某超限高層建筑抗震性能分析

陳 震，胡鋼亮

（1.江漢大學(xué) 機(jī)電與建筑工程學(xué)院，湖北 武漢 430056； 2.武漢建工科研設(shè)計(jì)有限公司，湖北 武漢 430022）

某超限高層建筑抗震性能分析

陳 震1，胡鋼亮2

（1.江漢大學(xué) 機(jī)電與建筑工程學(xué)院，湖北 武漢 430056； 2.武漢建工科研設(shè)計(jì)有限公司，湖北 武漢 430022）

通過(guò)運(yùn)用目前土木工程中流行的軟件PKPM和ETABS，對(duì)一幢超限高層辦公樓進(jìn)行了結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算分析，并進(jìn)行了地震作用下的Pushover分析。結(jié)果表明，用ETABS進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析對(duì)PKPM計(jì)算結(jié)果具有很好的參考價(jià)值。

高層建筑；抗震性能；超限；時(shí)程分析；ETABS；PKPM

1 工程概況

某項(xiàng)目擬建場(chǎng)地位于武漢市中心城區(qū)，主要有住宅及商業(yè)兩大部分。該超限髙層建筑抗震性能分析針對(duì)其中層數(shù)為44層，層高4.3 m，高度192 m，平面尺寸約為47.8 m×47.8 m的商業(yè)辦公樓。

2 工程地質(zhì)條件

擬建場(chǎng)地場(chǎng)區(qū)地貌單元屬長(zhǎng)江Ⅰ級(jí)階地，建筑場(chǎng)地類別為Ⅲ類。場(chǎng)區(qū)內(nèi)覆蓋層為55～65 m的第四系全新統(tǒng)沖洪積地層，具有典型的二元結(jié)構(gòu)，下臥基巖為志留系泥巖地層。地下水類型主要為填土層中的上層滯水和砂層中的孔隙承壓水兩種類型?！稁r土工程勘察報(bào)告》中提供土層等效剪切波速約為170～188 m/s，覆蓋層厚度60 m。本場(chǎng)地20 m深度范圍內(nèi)存在輕微液化及砂土互層。

3 基本設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)相應(yīng)規(guī)范確定結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的安全等級(jí)為二級(jí)；地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)，建筑樁基安全等級(jí)為二級(jí)，該項(xiàng)目辦公樓為丙類建筑，該區(qū)抗震設(shè)防烈度為6度。

其地震影響系數(shù)曲線與武漢市抗震辦公室關(guān)于《武漢市主城規(guī)劃區(qū)地震動(dòng)參數(shù)小區(qū)劃分圖》所提供的地震影響系數(shù)曲線及該項(xiàng)目的場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告（以下簡(jiǎn)稱“安評(píng)報(bào)告”）所提供的地震影響系數(shù)曲線相比較，選取較為不利之地震影響系數(shù)曲線，即該項(xiàng)目安評(píng)報(bào)告所提供的地震影響系數(shù)曲線，如圖1所示。

圖1 地震影響曲線

該項(xiàng)目的安評(píng)報(bào)告所提供的工程場(chǎng)地地表水平向設(shè)計(jì)地震峰值加速度及反應(yīng)譜（5%阻尼比）參數(shù)值如表1所示。

表1 抗震設(shè)計(jì)參數(shù)值

該工程商業(yè)辦公樓樓高192 m，采用型鋼混凝土框架核心筒結(jié)構(gòu)體系，根據(jù)JGJ3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，超出A級(jí)高度150 m的限值，但未超B級(jí)高度的高層建筑，其核心筒結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)為二級(jí)，框架結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)也為二級(jí)。基本風(fēng)壓取為0.4 kN/m2，地面粗糙度定為B類，風(fēng)載體型系數(shù)取1.4?；狙喝?.50 kN/m2，活荷載取3.5 kN/m2。設(shè)備荷載按實(shí)際重量考慮。

4 結(jié)構(gòu)布置與選型

該工程商業(yè)辦公樓結(jié)構(gòu)主要為框架核心筒結(jié)構(gòu)體系，剪力墻布置成筒體，圍成的豎向箱形截面的薄壁筒和密柱框架集成的豎向箱形截面。由于層髙的限制，加大框架柱與核心筒連接的框架梁的寬度，并將周邊梁高加寬，以滿足結(jié)構(gòu)抗扭剛度。

