沈阳夏宫项目1#楼结构超限设计可行性论证
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【摘 要】沈阳夏宫项目1#楼建筑主体高度175.05米，属B级高度建筑，采用框架―核心筒结构体系，针对结构荷载取值、地震作用取值、风和地震作用下结构计算结果进行了介绍，并且对弹性时程分析、中震不屈服分析和静力弹塑性分析等方面也进行了较深入的探讨。通过对计算结果的分析比较，证明结构设计成功解决了结构超限问题，结构设计是安全可靠的。
1 工程概况
本项目位于辽宁省沈阳市沈河区，为原夏宫的旧址。1#楼为一幢地标性综合（含办公和公寓）塔楼，地上41层，办公楼部分楼层层高4.3米，公寓式酒店部分楼层层高3.5米，结构整体高度为175.05米，结构形式为现浇钢筋混凝土框架-核心筒体系，建筑面积为约68,058平方米。地下室共3层，底板埋深16米，地下室总建筑面积67，338.8平方米。本工程±0.000标高相当于绝对标高44.100m。本工程建筑三维效果图见图1。
图1建筑效果图
2 设计条件和参数
2.1 抗震设防标准
本工程结构设计使用年限为50年。抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.1g，设计地震分组为第一组。根据地震安全性评价报告特征周期为0.36s。在进行多遇地震计算时，取为0.36s；在计算抗震设防地震和罕遇地震时，取为0.38s。
2.2 荷载
风荷载，基本风压为0.60kN/m2（按100年一遇风压），地面粗糙度为C类。风荷载体型系数取为1.4。地震作用，抗震设防7度(0.10g)，地震分组为第一组。楼面荷载，混凝土自重：25kN/m3；钢结构自重：78kN/m3；雪荷载，50年一遇基本雪压：0.50kN/m2，雪荷载准永久值系数分区为I区，准永久值系数取为0.5。多遇地震下规范反应谱与安评反应谱比较如下图2：
图2多遇地震下规范反应谱与安评反应谱比较
3 结构体系
采用钢筋混凝土框架-核心筒结构。楼面采用现浇钢筋混凝土梁板体系,16层以下框架柱采用加型钢的混凝土方柱。地下室顶板作为嵌固部位设计。
4 地基基础设计
4.1 基础选型
基础形式可以选择天然地基或桩基础。天然基础从经济性方面具有优势。但若采用天然基础，基础持力层为⑤层圆砾或⑤-1层中砂，地基土承载力特征值分别为650kPa和400kPa。由于⑤-1层承载力无法满足设计要求，同时基础下存的⑥-1、⑦-1、⑧-1等软弱下卧层，因此需要进行地基处理。天然基础方案存在以下问题：①业主计划施工至±0.000后停止降水，天然基础无法解决由此产生的抗浮问题；②地基处理需要外扩一定的距离，靠近地铁出施工较困难；③地铁部门要求的沉降、侧压力要求较难控制。桩基础与天然基础相比，能够解决天然基础方案存在问题，满足业主的开发需要。因此决定采用桩基础方案。
4.2 桩基类型
选用Φ800直径桩端后注浆旋挖成孔灌注桩，有效桩长23米，桩端持力层为⑩砾砂层。单桩竖向抗压承载力特征值为5300kN。
4.3 筏板设计
地下室底板（筏板）：塔楼筏板厚2800（核心筒下）、2300mm；裙楼筏板厚800mm。
5 超限设计的计算及分析论证
5.1 结构超限类别及程度
本工程结构高度超限，达到B级高度。通过平面和竖向规则性判别，1#楼存在平面扭转不规则和局部楼板不连续超限。因此此幢楼需要进行详细的抗震分析，同时需要进行超限高层建筑工程抗震设防专项审查。
5.2 抗震性能化设计
根据上文结构抗震超限认定，本工程为超限高层结构，需要进行结构抗震专项分析，提高关键构件的抗震等级，采取必要的抗震构造措施。针对该结构，抗震设计采用下述的抗震性能设计要求进行设计，按照小震、中震、大震三阶段计算分析，对不同构件采取不同的抗震性能目标，提高关键部位和薄弱部位的抗震性能。
5.2.1 抗震性能化设计目标
1#楼抗震性能化设计目标如下：
（1）100年一遇风荷载和小震作用下结构保持弹性，即满足《规范》规定的强度、裂缝和变形指标。
（2）中震作用下，底部加强区范围内的框架柱及剪力墙肢、支撑楼面梁的连梁抗剪承载力满足弹性要求、偏压及偏拉承载力满足不屈服要求。
（3）大震作用下，底部加强区范围内的框架柱及剪力墙肢、支撑楼面梁的连梁剪力应满足抗剪截面控制条件；弹塑性层间位移角满足不大于1/100。
5.2.2 抗震性能计算方法
（1）小震作用下计算：小震作用采用SATWE、PMSAP、ETABS三种程序进行计算分析比较，并补充弹性动力时程分析，控制整体结构处于弹性状态。相关指标按照规范要求控制。小震弹性计算，考虑抗震等级的内力调整系数，荷载取设计值，材料强度取设计值计算。
