抗震性能設(shè)計(jì)方法在某超限高層中的應(yīng)用實(shí)例

耿建華

(嘉博(福建)聯(lián)合設(shè)計(jì)有限公司 福建福州 350001)

隨著社會(huì)生產(chǎn)力和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以及人類活動(dòng)的需要而發(fā)展起來的高層建筑，已經(jīng)成為一個(gè)城市乃至國(guó)家經(jīng)濟(jì)繁榮和社會(huì)進(jìn)步的重要標(biāo)志。隨著我國(guó)發(fā)達(dá)程度不斷提高，大城市人口日漸密集，高層建筑結(jié)構(gòu)不僅能夠節(jié)約土地資源，還同時(shí)發(fā)揮著美化城市空間環(huán)境的作用，越來越多的大中城市對(duì)高層及超高層建筑有了更迫切的需求。新世紀(jì)以來，各種異形建筑，復(fù)雜結(jié)構(gòu)的不斷增多，使人們對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性提出了更高要求。

基于性能的抗震設(shè)計(jì)引起了國(guó)際地震工程領(lǐng)域的廣泛重視，在一段時(shí)間內(nèi)，引領(lǐng)著結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的發(fā)展潮流[1]。超限高層抗震設(shè)計(jì)的宏觀定性已經(jīng)很明確，但實(shí)際的工程應(yīng)用中需要可操作性強(qiáng)、設(shè)計(jì)目標(biāo)明確的設(shè)計(jì)方法，該方法很好的實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)，使設(shè)計(jì)工作具有了更明確的目的、更強(qiáng)的可操作性和更高的可靠性[2]－[4]。

本文通過一個(gè)具體工程實(shí)例的設(shè)計(jì)，介紹了抗震性能化設(shè)計(jì)的步驟和方法。根據(jù)工程特點(diǎn)，確定了設(shè)計(jì)的性能目標(biāo)和性能水準(zhǔn)，闡述了各個(gè)目標(biāo)在小震、中震以及大震下如何具體實(shí)現(xiàn)等內(nèi)容，總結(jié)出建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性能化設(shè)計(jì)的基本流程，希望能給類似項(xiàng)目的設(shè)計(jì)提供幫助。

1 工程概況

本工程位于莆田市仙游縣，其中超限高層2#樓為集商業(yè)與辦公一體化的綜合商業(yè)體，地上建筑面積約49500m2，主體高度 149.900m，考慮室內(nèi)外高低差 100mm，結(jié)構(gòu)總高度150.00m，結(jié)構(gòu)高寬比4.09。一至五層為商鋪，六層及以上為酒店式公寓和辦公，避難層設(shè)在十二層和二十三層，頂部構(gòu)架平均高度7.4m，設(shè)有直升機(jī)停機(jī)坪。兩層地下室建筑面積約65000m2，負(fù)一層為商鋪，負(fù)二層為地下車庫(kù)和部分設(shè)備用房。

本工程地處莆田市仙游縣，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]查得:抗震設(shè)防烈度為6度;設(shè)計(jì)地震分組:第三組。根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告，場(chǎng)地類別:Ⅱ類，屬對(duì)建筑抗震不利地段。據(jù)安評(píng)報(bào)告提供:抗震設(shè)防烈度為7度;設(shè)計(jì)地震分組:第三組;水平地震影響系數(shù)最大值:0.079;場(chǎng)地類別:Ⅱ類;特征周期:0.45s。

本工程設(shè)計(jì)取值為:抗震設(shè)防烈度為7度;設(shè)計(jì)地震分組:第三組;水平地震影響系數(shù)最大值:0.08;場(chǎng)地類別:Ⅱ類;特征周期:0.45s。

