某超高層結(jié)構(gòu)抗震性能分析

馮平

摘要：超高層公寓，結(jié)構(gòu)體系為框支-剪力墻結(jié)構(gòu)體系。根據(jù)結(jié)構(gòu)的超限情況確定結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)，并進(jìn)行了多遇地震下彈性分析和罕遇地震結(jié)構(gòu)靜力彈塑性分析。

關(guān)鍵詞：超限高層；框支-剪力墻；抗震性能目標(biāo)；靜力推覆

一、工程概況

廣東省深圳市后海中心區(qū)西南角，后海大道東側(cè)，由獨(dú)棟高層公寓和商業(yè)裙樓組成，公寓49層，高149.50米，商業(yè)裙樓4層，地下室共4層，總建筑面積為37228.79㎡。本工程±000為絕對(duì)標(biāo)高5.050m，基坑開挖深度約16.5m。

本工程結(jié)構(gòu)為框支-剪力墻結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換層位于6層樓面，商業(yè)裙樓部分4層，裙房屋面高度18.50米為框架結(jié)構(gòu)。裙房部分層高為4.5～5m，公寓部分層高為2.85m?？偲矫鎴D及建筑效果圖詳見圖1、圖2。

本工程建筑物的設(shè)計(jì)使用年限為50年，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.0。工程場地的抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組。場地土類別為中軟土，建筑場地類別為II類，場區(qū)地面脈動(dòng)卓越周期為0.39s。根據(jù)不工程建筑特點(diǎn)，建筑抗震設(shè)防類別為丙類。

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009-2001，深圳地區(qū)50年一遇基本風(fēng)壓值W0=0.75kN/m2，承載力設(shè)計(jì)時(shí)取基本風(fēng)壓的1.1倍。地面粗糙度為C類，風(fēng)載體型系數(shù)取1.4，風(fēng)壓高度變化系數(shù)按國家規(guī)范取值。

上部典型結(jié)構(gòu)平面

二、結(jié)構(gòu)主要設(shè)計(jì)參數(shù)及抗震等級(jí)

1.主要設(shè)計(jì)參數(shù)

2.抗震等級(jí)

根據(jù)建筑物的情況及設(shè)防烈度本工程各部位等級(jí)如下：

注：與塔樓相鄰兩跨范圍地下室部分抗震等級(jí)同塔樓對(duì)應(yīng)樓層。

三、結(jié)構(gòu)抗震超限類型判斷

根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》的通知（建質(zhì)[2010]109號(hào)）文件的要求，對(duì)本工程結(jié)構(gòu)不規(guī)則性的進(jìn)行逐項(xiàng)檢查，本工程存在以下超限情況：

1.本工程為框支剪力墻結(jié)構(gòu)，149.50m>100m，為超B級(jí)高度。

2.考慮偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比最大為1.37>1.2，為扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。

3.平面凹凸尺寸大于相應(yīng)邊長的30%，本項(xiàng)目l/Bmax=0.68，凹凸不規(guī)則。

4.復(fù)式上層有效寬度小于50%，開洞面積大于30%，樓板不連續(xù)。

5.第五層為轉(zhuǎn)換層，豎向構(gòu)件間斷。

根據(jù)上述超限類型逐條檢查，本工程存在高度超限和多條一般規(guī)則性超限，包括扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、凹凸不規(guī)則、樓板不連續(xù)、構(gòu)件間斷，不存在特別不規(guī)則超限的情況，綜合而言本工程屬超限高層建筑。

四、抗震性能目標(biāo)的選定及不同抗震性能水準(zhǔn)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)

1.抗震性能目標(biāo)

根據(jù)本工程的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和超限情況，選定本工程的抗震性能目標(biāo)為《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2010中的C級(jí)目標(biāo)，即：多遇地震下滿足性能水準(zhǔn)1要求；設(shè)防烈度地震下滿足性能水準(zhǔn)3要求；預(yù)估的罕遇地震下滿足性能水準(zhǔn)4要求。各性能水準(zhǔn)結(jié)構(gòu)預(yù)期的震后性能狀況可參見文獻(xiàn)1。

2.構(gòu)件性能目標(biāo)