（2）中震作用下计算：中震作用下采用PMSAP进行整体计算，对底部加强区剪力墙和框架柱要求中震抗剪承载力弹性、偏拉偏压承载力不屈服，对非底部加强区的剪力墙和框架柱要求抗剪承载力中震不屈服。中震弹性计算，取不考虑构件内力调整和风荷载的地震作用组合内力设计值及材料强度设计值对抗震承载力进行验算，计算模型中可以考虑部分框架梁、连梁进入塑性。中震不屈服计算，按不考虑抗震等级的内力调整系数和构件承载力抗震调整系数，荷载取标准值，材料强度取标准值计算。
（3）大震作用计算下：大震作用下采用PUSH进行弹塑性静力分析，整体结构要求保持不倒塌。控制整体结构变形，控制塑性铰出现顺序，次要构件先出现塑性铰，关键构件不出现塑性铰。
5.2.3 小震作用下的主要计算结果
本工程为框架-核心筒结构，三种程序计算的位移角结果均满足规范要求，说明结构的刚度合适，在小震作用下结构处于弹性状态。地震作用下三种程序的层间位移角计算结果比较如图3：
图3地震作用下三种程序的层间位移角计算结果比较
在考虑双向地震作用和扭转耦联影响，以及偶然偏心作用影响下，大部分楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移与该楼层的平均值小于1.4，Y方向大于1.2。总体上结构属于扭转不规则体系，但是结构的扭转效应可以按规范从严控制。
计算结果显示下楼层与上楼层受剪承载力比值大于0.75，结构竖向无承载力突变现象。
结构的整体稳定性验算大于1.4但小于2.7，整体结构是稳定的，但需要考虑重力二阶效应的不利影响。
整体结构抗倾覆比值远大于1，基地无零应力区，说明结构的稳定性较好。
综上所述，在小震作用下，结构虽然具有平面扭转不规则，但是结构总体性能是满足要求的。总体结构的竖向刚度，扭转效应，扭转周期等计算指标能控制在合理范围。
5.2.4 小震作用下弹性动力时程分析
根据《建筑抗震设计规范》2008年版（GB50011-2001）要求，本工程弹性动力时程分析选用由辽宁地震科技有限公司提供的一组人工地震波user3和中国建筑科学研究院工程地震研究所提供的两条天然地震波：S2和S3。结构的阻尼比为0.05，主分量峰值加速度为36cm/s2，次分量峰值加速度为30.6cm/s2，步距0.02s，地震波的持续时间均大于结构基本周期的5倍。比较结果表明，主要振型（前三阶）周期点上三组波平均与规范规定的地震影响系数曲线相差不超过20%。在高振型周期点上略微偏大，但计算结果略偏于保守。
分析结果表明，时程分析的地震波选取适合的，结构的地震作用和位移是满足规范要求的，振型分解反应谱法计算结果作为设计依据是可靠和安全的。对于时程分析中的局部超出部分，进行局部的验算和加强。通过对层间位移、楼层剪力、楼层弯矩图形分析，地下室具有良好的约束作用，可以作为上部结构的嵌固部位。整体结构的竖向刚度比较均匀，侧移刚度满足要求。
5.2.5 中震作用下的主要计算结果
根据性能化目标设计要求，本工程需要进行中震弹性和中震不屈服计算，采用PMSAP程序，中震作用下，选取结构底部主要竖向构件与小震作用下构件内力进行比较分析。从计算结果来看，结构构件截面总体上满足设计要求。构件设计时取中震作用和小震作用计算结果的最不利工况进行设计。
5.2.6 大震作用下的主要计算结果
本工程为平面不规则结构，对主体结构进行了大震作用下的弹塑性静力分析，找出结构薄弱部位，控制整体结构的弹塑性变形，确保结构在罕遇地震作用下不发生倒塌现象。本工程采用PUSH进行弹塑性静力计算分析。
分别按侧推荷载沿X方向和Y方向作用，计算结果显示X方向大震作用下加载到第28步，结构的需求层间位移角为1/183；Y方向大震作用下加载到第30步，结构的需求层间位移角为1/142，均小于规范对剪力墙的弹塑性层间位移角1/100的限值要求。宏观上本工程的结构体系能保证大震不倒的设计要求。
综上所述，整体结构的变形分析，塑性铰的开展机制，以及设计中根据结构概念的性能设计，结构体系具有一定的延性，整体结构可以实现大震作用下不倒塌。
6 结论
1#楼属于结构高度超限，并有平面扭转不规则、局部楼板不连续。针对超限情况，设计中从结构计算分析和抗震加强措施两方面进行考虑，保证整体结构实现“小震不坏，中震可修，大震不倒”三阶段设防水准，结构整体安全可靠，关键构件具有足够的延性。
参考文献：
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[4]北京金土木软件技术有限公司CSI分析手册，2005版