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郑州金水万达中心超限高层结构抗震分析与性能化设计

赵柏玲,林元庆（中国核电工程有限公司郑州分公司，郑州 450052）

【摘要】介绍了郑州金水万达中心超限高层的结构的计算分析和设计过程，采用PMSAP,ETABS等多个软件对塔楼进行小震下抗震分析及弹性时程分析，并采用PUSH&EPDA软件对塔楼进行了大震下的弹塑性分析。通过上述计算结果分析，塔楼采用的框架核心筒结构体系合理，结构的受力和变形满足预期要求，结构的整体安全性及可靠性能得到很好的保证。针对结构平面、竖向体型复杂及多项指标超限的特点进行了性能化设计。对结构中的关键构件和关键部位进行了复杂分析并采取了相应的构造措施。

【关键词】超限高层；弹性时程分析；弹塑性时程分析；性能化设计

【中图分类号】【文献标识码】

ANALYSIS FOR EARTHQUAKE RESISTANCE OF ZHENG ZHOU WA DA ZHONG XIN HIGH-RISE OVERRUN BUILDING

ZHAO Bailing，LIN yuanqing (CHINA NUCLEAR POWER ENGINEERING CO.LTD Zhengzhou branch Henan Province）

Abstract: The analysis and design process of a tall building beyond code limits for Zhengzhou Wanda center was introduced,the model were analyzed using the programs of PMSAP and ETABS for response spectrum anaylsis and complementary elastic time history analysis under the frequent earthquake. elasto plastic time history analysis of the model was performed by the program of PUSH&EPDA under the rare earthquake.Analysis results show that the structural system is rational,the mechanism and deformation meet the expected goals,and the safety and reliability of the structure can be well assured.considering complex massing and several indexes exceeding code limits,performance_-based design was applied.Detailed analyses for crucial members and details were performed as well togerther with the strengthening measure in construction.

Key words: tall building beyong code limits;elastic time history analysis; elasto-plastic time history analysis; performance-based design

1 工程概况

郑州金水万达中心项目位于郑州市金水区科新路与农科路交汇处西侧，由一栋塔楼和裙房组成，主楼和裙楼设置抗震缝分开，塔楼地下两层，地上48层，塔楼建筑功能为酒店+办公，建筑总高度为198.6m，建筑效果及剖面如图1所示，塔楼采用框架-核心筒结构体系，结构嵌固端取正负零零顶板，塔楼基础采用桩筏基础，采用直径1m的泥浆护壁钻孔灌注桩。

结构外围框架柱采用矩形截面柱，在结构底部15层以下采用型钢混凝土柱，15层以上采用钢筋混凝土柱，截面尺寸从1.7m逐渐减小到1.0m，型钢混凝土柱中的含钢率在5%左右。核心筒外围的墙厚从底部的0.9m逐渐减小到0.5m。核心筒中间部分的剪力墙厚度为0.2m~0.3m，结构31层以上单边收进。外框架梁典型截面尺寸为600x1000，内框架梁典型截面为600x750。楼板采用现浇钢筋混凝土楼板，核心筒内楼面板厚130mm。核心筒外角部楼板厚度

[收稿日期]

130mm。其余板厚100mm-130mm。

本工程的设计基准期为50年，安全等级为一级，抗震设防类别依据《建筑工程抗震设防分类标准》确定为乙类，拟建场地地震基本设防烈度为7度，地震动峰值加速度0.15g，建筑场地类别为III类，设计地震分组为第二组，基本风压0.45kN/m2，地面粗糙度C类。

图1建筑效果图及剖面图

塔楼和裙房地上设置抗震缝，塔楼的典型结构平面布置图如图2所示。

(a)2层 (b)4~30层

(c)32~45层 (d)46~48层

图2典型楼层结构平面布置图

2 结构超限情况判定

根据《高规》^[1]及《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》^[2]，同时结合结构的平立面布置以及PMSAP、ETABS计算结果进行超限判。

结构存在下列超限情况：（a）结构高度198.6m，超过B级高度180m的限值，超过B级高度限值约10%。（b）由于结构在31层位置有收进（未超过25%）及设备夹层的存在，造成结构部分楼层存在刚度突变、承载力突变、层刚度偏小的情况，（c）结构在2层及46层存在局部大开洞、楼板不连续，并且在二层存在穿层柱。结构具有三项以上不规则情况，同时还存在本层侧向刚度小于相邻上层的50%特别不规则项，具体见表1，综合上述判定本工程为复杂超限高层。

