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摘要：本文结合工程实例，从概念设计入手，在抗震设计中，采用多种程序对结构进行了弹性、弹塑性计算分析，对关键和重要构件作了适当加强，以保证结构具有充足的抗震能力。
关键词：框筒复杂结构弹性分析弹塑性分析抗震
中图分类号：TU318文献标识码： A 文章编号：
1 工程概况和结构体系
南方科技大学和深圳大学新校区拆迁安置工程商住综合区项目，位于南山区塘朗社区，留仙大道以北，学苑大道以南，塘朗村东侧。本工程为商住综合区三期工程福光大厦3号楼，主要功能包括：办公室、商业及停车场等。本工程为钢筋混凝土框架核心筒结构。主体结构地上35层，总高度148.250m，地下二层，地下室埋深（至底板底面）9.55m。本项目结构设计使用年限为50年，建筑结构安全等级为二级; 抗震设防烈度为7 度、Ⅱ类场地，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度值为0．10g，特征周期0．35s，抗震设防分类为丙类。50年重现期风荷载基本风压值W0=0.75KN/m2，用于变形验算；基本风压值的1.1倍，即W0=0.825KN/m2，用于强度验算。地面粗糙度为C类，风载体形系数取µS=1.4，风载风振系数和风压高度变化系数按《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）要求取值。
3D图
2 结构布置、材料强度
2.1 结构布置
标准层结构布置图
2.2 结构主要构件尺寸
2.4 地基基础类型
本工程地基基础设计等级为 甲级。工程塔楼部分采用人工挖孔灌注桩基础，桩端持力层为微风化岩。裙楼部分采用柱下独立基础，基础持力层为全风化粗粒花岗岩。
3 抗震设计
3.1 构件的抗震等级
本工程的抗震等级采用如下：
3.2 超限情况
根据建质[2010]109号文《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》，对本工程的结构超限类型进行逐条检查，本工程存在：超A级高度、扭转位移比为1.39超1.2两种情况。
3.3结构关键抗侧力构件抗震性能目标
本工程为超限高层建筑，采用基于性能目标的抗震设计方法，以提高抗震设计的可靠性。按照《高层建筑混凝结构技术规程》JGJ3-2010，其性能目标可定位C级，即小震（多遇地震）下满足抗震性能水准1的要求，中震（设防烈度地震）下满足抗震性能水准3的要求，大震（罕遇地震）下满足抗震性能水准4的要求。结构体系中各部分的抗震性能目标见下表1。
表1
4 结构小震及风荷载作用下的结构性能分析
4.1计算程序及总体计算指标分析比较如下表
注明：1.表中所列楼层对应为建筑楼层层号。
4.2弹性时程补充分析
根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）5.1.13条规定，本工程需要进行弹性动力时程分析。采用中国建筑科学研究院编制的结构分析程序SATWE进行计算，建立分层模型，将各楼层的质量集中于楼层处，形成弹性多质点体系，然后输入地震波（数字化地震地面运动加速度）进行时程动力分析，可得结构各点的位移、速度和加速度反应，由位移反应计算结构内力。输入3条地震波，1条为场地安评报告提供地场地人工波USER1，另2条为SATWE程序提供的天然波TH1TG045和 TH3TG045，按7度Ⅱ类场地多遇地震进行弹性动力分析。时程分析结果见下图。
5 中震作用下的结构性能分析
5.1 中震主要计算参数取值
采用中国建筑科学研究院编制的结构分析程序SATWE进行计算：
（1）荷载分项系数在中震不屈服时取为1.0，在中震弹性时按规范取用；
（2）以中震弹性性能目标设计的构件，抗震承载力调整系数按规范规定采用；以中震不屈服性能目标设计的构件，抗震承载力调整系数取为1.0；
（3）以中震弹性和中震不屈服性能目标设计时与构件抗震等级相关的增大系数取1；
（4）以中震弹性性能目标设计的构件，混凝土强度、钢筋及钢材的强度均取设计值；以中震不屈服性能目标设计的构件，混凝土强度、钢筋及钢材的强度均取标准值；
（5）风荷载不参与计算；
（6）中震作用采用考虑构件刚度折减的振型分解反应谱方法；
（7）连梁刚度折减系数取0.6。
（8）地震影响系数0.23.
5.2中震分析小结
（1）中震作用下，剪力墙各截面满足限定条件且不超筋，处于剪切弹性和弯曲不屈服状态，满足抗震性能目标。
（2）框架柱弯曲不屈服，剪切弹性.
