某超限高层框架核心筒结构的分析

摘要：本文重点介绍实例工程中的结构平面布置，结构体系及超限判定；通过对该框架核心筒结构的计算结果进行分析，提出相应的抗震加强措施，为日后类似项目的结构设计提供了一定的参考依据。

关键词：框架一核心筒结构；超限高层；加强措施

中图分类号：TU3文献标识码： A

一、工程概况

本文所分析的工程实例位于上海市闸北区，项目包含高层办公楼及小型商业办公连体楼。本文针对项目中一栋带有3层裙房的23层高甲级办公楼（1号楼）主楼的设计进行分析，该楼主楼为甲级办公楼，地上23层（地下2层），高度97.2m，采用框架―核心筒结构，建筑平面布置图如右图所示。

二、结构体系及超限判定

1、嵌固端设置和抗震缝设置

由于一层楼面存在大开洞下沉庭院，结构±0.000板不具备作为上部结构嵌固端条件，综合考虑以地下一层楼面或基础底板作为上部结构嵌固端，当以地下一层楼面作为结构嵌固端时，地下一层楼面板厚取250mm(兼做人防顶板)。框筒结构地下二层结构的楼层剪切侧向刚度大于地下一层侧向刚度的1.5倍。根据《高规》JGJ 3-2010对多塔楼结构的定义，本工程不属于多塔楼结构，但是由于地下车库顶板开洞较大，考虑其不利影响，采用多塔楼进行包络设计。

2、抗震等级、高宽比

框架和核心筒的抗震等级均为二级，主楼高宽比为2.5，核心筒部分高宽比为6.4。

3、超限判定

按《上海市超限高层建筑抗震 设防管理实施细则》沪建建（2003）702号进行判别，一般不规则项检查主要有两项超限，楼层的最大弹性水平位移（或层间位移）大于该楼层两端弹性水平位移（或层间位移）平均值的1.2倍；抗侧力结构的层间受剪承载力小于相邻上一层的80%。本工程没有特别不规则超限，但由于地下是顶板大开洞，需要按多塔楼构造进行包络设计。

三、计算结果的分析

1、计算软件

本工程结构采用SATWE和PMSAP 2012版本两种程序进行整体计算。

2、主要计算参数如下表：

计算参数 取值说明

结构总层数 （地下2层，地上23层，屋面小塔楼1层）

地震力计算 双向计算和偶然偏心

竖向荷载计算 施工模拟加载3

地震力振型组合数 21

设防烈度/场地类别/设计地震分组 7/ IV类/第一组

场地特征周期 0.9s

修正后基本风压 0.55kN/m2

层刚度比计算 剪切刚度算法

地震作用分析方法 按总刚模型分析

计算模型情况 主楼以外带一跨参与分析

3、弹性时程分析所取地面运动最大加速度为35gal，选取程序自带的TH1TG090地震加速度时程、TH4TG090地震加速度时程、RH4TG090人工地震加速度时程，共3条地震加速度时程。

