超限高層抗震性能設(shè)計(jì)方法總結(jié)

張達(dá)明，杜嘉斌（廣州市住宅建筑設(shè)計(jì)院有限公司，廣東　廣州　510623）

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超限高層抗震性能設(shè)計(jì)方法總結(jié)

張達(dá)明，杜嘉斌（廣州市住宅建筑設(shè)計(jì)院有限公司，廣東廣州510623）

超限高層抗震性能設(shè)計(jì)的一般過程如下：①設(shè)置合適的性能目標(biāo)；②小震常規(guī)設(shè)計(jì)；③小震彈性時(shí)程分析；④中、大震等效彈性分析；⑤中、大震彈塑性靜力推覆分析；⑥大震彈塑性時(shí)程分析；⑦根據(jù)分析結(jié)果設(shè)置抗震加強(qiáng)措施。本文以廣州獵德天盈廣場(chǎng)C1棟辦公樓為例，詳細(xì)介紹了上述各個(gè)過程和方法，供設(shè)計(jì)人員參考。

超限高層；抗震；性能設(shè)計(jì)；抗震加強(qiáng)措施

引言

超高層建筑的抗震性能設(shè)計(jì)方法有一定的規(guī)律和章法可循。本文以廣州獵德天盈廣場(chǎng)C1棟辦公樓（總高175m，鋼管混凝土柱框架-筒體結(jié)構(gòu)，平面如圖1所示）為例，詳細(xì)闡述超限高層抗震性能設(shè)計(jì)全過程。

圖1　結(jié)構(gòu)平面圖

1　設(shè)置合適的性能目標(biāo)

高規(guī)［1］中指出，在選用性能目標(biāo)時(shí)，需考慮各種因素。筆者認(rèn)為，設(shè)計(jì)人員除滿足規(guī)范的基本要求外，應(yīng)在不增加或者少增加造價(jià)的情況下盡可能的挖掘結(jié)構(gòu)本身的能力，這樣才到達(dá)到安全性與經(jīng)濟(jì)性的平衡。

以C1棟辦公樓為例，總高175m，采用鋼管混凝土柱框架-筒體結(jié)構(gòu)體系，超限情況為：超A級(jí)高度 （未超B級(jí)高度）；在6層有3根柱轉(zhuǎn)換，

屬于一類豎向構(gòu)件不連續(xù)；由于設(shè)置轉(zhuǎn)換梁，造成6層剛度突變。按照規(guī)范，選取性能目標(biāo)C或者D為宜。在綜合考慮多項(xiàng)因素后，將結(jié)構(gòu)的性能目標(biāo)設(shè)為D，但考慮到總高度接近B級(jí)高度，托柱轉(zhuǎn)換梁跨度較大（轉(zhuǎn)換柱距16m），故本工程特別要求轉(zhuǎn)換構(gòu)件在設(shè)防地震下承載力仍能滿足彈性設(shè)計(jì)要求（無損壞）。綜上，結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的性能目標(biāo)如表1所示。

2　小震常規(guī)分析（譜分析）

設(shè)置了合適的性能目標(biāo)后，可按規(guī)范進(jìn)行小震的常規(guī)設(shè)計(jì)，保證結(jié)構(gòu)的周期比、扭轉(zhuǎn)位移比、位移角、剪重比、側(cè)向剛度比、層間受剪承載力之比、剛重比、框架承擔(dān)傾覆力矩的比值等相關(guān)指標(biāo)均滿足規(guī)范的要求；并使各構(gòu)件的截面取值合理，滿足抗震延性的要求。此階段地震作用采取的是譜分析方法，這里需特別注意的是，應(yīng)對(duì)比結(jié)構(gòu)在規(guī)范譜與安評(píng)譜下，其基底剪力、傾覆彎矩、頂點(diǎn)位移、層間位移角等指標(biāo)的大小，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)取兩者計(jì)算的包絡(luò)值。由于規(guī)范對(duì)該部分的說明較為詳細(xì)，此處不贅述。C1辦公樓的小震分析結(jié)果詳文獻(xiàn)［2］。

