作者：董廷順，楊 超

俊發(fā)城一期10號(hào)地塊超高層辦公樓（圖1）建筑面積為90379.02m²，結(jié)構(gòu)總高度195.1m，塔樓結(jié)構(gòu)平面尺寸為51.05m×33.20m，高寬比為5.88。地上52層，其中1層層高5.4m，2~4層、14層、15層、28層、42~52層層高4.5m，5~12層、16~26層、29~40層層高3.3m，13層、27層層高3.5m，41層層高3.9m；1層建筑功能為大堂及商業(yè)，14，28，42層為避難層，其余標(biāo)準(zhǔn)層為辦公。地下3層，其中地下1層層高為4.6m，地下2，3層層高為3.4m。工程抗震設(shè)防烈度為8度（0.2g），設(shè)計(jì)地震分組為第三組，場(chǎng)地土類別為Ⅲ類，場(chǎng)地特征周期為0.65s，阻尼比按線性插值取0.024。根據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50223—2008）^[1]，本工程屬于重點(diǎn)設(shè)防類，按高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度一度的要求加強(qiáng)其抗震措施，故按9度采取抗震措施，上部結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)為一級(jí)，結(jié)構(gòu)嵌固于地下室頂板。           

        圖1  建筑效果圖

基于建筑功能、綜合造價(jià)以及結(jié)構(gòu)體系的抗側(cè)力性能等考慮，本結(jié)構(gòu)采用雙重抗側(cè)力體系鋼框架-中心支撐結(jié)構(gòu)（部分BRB）體系來(lái)抵抗水平作用（風(fēng)荷載和地震作用），其中鋼柱為焊接矩形鋼管混凝土柱，鋼梁為焊接H型鋼梁，支撐為焊接箱形截面中心支撐和耗能型BRB，樓板為鋼筋桁架組合樓板。中心支撐以單層或跨層的形式布置在1~52層，根據(jù)《建筑消能減震技術(shù)規(guī)程》（JGJ297—2013）^[2]關(guān)于消能部件“均勻、對(duì)稱、高效率”的布置原則， BRB共11種類型，布置在1~28層，BRB的編號(hào)及與中心支撐的平、立面布置見(jiàn)圖2，3。

圖2  中心支撐及BRB平面布置示意圖

（a）A，E軸 （b）B，D軸 （c）3，6軸 （d）4，5軸

圖3  中心支撐及BRB立面布置示意圖

本工程結(jié)構(gòu)高度為195.1m，高寬比為5.88，根據(jù)《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（GB50936—2014）^[3]，框架-支撐結(jié)構(gòu)在8度區(qū)（0.20g）的最大適用高度為180m，最大高寬比為5，本工程屬于高度和高寬比均超限的結(jié)構(gòu)。針對(duì)本工程的超限水平和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，參照《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ99—2015）^[4]（簡(jiǎn)稱高鋼規(guī)），制定結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震性能目標(biāo)，見(jiàn)表1。 

4.1 設(shè)計(jì)思路

框架支撐體系中，消能減震器可采用BRB，通過(guò)與主體結(jié)構(gòu)梁、柱相連形成消能子結(jié)構(gòu)以控制結(jié)構(gòu)在地震作用下的預(yù)期變形，從而達(dá)到抗震設(shè)防目標(biāo)。高鋼規(guī)中規(guī)定，耗能型BRB在小震作用下應(yīng)保持彈性，中震和大震作用下應(yīng)屈服，即BRB小震下承擔(dān)的軸力設(shè)計(jì)值應(yīng)小于其承載力設(shè)計(jì)值，中震下承擔(dān)的軸力標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)大于或接近其屈服承載力，大震下承擔(dān)的軸力標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)大于其屈服承載力，同時(shí)為保證BRB在中震、大震下具有穩(wěn)定的耗能能力，BRB的軸力標(biāo)準(zhǔn)值還要滿足極限承載力的要求。因此，基于以上幾點(diǎn)，本工程對(duì)BRB的設(shè)計(jì)思路概況為：1)小震下，假定BRB芯材牌號(hào)為Q235，結(jié)合塔樓整體計(jì)算指標(biāo)初步確定BRB的數(shù)量及等效截面面積；2)結(jié)合BRB的屈服承載力大小和塔樓中震彈性計(jì)算結(jié)果以確定芯材牌號(hào)；3）根據(jù)大震彈塑性時(shí)程的結(jié)果驗(yàn)算所選BRB的極限承載力。