（3）少量连梁出现弯曲屈服，框架梁少量弯曲屈服。
（4）穿层柱满足稳定性要求。
综上，本结构在中震作用下满足抗震性能目标。
6 罕遇地震作用下弹塑性动力时程分析及其结构性能分析
本工程罕遇地震作用下弹塑性时程分析软件采用大型有限元ABAQUS 6.10，选取地震波采用了安评提供的人工波及天然波TH1TG045（D1）及TH3TG045（D2），选取的天然波与小震计算时选取的天然波保持一致
6.1结构总体抗震性能评价及分析
6.1.1X向地震作用结构总体抗震性能评价及分析
1）X向人工波地震作用
表 6.1.1.1 X向人工波地震作用
2）X向天然波D1地震作用
表 6.1.1.2 X向天然波D1地震作用
3）X向天然波D2地震作用
表 6.1.1.3 X向天然波D2地震作用
从此分析报告结果可知，结构最大层间变形满足高规（JGJ3-2010）对弹塑性位移角限值1/100的限制要求。大震与小震剪力比均在4～6的范围内，符合抗震概念设计，并间接验证弹塑性分析结果的有效性。
地震作用过程中，结构首先在框架梁上出现了塑性损伤，随着地震作用持续损伤逐渐扩展，是大震作用过程中的主要耗能构件；框架柱基本未出现受压损伤，地震作用后框架柱可承受竖向荷载；内筒裙房顶附近的剪力墙先出现受压损伤，之后结构中上部剪力墙也出现受压损伤，虽然整体墙肢大部分处于完好状态，且结构仍有较大的抗震能力，但由于X方向未开洞，缺少起耗能作用的连梁构件，导致剪力墙局部损伤破坏较大；楼板整体损伤以受拉损伤为主，且主要发生在局部连接部位，整体上保持完好或轻微损伤；
从此分析报告结果可以认为，结构最大层间变形满足规范限值，在地震作用后，结构整体可承受竖向荷载，该结构能够做到“大震不倒”的抗震设防目标。
建议：由于X方向内筒外侧剪力墙未开洞，缺少起耗能作用的连梁构件，造成墙肢局部受压损伤破坏较大。施工图阶段将X方向剪力墙优化，可考虑适当开洞，设置连梁。
6.1.2Y向地震作用结构总体抗震性能评价及分析
1）Y向人工波地震作用
表 6.1.2.1 Y向人工波地震作用
2）Y向天然波D1地震作用
表 6.1.2.2 Y向天然波D1地震作用
3）Y向天然波D2地震作用
表 6.1.2.3 Y向天然波D2地震作用
从此分析报告结果可知，结构最大层间变形满足高规（JGJ3-2010）对弹塑性位移角限值1/100的限制要求。大震与小震剪力比均在4～6的范围内，符合抗震概念设计，并间接验证弹塑性分析结果的有效性
地震作用过程中，结构首先在内筒连梁上出现了塑性损伤，随后框架梁出现损伤，随着地震作用持续损伤逐渐扩展，框架梁是大震作用过程中的主要耗能构件；框架柱基本未出现受压损伤，地震作用后框架柱可承受竖向荷载；内筒连梁出现一定程度的受压损伤，墙肢未出现明显损伤。墙肢处于完好状态，结构仍有较大的抗震能力；楼板整体损伤以受拉损伤为主，且主要发生在局部连接部位，整体上保持完好或轻微损伤；
根据以上的分析，参照《高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2010）》的3.11节中对各性能水准结构预期的震后性能狀况的描述，本结构在X向罕遇地震作用下的抗震性能水准为4，在Y向罕遇地震作用下的抗震性能水准为3。满足结构抗震性能目标C的要求。
7超限的主要抗震措施
(1).本工程为超限高层建筑，采用基于性能目标的抗震设计方法，以提高抗震设计的可靠性。计算结果表明，各构件均可满足设定的抗震性能目标。
(2).根据高规要求，采用SATWE、MIDAS和ABAQUS三个不同力学模型的三维空间分析软件进行整体内力和位移分析，采用弹性时程分析法进行了补充计算，并且进行了弹塑性时程分析，取得了十分有价值的计算成果，对于充分了解本结构在各种工作条件下的工作特性起到了关键作用。结构设计时，各构件根据抗震性能化目标，采用小震和中震作用下的内力包络值，为施工图阶段合理设计本结构奠定了良好的基础。
(3).结合风荷载下强度需要，对部分连梁加强构造，配置对角斜向钢筋或交叉暗撑保证连梁的抗剪承载能力 。
(4).对混凝土剪力墙，按照规范规定应设置边缘约束构件和构造边缘构件。
(5).严格控制框架柱和底部加强区核心筒墙体的轴压比。
采用主要规范：
混凝土结构设计规范 (GB 50010-2010)
建筑抗震设计规范(GB 50011-2010)