表1　

3　小震彈性時(shí)程分析

由于小震譜分析的方法為近似算法，為進(jìn)一步了解結(jié)構(gòu)體在小震作用下的實(shí)際響應(yīng)，需對(duì)結(jié)構(gòu)體進(jìn)行小震彈性時(shí)程分析。

C1辦公樓的小震彈性分析的結(jié)果如下：①所選的各條時(shí)程波以及計(jì)算所得的基底剪力滿足規(guī)范要求 （每條波基底剪力不小于譜分析的65%）；②彈性時(shí)程分析的樓層內(nèi)力平均值均小于安評(píng)反應(yīng)譜結(jié)果（但不小于譜分析80%），安評(píng)反應(yīng)譜分析結(jié)果在彈性階段對(duì)結(jié)構(gòu)起控制作用；③彈性時(shí)程分析的位移角曲線，地震波0度時(shí)在6層處有明顯突變，反映X向在6層（轉(zhuǎn)換層）結(jié)構(gòu)剛度有突變；地震波0度和90度時(shí)在10、24層處有輕微突變；反映X、Y向在10、24層（加強(qiáng)層）結(jié)構(gòu)剛度有輕微突變。須按規(guī)范要求采取針對(duì)性的加強(qiáng)措施。

4　中、大震等效彈性分析

完成了小震彈性計(jì)算后，需要對(duì)結(jié)構(gòu)中各個(gè)構(gòu)件在中、大震下的性能水準(zhǔn)做相應(yīng)驗(yàn)算。此時(shí)采用等效彈性計(jì)算法是最快速最便捷的。等效彈性法是實(shí)質(zhì)也是彈性計(jì)算法，只是通過調(diào)整各種參數(shù)，用以模擬進(jìn)入彈塑性后結(jié)構(gòu)剛度的變化。

C1辦公樓按照表2的參數(shù)設(shè)置進(jìn)行計(jì)算后，計(jì)算結(jié)果表2。

5　中、大震彈塑性靜力推覆分（PUSHOVER）

若結(jié)構(gòu)體進(jìn)入明顯進(jìn)入塑性時(shí)，等效彈性分析結(jié)果與實(shí)際情況有一定偏差。這時(shí)應(yīng)采用彈塑性計(jì)算分析，一般分為靜力和動(dòng)力兩種，高規(guī)［1］規(guī)定，高度不超過 150m以及高度在150～200m之間，自振周期小于4s的高層建筑可采用靜力彈塑性分析（PUSHOVER）法。并可采用規(guī)定水平力的分布形式以適當(dāng)考慮高振型的影響。

表2　等效彈性計(jì)算參數(shù)設(shè)置

表3　轉(zhuǎn)換構(gòu)件中震彈性驗(yàn)算結(jié)果

C1辦公樓靜力推覆的結(jié)果如下。從整體結(jié)果上看：①在大震性能點(diǎn)時(shí)，X、Y向最大層間位移角分別為1/269、1/147，小于規(guī)范最大值1/100；最大的頂點(diǎn)位移分別為530.8mm、862.4mm，結(jié)構(gòu)可以做到大震不倒。②對(duì)比小、中、大震對(duì)應(yīng)性能點(diǎn)的基底剪力，中震性能點(diǎn)對(duì)應(yīng)的X、Y向基底剪力分別為小震性能點(diǎn)的2.71、2.25倍，大震性能點(diǎn)對(duì)應(yīng)的X、Y向基底剪力分別為小震性能點(diǎn)的5.4、4.5倍，說明在推覆過程中，X向結(jié)構(gòu)整體剛度退化不明顯，特別在中震下幾乎沒有剛度損失，而Y向整體剛度在推覆退化明顯。