根據(jù)結(jié)構(gòu)整體抗震性能目標(biāo)的情況，對(duì)整體結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵構(gòu)件、耗能構(gòu)件和普通豎向構(gòu)件的性能目標(biāo)進(jìn)行細(xì)分，以便在后續(xù)的計(jì)算分析和設(shè)計(jì)中有由更為具體的指導(dǎo)。

五、多遇地震及風(fēng)荷載作用下彈性靜力分析結(jié)果

1.主要計(jì)算結(jié)果對(duì)比

對(duì)整體結(jié)構(gòu)，采用中國建筑科學(xué)研究院PKPM CAD工程部編制的《高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析與設(shè)計(jì)軟件》SATWE（新規(guī)范2010年9月份版）進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)采用韓國MIDAS GEN 7.8版軟件進(jìn)一步分析計(jì)算作為參考對(duì)照。主要計(jì)算結(jié)果見下表：

從上述對(duì)比看出兩個(gè)軟件計(jì)算結(jié)果較為接近，結(jié)構(gòu)模型計(jì)算記過較為可信。

2.層間位移角曲線比較

結(jié)果表明SATWE與Midas Gen計(jì)算結(jié)果整體趨勢一致。

4.主要計(jì)算結(jié)果總結(jié)

彈性靜力對(duì)比分析結(jié)果來看，SATWE及Midas Gen兩種軟件分析的各項(xiàng)指標(biāo)和變化規(guī)律基本一致，表明結(jié)構(gòu)模型真實(shí)，可靠；計(jì)算結(jié)果較為合理，滿足規(guī)范要求。從線彈性分析結(jié)果來看，塔樓具有合適的剛度，滿足各種工況下的計(jì)算要求。軟件分析的各項(xiàng)指標(biāo)表明塔樓受力及變形均無明顯突變。兩種計(jì)算軟件分析結(jié)果符合工程經(jīng)驗(yàn)及力學(xué)概念所作的判斷。結(jié)構(gòu)方案是合理且滿足規(guī)范要求的。

六.罕遇地震作用靜力及動(dòng)力彈塑性分析

1 罕遇地震分析目的及設(shè)防目標(biāo)

根據(jù)文獻(xiàn)2的有關(guān)要求：當(dāng)建筑物遭受高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的預(yù)估的罕遇地震影響時(shí)，不致倒塌或發(fā)生危及生命的嚴(yán)重破壞。結(jié)構(gòu)在較大的地震作用下某些部位要發(fā)生屈服甚至破壞退出工作，從而結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)會(huì)從彈性過渡到彈塑性，隨著塑性的發(fā)生和發(fā)展，結(jié)構(gòu)的反應(yīng)性能會(huì)發(fā)生改變，因此需要考慮結(jié)構(gòu)進(jìn)入非線性狀態(tài)的地震反應(yīng)分析。

該性能水準(zhǔn)要求結(jié)構(gòu)在罕遇地震下宏觀損壞程度為中度損壞，耗能構(gòu)件可發(fā)生中度損壞，部分比較嚴(yán)重?fù)p壞，關(guān)鍵構(gòu)件輕度損壞，普通豎向構(gòu)件部分中度損壞，地震后結(jié)構(gòu)需經(jīng)過修復(fù)或加固后才可繼續(xù)使用。計(jì)算主要采用Midas Gen。

2.靜力彈塑性分析

本工程靜力彈塑性分析采用通用有限元軟件MIDAS/Gen進(jìn)行，推覆荷載分別按X向和Y向的第一模態(tài)形式和CQC計(jì)算所得樓層剪力分布加載，初始荷載為1.0恒載+0.5活載。并按照ATC—40所建議的方法對(duì)各階段結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)；

各階段性能點(diǎn)對(duì)應(yīng)的含義：

A點(diǎn)：未加載狀態(tài)。

B點(diǎn)：出現(xiàn)塑性鉸。

IO = 直接居住極限狀態(tài)（Immediate Occupancy）

LS = 安全極限狀態(tài)（Life Safety）

CP = 坍塌防止極限狀態(tài)（Collapse Prevention）

C點(diǎn)：開始倒塌點(diǎn)。

不同性能水準(zhǔn)下的塑性鉸位移限值

E點(diǎn)：最大變形能力位置。

3.靜力彈塑性分析結(jié)果

推覆分析得到的結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的性能點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)的層間位移角和基底剪力如下：