4.2 BRB設(shè)計(jì)參數(shù)

通過(guò)計(jì)算，本工程所采用的BRB鋼材牌號(hào)為L(zhǎng)Y160，LY225，屈服強(qiáng)度分別為（160±20）MPa和（225±20）MPa，X，Y向分別布置二組。具體參數(shù)見(jiàn)表2。

5.1 小震分析

采用YJK軟件對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析，采用ETABS軟件對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行小震計(jì)算結(jié)果的復(fù)核，部分計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。從表3中可知，YJK軟件與ETABS軟件計(jì)算結(jié)果基本一致，相互吻合，且計(jì)算結(jié)果符合規(guī)范的有關(guān)規(guī)定。

根據(jù)YJK軟件計(jì)算結(jié)果（取彈性時(shí)程分析法平均值和CQC法的較大值）對(duì)BRB的設(shè)計(jì)承載力進(jìn)行驗(yàn)算，驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知，各層BRB在小震作用下軸力設(shè)計(jì)值滿足設(shè)計(jì)承載力的要求。承載力設(shè)計(jì)值與最大軸力設(shè)計(jì)值比值為1.1~1.58，屈服承載力與最大軸力設(shè)計(jì)值比值為1.35~1.93，按照中震等效彈性進(jìn)行計(jì)算，由于中震下地震作用約為小震的2.8倍，因此本結(jié)構(gòu)中所選用的BRB既能滿足高鋼規(guī)對(duì)BRB在小震不耗能的規(guī)定，同時(shí)也容易達(dá)到在中震作用下屈服耗能的要求。

中震下，選取小震時(shí)程中的三條波（REN（人工波）、Denali，Alaska（天然波）、Chi-Chi，Taiwan-06（天然波））進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析，其中峰值加速度根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3—2010）^[5]進(jìn)行調(diào)幅，調(diào)幅后的峰值加速度為200cm/s²。SAP2000模型中梁端定義彎矩鉸，柱端定義軸力彎矩鉸，普通中心支撐定義基于FEMA356的軸力鉸，見(jiàn)圖4(a)，BRB采用剛性桿賦予其自定義軸力鉸進(jìn)行模擬，自定義軸力鉸見(jiàn)圖4(b)。

5.2 中震動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析

（a）中心支撐軸力鉸

（b）BRB軸力鉸

圖4  軸力鉸

本文以天然波Chi-Chi，Taiwan-06在X向地震作用下的分析結(jié)果說(shuō)明結(jié)構(gòu)構(gòu)件的屈服順序及整體損傷情況，結(jié)構(gòu)塑性鉸分布見(jiàn)圖5。從結(jié)構(gòu)整體塑性鉸的分布情況來(lái)看，由于出鉸的程度均為第一級(jí)別，說(shuō)明結(jié)構(gòu)只是輕微損傷；從構(gòu)件的出鉸順序來(lái)看，分析結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)在4450步最先出現(xiàn)塑性鉸，且出鉸構(gòu)件是BRB，其次普通框架梁，中心支撐以及與BRB相連的梁柱均未屈服，說(shuō)明BRB起到了結(jié)構(gòu)第一道防線的作用。與此同時(shí)，由于BRB在中震作用下便開(kāi)始屈服耗能，致使主體結(jié)構(gòu)吸收的地震能量相應(yīng)減少，結(jié)構(gòu)的抗震安全性得到了提高。

各地震波中震下BRB的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可知，69%的BRB在中震下已屈服耗能，達(dá)到了中震作用下BRB部分屈服的性能目標(biāo)。同時(shí)，通過(guò)計(jì)算BRB極限承載力與軸力包絡(luò)值的比值（均不小于1.5）可以發(fā)現(xiàn)， BRB在滿足極限承載力要求的同時(shí)，其安全性仍有一定的富余。