建筑工程抗震设防分类标准( GB 50223-2008)
高层建筑混凝土结构技术规程 (JGJ3-2010)
关键词：框筒复杂结构弹性分析弹塑性分析抗震
中图分类号：TU318文献标识码： A 文章编号：
1 工程概况和结构体系
南方科技大学和深圳大学新校区拆迁安置工程商住综合区项目，位于南山区塘朗社区，留仙大道以北，学苑大道以南，塘朗村东侧。本工程为商住综合区三期工程福光大厦3号楼，主要功能包括：办公室、商业及停车场等。本工程为钢筋混凝土框架核心筒结构。主体结构地上35层，总高度148.250m，地下二层，地下室埋深（至底板底面）9.55m。本项目结构设计使用年限为50年，建筑结构安全等级为二级; 抗震设防烈度为7 度、Ⅱ类场地，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度值为0．10g，特征周期0．35s，抗震设防分类为丙类。50年重现期风荷载基本风压值W0=0.75KN/m2，用于变形验算；基本风压值的1.1倍，即W0=0.825KN/m2，用于强度验算。地面粗糙度为C类，风载体形系数取µS=1.4，风载风振系数和风压高度变化系数按《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）要求取值。
3D图
2 结构布置、材料强度
2.1 结构布置
标准层结构布置图
2.2 结构主要构件尺寸
2.4 地基基础类型
本工程地基基础设计等级为 甲级。工程塔楼部分采用人工挖孔灌注桩基础，桩端持力层为微风化岩。裙楼部分采用柱下独立基础，基础持力层为全风化粗粒花岗岩。
3 抗震设计
3.1 构件的抗震等级
本工程的抗震等级采用如下：
3.2 超限情况
根据建质[2010]109号文《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》，对本工程的结构超限类型进行逐条检查，本工程存在：超A级高度、扭转位移比为1.39超1.2两种情况。
3.3结构关键抗侧力构件抗震性能目标
本工程为超限高层建筑，采用基于性能目标的抗震设计方法，以提高抗震设计的可靠性。按照《高层建筑混凝结构技术规程》JGJ3-2010，其性能目标可定位C级，即小震（多遇地震）下满足抗震性能水准1的要求，中震（设防烈度地震）下满足抗震性能水准3的要求，大震（罕遇地震）下满足抗震性能水准4的要求。结构体系中各部分的抗震性能目标见下表1。
表1
4 结构小震及风荷载作用下的结构性能分析
4.1计算程序及总体计算指标分析比较如下表
注明：1.表中所列楼层对应为建筑楼层层号。
4.2弹性时程补充分析
根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）5.1.13条规定，本工程需要进行弹性动力时程分析。采用中国建筑科学研究院编制的结构分析程序SATWE进行计算，建立分层模型，将各楼层的质量集中于楼层处，形成弹性多质点体系，然后输入地震波（数字化地震地面运动加速度）进行时程动力分析，可得结构各点的位移、速度和加速度反应，由位移反应计算结构内力。输入3条地震波，1条为场地安评报告提供地场地人工波USER1，另2条为SATWE程序提供的天然波TH1TG045和 TH3TG045，按7度Ⅱ类场地多遇地震进行弹性动力分析。时程分析结果见下图。
5 中震作用下的结构性能分析
5.1 中震主要计算参数取值
采用中国建筑科学研究院编制的结构分析程序SATWE进行计算：
（1）荷载分项系数在中震不屈服时取为1.0，在中震弹性时按规范取用；
（2）以中震弹性性能目标设计的构件，抗震承载力调整系数按规范规定采用；以中震不屈服性能目标设计的构件，抗震承载力调整系数取为1.0；
（3）以中震弹性和中震不屈服性能目标设计时与构件抗震等级相关的增大系数取1；
（4）以中震弹性性能目标设计的构件，混凝土强度、钢筋及钢材的强度均取设计值；以中震不屈服性能目标设计的构件，混凝土强度、钢筋及钢材的强度均取标准值；
（5）风荷载不参与计算；
（6）中震作用采用考虑构件刚度折减的振型分解反应谱方法；
（7）连梁刚度折减系数取0.6。
（8）地震影响系数0.23.
5.2中震分析小结
（1）中震作用下，剪力墙各截面满足限定条件且不超筋，处于剪切弹性和弯曲不屈服状态，满足抗震性能目标。
（2）框架柱弯曲不屈服，剪切弹性.