结构不规则项目统计表1

序	不规则类型	本工程计算指标	是否超限
1	楼板不连续	2层楼板有效宽度<50%，开洞面积大于30%	是
2	刚度突变	31层：X向0.85，Y向0.88 43层：X向0.66，Y向0.63 45层：X向0.79，Y向0.76	是
3	承载力突变	1层：X向0.76，Y向0.77； 43层：X向0.7，Y向0.69	是
4	其他不规则	二层门厅局部穿层柱	是
5	层刚度偏小	本层侧向刚度小于相邻上层的50%	是

3 性能化设计目标确定

根据本项目的重要性、设防类别、地震后损失情况和地震后结构修复难易程度等，同时结合本项目的不规则判断的程度，本工程需要按《高规》要求，进行结构性能化设计^[1，3]，塔楼的结构抗震性能目标定为整体为C类，局部重要构件性能目标定为B类。各构件在设防烈度和预估罕遇地震作用下的性能化目标如表2所示。

结构及构件性能状况细化表表2

地震水准		设防烈度地震	预估罕遇地震
层间位移角限值		----	1/100
核心筒墙体	非底部加强区	抗弯、抗剪中震不屈服验算	允许进入塑性，控制塑性变形。
	底部加强区	抗弯中震不屈服验算，抗剪中震弹性验算	不进入塑性，满足大震下抗剪截面控制条件。
	连梁	允许出现抗弯屈服，抗剪按中震不屈服验算	允许进入塑性，不得脱落，不严重破坏。
主楼框架柱	非底部加强区	抗弯、抗剪中震不屈服验算	允许部分构件弯曲塑性发展，控制塑性变形；不发生剪切屈服；不形成楼层破坏机制。
主楼框架柱	底部加强区	抗弯中震不屈服验算，抗剪中震弹性验算	允许部分构件弯曲塑性发展，控制塑性变形；不发生剪切屈服；不形成楼层破坏机制。
主楼框架梁		允许出现抗弯屈服，抗剪按中震不屈服验算	允许出现抗弯屈服，控制弯曲塑性变形，不出现剪切屈服。
底层跃层柱		抗弯、抗剪中震弹性验算	抗弯大震不屈服验算，满足大震抗剪弹性。
酒店大堂8米层高柱		抗弯中震不屈服验算，抗剪中震弹性验算	允许出现抗弯屈服，控制弯曲塑性变形，不出现剪切屈服。

4 结构计算分析

4.1 结构多遇地震下振型分解反应谱分析

采用PMSAP和 ETABS有限元软件计算结果进行对比分析。计算选取前30个振型参与组合，表3列出了结构前6阶振的振动特性，PMSAP与 ETABS软件计算结果基本一致。

结构周期和振型表3

振型	PMSAP		ETABS	PMSAP/ETABS
振型	周期(s)	振型(X:Y:T)	周期(s)	PMSAP/ETABS
1	4.4645	(0.00:1.00:0.00)	4.5135	0.99
2	3.7966	(1.00:0.00:0.00)	3.8060	1.00
3	2.7819	(0.02:0.00:0.98)	2.7261	1.02
4	1.3266	(0.00:1.00:0.00)	1.3362	0.99
5	1.0649	(0.38:0.00:0.62)	1.0442	1.02
6	0.9592	(0.62:0.00:0.38)	0.9511	1.01

多遇地震下振型分解反应谱分析计算结果如下表4，结构的周期比满足规范限值0.85的要求，结构扭转效应较小，同时结构小震下的其它指标也满足规范限值要求。

振型分解反应谱分析计算结果表4

塔楼

PMSAP

ETABS

周期比

Tt/T1

0.62

0.60

小震下层间位移角

X向

Y向

1/1018

1/808

1/1044

1/822

小震下

位移比

X向

Y向

1.19

1.17

1.18

1.09

小震下基底剪力/KN

X向

Y向

36913

34227

36520

33690

风荷载下基底剪力/KN

X向

Y向

10848

11600

10060

11320

最小剪重比

X向

Y向

2.29%

2.02%

2.03%

1.98%

4.2 多遇地震下的弹性时程分析

因结构是B级高度高层结构，根据《抗规》中对地震波选波要求^【4】，选择了5条天然波（USER1~ USER5）和2条人工波（USER6~ USER7）进行弹性时程补充分析，地震峰值加速度取55cm/m²，主次方向比值为1:0.85。