其平面形狀規(guī)則，豎向結(jié)構(gòu)布置規(guī)則、均勻，墻厚由上而下續(xù)漸加厚，柱截面尺寸由上而下續(xù)漸加大，混凝土強(qiáng)度等級(jí)也由上而下續(xù)漸加大，使其剛度沿樓高均勻變化。

5 計(jì)算方法及手段

該工程屬超A級(jí)高度但未超B級(jí)的框架核心筒及規(guī)則性超限結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)分析方面，主要采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院開發(fā)的PKPM軟件中的SATWE程序進(jìn)行整體內(nèi)力及位移計(jì)算，并綜合各種荷載工況作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)依據(jù)；同時(shí)采用全球公認(rèn)的高層結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件ETABS進(jìn)行地震作用下結(jié)構(gòu)特性的計(jì)算，其中水平位移、自振基本周期及基底剪力等各項(xiàng)主要有關(guān)抗震設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)，均與 SATWE程序結(jié)果作比較，驗(yàn)證SATWE模型及其結(jié)果的可靠性。

式中，W為雨水設(shè)計(jì)徑流總量，m3；Ψc為雨水徑流系數(shù)；hy為年降雨量，mm；F為匯水面積，hm2。長(zhǎng)春市年平均降雨量為570mm，可回收的雨水再利用可達(dá)每年約1000m3。

采用時(shí)程分析法進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算，本次計(jì)算利用SATWE中的程序進(jìn)行結(jié)構(gòu)彈性動(dòng)力時(shí)程分析，選用兩條符合Ⅲ類場(chǎng)地的實(shí)際波及一條人工波進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算。

6 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析結(jié)果

該工程結(jié)構(gòu)三維空間分析采用高層結(jié)構(gòu)空間有限元分析與設(shè)計(jì)程序SATWE和軟件ETABS，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體內(nèi)力位移計(jì)算，并采用彈性動(dòng)力時(shí)程分析法進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算，對(duì)比振型分解反應(yīng)譜（CQC）計(jì)算方法的結(jié)果，找出薄弱層，從而針對(duì)性地采取加強(qiáng)措施[1-2］。

6.1 ETABS與SATWE的各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果比較

對(duì)塔樓分別采用ETABS軟件與SATWE程序計(jì)算，結(jié)果見表2[3］。

從表2中可以看出兩種程序計(jì)算得出的結(jié)果基本一致，說(shuō)明兩種程序的結(jié)果都是可信的。

表2 塔樓的ETABS與SATWE計(jì)算結(jié)果比較

6.2 時(shí)程分析結(jié)果

該工程時(shí)程分析采用3組實(shí)際強(qiáng)震記錄的加速度時(shí)程曲線，各條波的波形特征，主要結(jié)果見表3。

1）樓層剪力、層間位移平均值等除頂部少數(shù)層外都少于振型分解反應(yīng)譜（CQC）的值，所以采用CQC的計(jì)算方法應(yīng)該可以滿足設(shè)計(jì)要求，時(shí)程分析中所選取的波均符合Ⅲ類場(chǎng)地的條件，亦滿足每條波計(jì)算所得底部剪力不小于CQC法的65%，平均值不小于80%的要求，因此所選的波均具有合理性[4］。

表3 各地震波形參數(shù)及計(jì)算結(jié)果

2）時(shí)程分析所得振型曲線變化規(guī)律與靜力分析結(jié)構(gòu)基本一致，且基本均在反應(yīng)譜法（CQC）的包絡(luò)線內(nèi)。

3）在時(shí)程分析中顯示個(gè)別地震波的地震效應(yīng)于頂部1/3的位置比CQC計(jì)算結(jié)果稍大，鑒于此種情況，在施工圖制作階段把35層至頂層的豎向構(gòu)件配筋率適當(dāng)提高。

6.3 靜力彈塑性分析結(jié)果

采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院編制的EPDA& PUSH分析軟件進(jìn)行中、大震作用下的結(jié)構(gòu)靜力彈塑性分析 （Pushover分析）。在該工程的Pushover分析中，選擇兩種水平側(cè)向荷載加載方式[5］，即：彈性CQC地震力、倒三角。每種加載方式分別按X、Y兩個(gè)正、負(fù)方向加載，共有8種荷載工況，分別對(duì)每種荷載工況進(jìn)行Pushover分析，得到各工況的加速度需求譜曲線—加速度能力譜曲線，兩曲線的交點(diǎn)即為性能點(diǎn)，性能點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位移角曲線坐標(biāo)即為最大層間位移角。在彈性CQC地震力荷載作用下進(jìn)行Pushover分析，得到的各塔樓的能力譜—需求譜曲線、性能點(diǎn)及最大層間位移。見圖2～圖5。