2 結(jié)構(gòu)體系

結(jié)構(gòu)主體采用框架－核心筒結(jié)構(gòu)體系，樓蓋為普通鋼筋混凝土梁、板結(jié)構(gòu)。取基礎(chǔ)承臺(tái)面為主體嵌固部位。一至四層附帶一跨商業(yè)裙房，五層及以上為結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層，標(biāo)準(zhǔn)層層高4.75m，避難層位于十二層和二十三層，層高3.65m。標(biāo)準(zhǔn)層梁、墻柱布置如(圖1)所示。

框架柱截面由底層至頂層逐漸縮小;核心筒外圈鋼筋混凝土剪力墻厚度由首層到頂層從700mm～300mm逐漸變化，內(nèi)部剪力墻主要承受豎向荷載，按軸壓比控制。豎向構(gòu)件混凝土強(qiáng)度等級(jí)自下而上采用C60～C30(地下二層～6層采用C60混凝土，7～12層采用C55混凝土，13～17層C50混凝土，18～23層C45混凝土，24～26層C40混凝土，27～29層C35混凝土，30及其以上均為C30混凝土)?；炷恋燃?jí)變化與墻柱截面變化上下錯(cuò)開一層以上，避免結(jié)構(gòu)豎向剛度發(fā)生突變。

3 結(jié)構(gòu)超限及采取的措施

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]和《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》[6](建質(zhì)[2010]109號(hào))判定:本工程高度超限情況為超A級(jí)不超B級(jí);建筑結(jié)構(gòu)一般規(guī)則性超限檢查，存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則;無特別不規(guī)則項(xiàng)目。

依照《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[7]JGJ 3－2010，綜合考慮本工程的結(jié)構(gòu)體系和超限情況，按《規(guī)程》中的B級(jí)高度建筑的相關(guān)條文進(jìn)行設(shè)計(jì)，采取的相應(yīng)措施如下:

(1)多程序計(jì)算分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，即分別采用SATWE和PMSAP程序?qū)φw結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并比較其內(nèi)力與位移。

(2)多遇地震情況下，采用彈性時(shí)程分析方法補(bǔ)充計(jì)算。時(shí)程分析天然波的選取除應(yīng)滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011－2010)第5.1.2款第3條外，還應(yīng)考慮以下4個(gè)要素。

1)特征周期和場(chǎng)地的特征周期比較接近。

2)最大峰值符合規(guī)范要求。

3)時(shí)間間距可取0.01s或0.02s，持續(xù)時(shí)間不小于結(jié)構(gòu)基本自振周期的5倍和15s。

4)在結(jié)構(gòu)各周期點(diǎn)上，天然波對(duì)應(yīng)的加速度反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜相差不超過20%。

根據(jù)上述原則，從場(chǎng)地安評(píng)報(bào)告提供的波中選用1條場(chǎng)地人工波和2條天然波，對(duì)本工程進(jìn)行時(shí)程計(jì)算分析。

(3)底部加強(qiáng)區(qū)的框架柱及剪力墻，在中震計(jì)算時(shí)滿足抗彎不屈服、抗剪彈性。

(4)為控制彈塑性層間位移角限值，滿足大震不倒的要求，在罕遇地震作用下對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行Pushover靜力彈塑性分析;對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行大震不屈服計(jì)算，保證底部加強(qiáng)區(qū)的豎向構(gòu)件滿足強(qiáng)剪弱彎的要求。

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能目標(biāo)和性能水準(zhǔn)進(jìn)行了明確的分級(jí)。根據(jù)本工程的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)考慮采用此基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法，確定本工程的整體結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)為D級(jí)，中震設(shè)計(jì)時(shí)，部分構(gòu)件采用C級(jí)性能目標(biāo)。具體主要構(gòu)件目標(biāo)分級(jí)見(表1)。

表1 結(jié)構(gòu)各主要構(gòu)件在不同抗震水準(zhǔn)下的性能目標(biāo)

4.1 多遇地震作用整體計(jì)算分析

同時(shí)考慮偶然偏心和雙向地震的不利影響采用振型分解反應(yīng)譜法，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇地震作用下的整體分析。取15個(gè)振型，周期折減系數(shù)為0.85。(表2)為SATWE和PMSAP計(jì)算結(jié)果的分析對(duì)比。