结构层间位移角曲线如图3所示， 7条地震波计算所得结构层间位移角都小于规范限值1/620（根据高规第3.7.3条按结构高度线性插值得到）。楼层剪力计算结果如图4所示，从楼层剪力分布图中可看出，该结构上部部分楼层，其反应谱得到的楼层剪力要比弹性时程分析得到的楼层剪力要略小，说明反应谱法不能很好地反映高振型对结构顶部楼层的影响；为了考虑此部分影响，同时结合时程分析的结果，对顶部部分楼层（34层~50层），进行地震力放大，放大系数为1.15左右，同时对局部突出屋面的结构，加强其抗震构造措施特别是和主体结构连接构造措施。

(a) X向 (b) Y向

图3 层间位移角计算结果

(a)X向 (b)Y向

图4 楼层剪力计算结果

4.3 罕遇地震下弹塑性时程分析

根据《高规》第3.11.4条，采用弹塑性时程分析进行大震作用下的结构弹塑性变形、薄弱层弹塑性变形验算以及判断抗震性能化设计目标能否实现。

本工程弹塑性分析采用的软件为PKPM系列的PUSH&EPDA程序(2010版)，PUSH&EPDA程序中提供了符合中国规范的材料本构关系，混凝土的本构关系采用三折线形式，同时考虑材料的受拉开裂、裂缝闭合、压碎退出工作等混凝土材料所特有的复杂特性；该程序中，对梁、柱、支撑等一维构件提供了较为精确的纤维束模型，对剪力墙则采用弹塑性墙单元来模拟。

选择五条罕遇地震作用下的天然波和（USER1~ USER5）和2条人工波（USER6~ USER7），结构层间位移角计算结果如图5所示。结构X向最大弹塑性层间位移角为1/196；Y向最大弹塑性层间位移角为1/168，均小于规范限值的1/100，满足本工程的性能化设计目标。结构楼层剪力计算结果如图6所示，结构在大震下X向和Y向最大基底剪力分别为174280 kN和36913 kN，分别为小震作用下的基底剪力的4.72倍和3.94倍，分别为大震作用下弹性分析基底剪力的86%和82%，两个方向进入弹塑性的程度接近，结构刚度退化较轻，结构进入非线性程度不深。

(a)X向 (b)Y向

图5 结构层间位移角计算结果

(a)X向 (b)Y向

图6 结构楼层剪力计算结果

通过对整体模型进行弹塑性时程分析得出，大震下核心筒损伤状态见图7，核心筒的整体空间作用非常明显，核心筒在地震作用下出现整体拉压变形，其地震作用下核心筒角部的受力最大，由整体及各轴墙体损伤图中可看出，筒体角部的受力较大，结构在大震下出现了拉压裂缝；但未出现压碎性破坏裂缝，连梁出现了裂缝，其裂缝主要出现在梁端，破坏的连梁主要出现在结构层间位移角较大的部位附近，连梁的破坏能实现能量耗散，起到第一道防线的作用，且连梁未出现剪切破坏。

大震下框架柱及框架梁的损伤状态见图8，在大震作用下，框架柱未出现塑性铰，未发生剪切破坏，底部1至2层门厅处的越层柱未出现塑性铰，框架柱在大震下能实现预期的抗震性能目标。框架梁在大震下塑性铰主要出现在体型收进后的上部楼层，即层间位移角最大处楼层附近；同时框架梁未出现剪切破坏，其弯曲破坏形态能耗散地震能量，实现大震下的抗震性能目标。

4.4 结构问题专项分析

4.4.1 基础沉降对上部结构影响

对框架-核心筒结构，基础沉降规律是中间大，四周小，成盆形分布，见图9。上部结构核心筒轴向压缩变形小，周边框架柱轴向压缩变形大，成倒盆形分布，和基础分布方式正好相反。在结构分析时，将基础沉降按结构施工顺序，按模拟施工方式加到结构上，即在结构分层施工，分层加载时，加入分层基础沉降荷载向量。并研究对上部结构内力特别是对一端支撑在剪力墙一端在框架柱上框架梁影响，并将分析结果运用到设计中。