可以看出，各工況下的能力譜—需求譜曲線有以下特點(diǎn)：

1）能力譜曲線較為平滑，在設(shè)定目標(biāo)范圍內(nèi)，各荷載下得到的能力曲線均平滑上升，未出現(xiàn)陡降段或突變段，各能力譜在中震、大震作用下均與需求譜有交點(diǎn)。

圖2 彈性CQC地震力下X正方向能力譜-需求譜曲線

圖3 彈性CQC地震力下X負(fù)方向能力譜-需求譜曲線

圖4 彈性CQC地震力下Y正方向能力譜-需求譜曲線

2）從不同方向進(jìn)行加載得到的能力譜曲線反映了結(jié)構(gòu)在不同方向上的抗推覆能力，在推覆過(guò)程中，同一荷載模式下X方向能力譜與Y方向能力譜曲線變化非常相似，曲線基本相同，說(shuō)明兩個(gè)方向的抗推覆能力也非常相近；同一荷載模式下同一坐標(biāo)軸方向的正、負(fù)兩個(gè)方向能力譜曲線也基本相同，說(shuō)明結(jié)構(gòu)沿正、負(fù)兩個(gè)方向的抗覆能力也基本相同。

圖5 彈性CQC地震力下Y負(fù)方向能力譜-需求譜曲線

6.4 抗震性能設(shè)計(jì)判別

該工程辦公樓為抗震6度、高度超出150 m但未超出210 m的框架核心筒及規(guī)則性超限結(jié)構(gòu)。對(duì)該工程住宅塔樓進(jìn)行EPDA的彈塑性分析，并以此作為對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性判別的手段。按建筑功能及業(yè)主意見要求結(jié)構(gòu)達(dá)到抗震性能目標(biāo)D級(jí)?？拐鹦阅苣繕?biāo)D要求：小震滿足性能水平1a的要求，中震滿足性能水平3的要求，大震下滿足性能水平4的要求，其高度可超過(guò)JGJ3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》B級(jí)的規(guī)定，某些不規(guī)則性限制可有所放寬。

通過(guò)EPDA對(duì)本工程進(jìn)行彈塑性靜力分析（Pushover），確定與3個(gè)地震水平（小震、中震、大震）對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)3個(gè)變形階段，基底剪力及結(jié)構(gòu)變形情況見表4[6-7］。

可見，各種地震作用下，位移角均滿足規(guī)范限值1/100的要求[8-9］。

7 結(jié)論

該工程商業(yè)辦公樓為抗震6度超150 m的框架核心筒結(jié)構(gòu)，屬B級(jí)高度高層建筑且規(guī)則性超限。在多遇地震作用下，該工程結(jié)構(gòu)在側(cè)向剛度規(guī)則性、樓層抗剪承載力規(guī)則性、平面剛度規(guī)則性等方面滿足現(xiàn)行規(guī)范的相關(guān)要求，針對(duì)具體超限情況，采用有效、可信的分析手段，并采取一系列加強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗震性能的措施。在滿足建筑功能的前提下，使該工程的結(jié)構(gòu)體系達(dá)到“小震不壞，中震可修，大震不倒”的要求，并能達(dá)到抗震性能設(shè)計(jì)的預(yù)定性能目標(biāo)D級(jí)的要求。從PKPM和ETABS兩種軟件的計(jì)算結(jié)果看：結(jié)構(gòu)總體計(jì)算信息中的主要結(jié)果基本能吻合。

表4 不同地震作用下結(jié)構(gòu)受力及變形

[1］ 李星榮，王柱宏.PKPM結(jié)構(gòu)系列軟件應(yīng)用與設(shè)計(jì)實(shí)例[M］.4版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

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（責(zé)任編輯：陳 曠）

TU352

：A

：1673-0143（2012）03-0073-04

2012-03-01

陳 震 （1975—），男，講師，博士，研究方向：土木工程數(shù)值計(jì)算。