表2 SATWE和PMSAP結(jié)果對(duì)比(多遇地震作用)

通過結(jié)果對(duì)比，在多遇水平地震作用下，SATWE和PMSAP兩種程序所得剛度、結(jié)構(gòu)位移等指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。結(jié)構(gòu)剛重比位于1.4到2.7之間，在水平力作用下需考慮P－△效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)位移和內(nèi)力的不利影響，結(jié)構(gòu)滿足整體穩(wěn)定的要求。

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011－2010)、《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ3－2010)采用時(shí)程分析法進(jìn)行多遇地震作用下的補(bǔ)充計(jì)算，地面運(yùn)動(dòng)最大加速度取35cm/s2，根據(jù)場(chǎng)地類別和特征周期，取場(chǎng)地安評(píng)報(bào)告所提供的1條人工波和2條場(chǎng)地天然波，可得(圖2)所示的地震波平均地震影響系數(shù)曲線。從圖中可看出兩條曲線在統(tǒng)計(jì)意義上相吻合。

結(jié)構(gòu)彈性時(shí)程分析結(jié)果見(圖3)。

圖2 地震波反應(yīng)譜與規(guī)范譜對(duì)比圖

從(圖3)所示的結(jié)構(gòu)彈性時(shí)程分析結(jié)果來看，X、Y向各三條波中每一條波作用下的基底剪力都大于反應(yīng)譜法基底剪力的65%，且平均基底剪力大于反應(yīng)譜法基底剪力的80%，滿足規(guī)范對(duì)時(shí)程分析地震波選取的要求。

4.2 中震作用整體計(jì)算分析

中震作用下結(jié)構(gòu)整體計(jì)算時(shí)，最大地震影響系數(shù)α按安評(píng)報(bào)告取0.23，同時(shí)不小于規(guī)范值。底部加強(qiáng)區(qū)的豎向構(gòu)件按需滿足抗剪彈性的要求。設(shè)計(jì)時(shí)承載力調(diào)整不考慮抗震等級(jí)，不計(jì)算風(fēng)荷載，材料強(qiáng)度采用設(shè)計(jì)值;實(shí)際計(jì)算在SATWE程序中采用地震影響系數(shù)直接放大，墻、柱抗震等級(jí)均調(diào)整為四級(jí)。底部加強(qiáng)區(qū)的豎向構(gòu)件抗彎不屈服計(jì)算時(shí)，不考慮地震組合內(nèi)力調(diào)整系數(shù)，荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.0，材料強(qiáng)度取標(biāo)準(zhǔn)值，抗震承載力系數(shù)γRE取1.0，實(shí)際計(jì)算在SATWE程序中采用地震影響系數(shù)直接放大，中震或大震設(shè)計(jì)選擇“不屈服”。計(jì)算結(jié)構(gòu)表明，在中震作用下，底部剪力墻出現(xiàn)微小拉應(yīng)力，考慮鋼筋抗拉可滿足要求;整體分析剪力墻承載力滿足中震不屈服要求;局部連梁出現(xiàn)剪壓屈服，局部框架梁出現(xiàn)抗彎屈服。底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻斜截面可滿足彈性承載力要求。

4.3 罕遇地震作用整體計(jì)算分析

在罕遇地震作用下，部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件會(huì)發(fā)生屈服甚至破壞而退出工作，結(jié)構(gòu)整體工作狀態(tài)由彈性階段進(jìn)入彈塑性狀態(tài)。隨著塑性的不斷發(fā)展，結(jié)構(gòu)的剛度逐漸減小，阻尼逐步加大。PKPM的pushover模塊能夠模擬和分析這一過程，同時(shí)能夠大致確定結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的破壞過程，找到薄弱部位。設(shè)計(jì)者能夠根據(jù)分析結(jié)果對(duì)薄弱部位進(jìn)行針對(duì)性的加強(qiáng)，從而確保結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下滿足性能設(shè)計(jì)的要求。