4、模型电算结果分析详见下表：

项目 SATWE PMSAP

结构基本自振

周期（秒） 周期 振型 周期 振型

T1 2.9326 Y 3.000 Y

T2 2.8630 X 2.895 X

T3 2.4114 扭转 2.465 扭转

底层最小剪重比 X向 1.85% X向 2.58%

Y向 1.80% Y向 2.56%

扭转与平动第一自振周期之比 T3/T1=0.822 T3/T1=0.822

位移比

（偶然偏心） x/x 1.28 1.31

y/y 1.19 1.165

地震作用下

最大层间位移角 X 1/805 1/813

Y 1/818 1/800

基底剪力(地震) X 20152.5 19693.29

Y 19591.1 19494.33

最小楼层受剪承载力之比 X向 0.83 X向 0.70

Y向 0.89 Y向 0.73

底层层间位移角 X 1/3273 1/2129

Y 1/3105 1/2385

5、SATWE和弹性时程计算结果对比

结构响应 最大层间位移角 最大层间位移/平均层间位移 基底剪力（kN） 基底剪力比值

X向 Y向 X向 Y向 X向 Y向 X向 Y向

地震波 TH1TG090 1/939 1/939 1.16 1.07 16769.5 18013.3 83% 92%

TH4TG090 1/1181 1/1185 1.33 1.10 17991.7 16149.7 89% 82%

RH4TG090 1/1125 1/1080 1.13 1.10 17593.0 17202.1 87% 88%

平均反应 1/1172 1/1169 1.10 1.09 17451.4 17121.7 87% 87%

规范反应谱法 1/805 1/818 1.28 1.19 20152.5 19591.1

满足规范要求

通过弹性时程分析结果与规范反应谱计算结果的对比分析，表明每条时程曲线计算所得结构底部剪力均大于振型分解反应谱法计算结果的65%，三条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值大于分解反应谱法计算结果的80%，故选用地震波满足设计要求。

6、计算结果的分析

1） 通过两种计算模型的分析比较，发现电算结果基本接近，表明本工程计算模型的合理性。

2） 通过计算分析，本工程上部结构的位移比大于1.2，属于扭转不规则。

3） 本工程对竖向刚度、抗剪承载力的分析，该楼一层存在薄弱层。

4）本工程各塔楼及底盘的扭转周期比均小于0.85，抗扭特征满足要求。

5） 弹性时程分析表明，各地震波的选取满足规范要求，且各波的平均地震反应和最大地震反应均小于反应谱分析结果，反应谱结果可作为设计依据。

四、超限设计抗震加强措施

1、结构扭转的控制及加强措施

该楼为框架核心筒结构，内部核心筒刚度较大，结构扭转效应明显。经计算结构楼层的最大位移和最大层间位移与该楼层平均位移和平均层间位移的比值大于1.2；结构存在扭转不规则问题。为了控制结构的扭转位移比，尽量调整结构刚度使其刚度均匀，尽量减小扭转位移比，增加周边框架梁刚度，削弱内部核心筒刚度，增加结构抗扭刚度，严格控制标准层以上楼层结构的扭转位移比小于1.40（计入偶然偏心），并控制结构扭转周期比不大于0.85。

2、二层局部大开洞层楼板大开洞的加强措施

由于主楼底部大堂挑高需求，建筑2层平面存在楼板大开洞，楼板开洞面积远超30%，为避免结构楼板缺失，实际结构设计时采取1,2层并层处理，首层计算层高取建筑1,2层层高之和，剪力墙及竖向构件首层刚度加大，避免形成薄弱层。

3、首层层高较高引起刚度变化的加强措施

经SATWE计算首层与上一层刚度比不大于0.7倍，受剪承载力大于上一层0.8倍；但经PMSAP计算受剪承载力小于上一层0.8，但大于0.7倍，实际设计采取地震剪力放大1.15倍进行设计。

4、其他

该楼为了保证抗侧力构件的延性，控制各单体框架柱和核心筒剪力墙的轴压比；按规范要求设置剪力墙约束边缘构件和构造边缘构件，筒体四角按规范要求通高设置约束边缘构件；对任一层框架部分承担的地震剪力调整至0.2Q0和1.5Vmax的较小值。

五、结语

按照相关国家规范、规程对本工程在地震荷载、风荷载及重力荷载作用下进行了细致分析。各项指标基本达到规范要求；在施工图中有针对性地加强构造措施。根据本工程的超限情况，有针对性地提出了高于规范的设计要求，可以作为类似工程的参考借鉴。

参考文献

[1] 建筑抗震设计规范 GB 50011-2010

[2] 高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ 3-2010

[3] 上海市建筑抗震设计规程DGJ08-9-2003

[4] 《上海市超限高层建筑抗震设防管理实施细则》沪建建（2003）702号