（3）少量连梁出现弯曲屈服，框架梁少量弯曲屈服。
（4）穿层柱满足稳定性要求。
综上，本结构在中震作用下满足抗震性能目标。
6 罕遇地震作用下弹塑性动力时程分析及其结构性能分析
本工程罕遇地震作用下弹塑性时程分析软件采用大型有限元ABAQUS 6.10，选取地震波采用了安评提供的人工波及天然波TH1TG045（D1）及TH3TG045（D2），选取的天然波与小震计算时选取的天然波保持一致
6.1结构总体抗震性能评价及分析
6.1.1X向地震作用结构总体抗震性能评价及分析
1）X向人工波地震作用
表 6.1.1.1 X向人工波地震作用
2）X向天然波D1地震作用
表 6.1.1.2 X向天然波D1地震作用
3）X向天然波D2地震作用
表 6.1.1.3 X向天然波D2地震作用
从此分析报告结果可知，结构最大层间变形满足高规（JGJ3-2010）对弹塑性位移角限值1/100的限制要求。大震与小震剪力比均在4～6的范围内，符合抗震概念设计，并间接验证弹塑性分析结果的有效性。
地震作用过程中，结构首先在框架梁上出现了塑性损伤，随着地震作用持续损伤逐渐扩展，是大震作用过程中的主要耗能构件；框架柱基本未出现受压损伤，地震作用后框架柱可承受竖向荷载；内筒裙房顶附近的剪力墙先出现受压损伤，之后结构中上部剪力墙也出现受压损伤，虽然整体墙肢大部分处于完好状态，且结构仍有较大的抗震能力，但由于X方向未开洞，缺少起耗能作用的连梁构件，导致剪力墙局部损伤破坏较大；楼板整体损伤以受拉损伤为主，且主要发生在局部连接部位，整体上保持完好或轻微损伤；
从此分析报告结果可以认为，结构最大层间变形满足规范限值，在地震作用后，结构整体可承受竖向荷载，该结构能够做到“大震不倒”的抗震设防目标。
建议：由于X方向内筒外侧剪力墙未开洞，缺少起耗能作用的连梁构件，造成墙肢局部受压损伤破坏较大。施工图阶段将X方向剪力墙优化，可考虑适当开洞，设置连梁。
6.1.2Y向地震作用结构总体抗震性能评价及分析
1）Y向人工波地震作用
表 6.1.2.1 Y向人工波地震作用
2）Y向天然波D1地震作用
表 6.1.2.2 Y向天然波D1地震作用
3）Y向天然波D2地震作用
表 6.1.2.3 Y向天然波D2地震作用
从此分析报告结果可知，结构最大层间变形满足高规（JGJ3-2010）对弹塑性位移角限值1/100的限制要求。大震与小震剪力比均在4～6的范围内，符合抗震概念设计，并间接验证弹塑性分析结果的有效性
地震作用过程中，结构首先在内筒连梁上出现了塑性损伤，随后框架梁出现损伤，随着地震作用持续损伤逐渐扩展，框架梁是大震作用过程中的主要耗能构件；框架柱基本未出现受压损伤，地震作用后框架柱可承受竖向荷载；内筒连梁出现一定程度的受压损伤，墙肢未出现明显损伤。墙肢处于完好状态，结构仍有较大的抗震能力；楼板整体损伤以受拉损伤为主，且主要发生在局部连接部位，整体上保持完好或轻微损伤；
根据以上的分析，参照《高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2010）》的3.11节中对各性能水准结构预期的震后性能狀况的描述，本结构在X向罕遇地震作用下的抗震性能水准为4，在Y向罕遇地震作用下的抗震性能水准为3。满足结构抗震性能目标C的要求。
7超限的主要抗震措施
(1).本工程为超限高层建筑，采用基于性能目标的抗震设计方法，以提高抗震设计的可靠性。计算结果表明，各构件均可满足设定的抗震性能目标。
(2).根据高规要求，采用SATWE、MIDAS和ABAQUS三个不同力学模型的三维空间分析软件进行整体内力和位移分析，采用弹性时程分析法进行了补充计算，并且进行了弹塑性时程分析，取得了十分有价值的计算成果，对于充分了解本结构在各种工作条件下的工作特性起到了关键作用。结构设计时，各构件根据抗震性能化目标，采用小震和中震作用下的内力包络值，为施工图阶段合理设计本结构奠定了良好的基础。
(3).结合风荷载下强度需要，对部分连梁加强构造，配置对角斜向钢筋或交叉暗撑保证连梁的抗剪承载能力 。
(4).对混凝土剪力墙，按照规范规定应设置边缘约束构件和构造边缘构件。
(5).严格控制框架柱和底部加强区核心筒墙体的轴压比。
采用主要规范：
混凝土结构设计规范 (GB 50010-2010)
建筑抗震设计规范(GB 50011-2010)
建筑工程抗震设防分类标准( GB 50223-2008)
高层建筑混凝土结构技术规程 (JGJ3-2010)