圖3 彈性時(shí)程分析部分結(jié)果

計(jì)算結(jié)果表明:結(jié)構(gòu)的能力譜曲線與罕遇地震的需求譜曲線在X、Y方向上均能發(fā)生交叉，X、Y方向的性能點(diǎn)對(duì)應(yīng)的最大層間位移角分別為1/156(X向)和1/128(Y向)，滿足規(guī)范規(guī)定的限值要求和性能目標(biāo)要求。X向最大層間位移角1/156發(fā)生在10層，Y向最大層間位移角1/128發(fā)生在20層。具體計(jì)算結(jié)果詳見(圖4)。

結(jié)構(gòu)塑性鉸分布見(圖5)，可以看出塑性鉸主要集中于連梁、框架等耗能構(gòu)件，底部樓層剪力墻出現(xiàn)剪切裂縫，其余樓層剪力墻輕度損傷，結(jié)構(gòu)整體的豎向構(gòu)件均有不同程度的損傷，墻體之間的連梁起到了延性耗能的作用。全樓豎向剛度分布較為均勻，沿結(jié)構(gòu)高度方向，樓層位移和層間位移角分布變化較為均勻，結(jié)構(gòu)不存在薄弱層，整體結(jié)構(gòu)的承載力并沒有明顯的降低。

圖5 塑性鉸計(jì)算結(jié)果

罕遇地震作用下，底部加強(qiáng)區(qū)豎向構(gòu)件需滿足受剪截面的限制條件。為避免剪切脆性破壞，要求豎向構(gòu)件斜截面極限承載能力的安全度高于其正截面偏心受壓極限承載能力的安全度。剪力墻剪壓比查SATWE結(jié)果，按《高規(guī)》公式(3.11.3－4)列表計(jì)算，不滿足要求時(shí)墻體邊緣構(gòu)件內(nèi)加設(shè)型鋼，按《高規(guī)》公式(3.11.3－5)復(fù)核。

從上述計(jì)算結(jié)果可以看出，無論在小震、中震還是大震作用下，結(jié)構(gòu)整體及構(gòu)件均能滿足(表1)相應(yīng)性能目標(biāo)的要求。

5 結(jié)論

本工程為高度150m的框架－核心筒結(jié)構(gòu)，超出A級(jí)高度建筑最大適用高度，在設(shè)計(jì)中采取了基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法。根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)在不同地震水準(zhǔn)作用下所要求達(dá)到的性能，確定其抗震性能目標(biāo)及性能水準(zhǔn);針對(duì)不同位置結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重要程度提出了不同的控制目標(biāo)。經(jīng)以上結(jié)構(gòu)彈性和彈塑性分析，在多遇地震作用下，結(jié)構(gòu)整體變形滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)構(gòu)件處于彈性狀態(tài);在設(shè)防烈度地震荷載作用下結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，結(jié)構(gòu)底部豎向構(gòu)件滿足抗剪彈性，抗彎不屈服設(shè)計(jì)要求;在罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)彈塑性位移滿足規(guī)范要求，關(guān)鍵豎向構(gòu)件未出現(xiàn)屈服，本工程結(jié)構(gòu)整體性能滿足設(shè)計(jì)的性能能目標(biāo)和規(guī)范要求。

[1]閆懷青.基于性能的抗震設(shè)計(jì)[J].中小企業(yè)管理與科技，2013.

[2]洪哲.基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法在某超限酒店工程中的應(yīng)用[J].福建建筑，2014.

[3]王東波，劉滿紅.結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計(jì)分析討論[J].山西建筑，2012.

[4]某超高層框架—核心筒混合結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)介紹[J].廣東土木與建筑，2012.

[5]GB50011－2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[6]《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》(建質(zhì)[2010]109號(hào))[S].

[7]JGJ3－2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].