從以上推覆結(jié)果可以看出，模態(tài)加載形式對(duì)應(yīng)的層間位移角較大，CQC樓層剪力分布加載形式基底剪力較大。加載方向正負(fù)結(jié)果基本一致，結(jié)果均滿足相關(guān)規(guī)范要求。

X向性能點(diǎn)層間位移角 Y向性能點(diǎn)層間位移角

從以上輸出結(jié)果可以看出，7度大震作用結(jié)構(gòu)達(dá)到性能點(diǎn)時(shí)最大層間彈塑性位移角（X向1/226.40、Y向1/240.62）滿足規(guī)范要求，小于1/120；在到達(dá)性能點(diǎn)以后推覆曲線仍處于較為明顯的上升段，說明結(jié)構(gòu)整體承載能力有一定富余，結(jié)構(gòu)整體有較好的延性。

4.靜力推覆性能點(diǎn)鉸狀態(tài)分析

通過對(duì)結(jié)構(gòu)不同部位推覆性能點(diǎn)的出鉸狀態(tài)的細(xì)致分析，判斷結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位和薄弱部位是否滿足預(yù)定的性能目標(biāo)和是否“強(qiáng)剪弱彎”等延性破壞的要求。并根據(jù)分析結(jié)構(gòu)調(diào)整靜力線彈性設(shè)計(jì)結(jié)果，為施工圖設(shè)計(jì)提出指導(dǎo)性意見。

下面主要以模態(tài)推覆出鉸情況展開分析：

從上圖可以看出，結(jié)構(gòu)整體出鉸情況較淺，絕大部分鉸分布在轉(zhuǎn)換層以上部位，B狀態(tài)較較多，個(gè)別部位出現(xiàn)超過CP狀態(tài)鉸。出鉸程度較深的部位主要集中在轉(zhuǎn)換層上部6～12層的范圍。

5.靜力推覆分析總結(jié)和結(jié)論

X和Y方向Pushover能力譜曲線在性能點(diǎn)之后仍均存在上升段，對(duì)應(yīng)性能點(diǎn)時(shí)樓層最大位移角（第一模態(tài)推覆）分別為1/226.40（X）和1/240.62（Y）；通過對(duì)豎向構(gòu)件、轉(zhuǎn)換構(gòu)件和關(guān)鍵部位出鉸狀態(tài)分析可以看出，整個(gè)過程在部分樓層彎曲鉸有較充分發(fā)展，剪切鉸發(fā)展較少，剪切鉸發(fā)展程度較淺基本處于B～I(xiàn)O（直接居住）階段。彎曲鉸發(fā)展也呈現(xiàn)墻肢局部薄弱部位和整體結(jié)構(gòu)四周發(fā)展較多，程度較深，墻肢整體仍處于較淺的發(fā)展階段。整個(gè)推覆過程表現(xiàn)出較為合理的屈服發(fā)展變化，“強(qiáng)剪弱彎”，延性較好，在大震作用下結(jié)構(gòu)整體的性能有較好的保障。針對(duì)推覆過程中塑性鉸發(fā)展較多的墻肢端，底部加強(qiáng)區(qū)、轉(zhuǎn)換梁、框支柱、支撐及結(jié)構(gòu)四角墻肢在施工設(shè)計(jì)過程中應(yīng)考慮中震大震的性能表現(xiàn)，設(shè)計(jì)過程中考慮適當(dāng)提高其縱筋和箍筋的配筋率或按其不利情況進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)，以提高其在大震作用下的延性。

X向性能點(diǎn)出鉸情況 Y向性能點(diǎn)出鉸情況

七、結(jié)束語

本工程為屬特別不規(guī)則的超限高層結(jié)構(gòu)，采用PKPM、MIDAS兩種軟件彈性對(duì)比進(jìn)行分析，并采用Midas Gen進(jìn)行靜力和動(dòng)力彈塑性分析。結(jié)果表明，各項(xiàng)控制指標(biāo)符合規(guī)范要求，經(jīng)采取對(duì)重要構(gòu)件和關(guān)鍵性構(gòu)件作適當(dāng)加強(qiáng)，能保證結(jié)構(gòu)滿足各階段預(yù)先設(shè)定的性能目標(biāo)。

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[3]艾奕康建筑設(shè)計(jì)（深圳）有限公司 后海公館超限高層建筑工程抗震設(shè)防可行性論證報(bào)告.2011.11