加強(qiáng)區(qū)及相應(yīng)樓層框架柱，正截面按中震不屈服設(shè)計(jì)，斜截面按中震彈性設(shè)計(jì)。

（2）核心筒高寬比較大，結(jié)構(gòu)Y向剛度略弱，設(shè)計(jì)時(shí)加大Y向框架梁和框架柱截面尺寸，以提高結(jié)構(gòu)Y向抗側(cè)剛度；為提高外圍框架柱的剛度與延性，外圍框架柱從基礎(chǔ)至33層采用型鋼混凝土柱。

（3）中震雙向地震作用下，底部部分墻肢偏心受拉，設(shè)計(jì)時(shí)在結(jié)構(gòu)底部出現(xiàn)拉應(yīng)力的外核心筒四角及X向剪力墻內(nèi)增設(shè)型鋼構(gòu)造加強(qiáng)，并對(duì)底部加強(qiáng)區(qū)范圍內(nèi)筒體結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造措施提高為特一級(jí)。

（4）針對(duì)動(dòng)力彈塑性分析發(fā)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)薄弱部位，采取針對(duì)性加強(qiáng)措施，以進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)抗震性能。如連梁作為耗能構(gòu)件出現(xiàn)了嚴(yán)重?fù)p壞，對(duì)Y向跨高比小于1且墻肢厚度不小于500mm的連梁，設(shè)置交叉暗撐，以增加連梁在大震作用下的耗能與延性能力。

本工程屬于核心筒狹長(zhǎng)且高寬比很大的超B級(jí)高層建筑，針對(duì)核心筒高寬比過(guò)大的特點(diǎn)，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多方案及多軟件對(duì)比分析。發(fā)現(xiàn)適當(dāng)增加外圍框架柱的剛度與延性的設(shè)計(jì)方案，效果優(yōu)于設(shè)置腰桁架或伸臂構(gòu)件形成加強(qiáng)層的設(shè)計(jì)方案。通過(guò)分析結(jié)果優(yōu)化了結(jié)構(gòu)布置，針對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行性能化設(shè)計(jì)，對(duì)薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行重點(diǎn)加強(qiáng)，保證結(jié)構(gòu)安全，提高經(jīng)濟(jì)性。

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