（a）D軸4450步出鉸 （b）D軸6000步出鉸  （c）6000步結(jié)構(gòu)整體出鉸

圖5  結(jié)構(gòu)塑性鉸分布圖

5.3大震動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析

進(jìn)行大震彈塑性時(shí)程分析時(shí)，在中震的基礎(chǔ)上，將峰值加速度調(diào)整為400cm/s²，結(jié)構(gòu)阻尼比取0.05，結(jié)構(gòu)最終塑性鉸分布見(jiàn)圖6，結(jié)構(gòu)最大層間位移角見(jiàn)表6。從結(jié)構(gòu)整體塑性鉸的分布來(lái)看，塑性鉸主要集中在普通框架梁上，所有框架柱均未出鉸，中心支撐僅個(gè)別樓層出鉸，大部分未出鉸，消能子結(jié)構(gòu)（與BRB相連梁、柱）均未出鉸，BRB在大震作用下全部屈服耗能，結(jié)構(gòu)主體構(gòu)件在BRB屈服后進(jìn)入塑性的程度均滿足“防止倒塌”的要求，結(jié)構(gòu)滿足預(yù)定的抗震性能目標(biāo)。從結(jié)構(gòu)整體變形來(lái)看，三條地震波作用下結(jié)構(gòu)最大層間位移角包絡(luò)值X方向?yàn)?/79，Y方向?yàn)?/75，均小于1/50，滿足規(guī)范的限值。

（a）D軸6000步出鉸 （b）E軸6000步出鉸 （c）6000步結(jié)構(gòu)整體出鉸

圖6  結(jié)構(gòu)塑性鉸分布圖

各地震波大震下BRB的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7。從表7可以發(fā)現(xiàn)，BRB在大震下的最大軸力均小于其極限承載力，說(shuō)明BRB仍處于穩(wěn)定的耗能工作狀態(tài)。從BRB的耗能效果來(lái)看，通過(guò)對(duì)比中震和大震作用下BRB的滯回曲線（圖7）可以發(fā)現(xiàn)，大震作用下BRB的滯回曲線更為飽滿，耗能效果更好。

通過(guò)對(duì)比表5、表7中各類型BRB的軸力包絡(luò)值可知，大震與中震作用下BRB的軸力平均差值為177kN，約占屈服承載力平均值的6.3%，說(shuō)明在大震作用下，盡管地震作用的峰值加速度放大了2倍，但BRB承擔(dān)的軸力卻增長(zhǎng)不大，同時(shí)需要指出的是BRB在大震作用下的耗能效率又有了極大的提高，這說(shuō)明對(duì)于BRB而言，其耗能能力主要由其變形所決定，而B(niǎo)RB的變形大小又與結(jié)構(gòu)主體的變形密切相關(guān)，因此，選擇合理的結(jié)構(gòu)體系并針對(duì)此體系進(jìn)行BRB數(shù)量和參數(shù)的選擇對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能及BRB的耗能效率有決定性作用。

（a）中震作用

（b）大震作用

圖7  BRB11滯回曲線

本工程為高度和高寬比均超限的乙類建筑，針對(duì)工程的建筑特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)采用了鋼框架-中心支撐結(jié)構(gòu)（部分BRB）體系，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行小震的反應(yīng)譜、彈性時(shí)程分析以及中震、大震的彈塑性時(shí)程分析計(jì)算得出，此體系既能滿足建筑的使用功能，同時(shí)也能達(dá)到結(jié)構(gòu)預(yù)設(shè)的抗震性能目標(biāo)。此外，由于BRB的運(yùn)用，結(jié)構(gòu)的整體剛度有所提升，從中震、大震的計(jì)算結(jié)果來(lái)看，BRB均能先于主體結(jié)構(gòu)屈服耗能，且耗能效果明顯，結(jié)構(gòu)的抗震性能得到了提高。最后，對(duì)于高層鋼結(jié)構(gòu)，為保證各樓層地震力能有效通過(guò)樓板傳遞給支撐框架，支撐框架位置處框架梁與樓板連接件也應(yīng)進(jìn)行中震或大震的抗震承載力驗(yàn)算。本工程的設(shè)計(jì)于2016年6月通過(guò)云南省抗震設(shè)防專項(xiàng)審查。