從局部構(gòu)件上看（如圖2所示），大震下，關(guān)鍵構(gòu)件中底部加強(qiáng)部位剪力墻出現(xiàn)輕度損壞（參照FEMA［3］標(biāo)準(zhǔn)中的LS點(diǎn)），轉(zhuǎn)換構(gòu)件均未出現(xiàn)塑性鉸，由于轉(zhuǎn)換框架均為于X向，這可能也是X向整體剛度退化不明顯的原因之一。普通豎向構(gòu)件中外框鋼管混凝土柱未出現(xiàn)塑性鉸，非底部加強(qiáng)部位的剪力墻在底部加強(qiáng)部位以上約4～5層范圍內(nèi)，以及頂部1～2層范圍內(nèi)也出現(xiàn)不同程度損壞?？蚣芰汉瓦B梁部分出現(xiàn)塑性鉸，起到了很好的耗能作用。

綜上，根據(jù)靜力推覆的結(jié)果，整體結(jié)構(gòu)可以達(dá)到高規(guī)中第5甚至第4性能水準(zhǔn)的要求。

6　大震彈塑性時(shí)程分析

圖2　大震性能點(diǎn)處剪力墻破壞示意圖

動(dòng)力彈塑性分析是最接近實(shí)際情況的彈塑性分析法。高規(guī)明確規(guī)定：高度超過200m，以及高度界于150～200m，但自振周期大于4s的建筑應(yīng)采用彈塑性時(shí)程分析法。

C1辦公樓雖然總高度未超過200m，但其周期大于4s，可采用動(dòng)力彈塑性法進(jìn)行補(bǔ)充分析。選取多條波計(jì)算最響應(yīng)結(jié)果如下。從整體結(jié)果上看：①X、Y向最大層間位移角分別為1/170、1/110，小于規(guī)范最大值1/100；最大的頂點(diǎn)位移分別為543.1mm、1175mm，結(jié)構(gòu)可以做到大震不倒。②大震彈塑性時(shí)程分析X、Y向基底剪力分別為小震譜分析的3.69、4.6倍。說明在彈塑性時(shí)程分析下X向結(jié)構(gòu)整體剛度退化明顯，這與靜力推覆的結(jié)果差異較大，而Y向整體剛度退化情況與靜力推覆分析結(jié)果較為吻合。說明靜力推覆分析法在分析高層建筑的地震彈塑性上還是存在一定的不足。

從局部構(gòu)件上看，核心筒墻體均未出現(xiàn)明顯損傷，但X向墻肢由于開洞原因形成的連梁上出現(xiàn)較多受壓損傷，并且分布于轉(zhuǎn)換層以上約2/3樓層高度范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)換層由于層高較高所形成的跨高比較小連梁也出現(xiàn)較多受壓損傷，起到了很好的耗能作用；而Y向墻體較為完整，墻體也沒有出現(xiàn)明顯受壓損傷。這與整體指標(biāo)中X向的剛度退化明顯而Y向的剛度退化不明顯是非常吻合的。而關(guān)鍵構(gòu)件中轉(zhuǎn)換構(gòu)件均未出現(xiàn)明顯的受壓損傷，鋼筋和鋼管的塑性應(yīng)變也小于0.006［3］?？蚣芰撼植苛憾顺霈F(xiàn)塑性鉸外也未出現(xiàn)明顯損傷。

綜合分析，結(jié)構(gòu)在大震下的性能應(yīng)該界于規(guī)范規(guī)定的C 和D之間。

圖3　筒體墻體的損傷情況

7　根據(jù)分析結(jié)果設(shè)置抗震加強(qiáng)措施

在完成上述的各項(xiàng)分析后，可以有針對(duì)性的對(duì)結(jié)構(gòu)采取相應(yīng)的抗震加強(qiáng)措施。

以該項(xiàng)目為例，其加強(qiáng)措施如下：①轉(zhuǎn)換構(gòu)件采用型鋼混凝土構(gòu)件，柱型鋼含鋼率6%，梁型鋼含鋼率4%，并將其抗震等級(jí)定為特一級(jí)。②圓鋼管混凝土柱，控制一級(jí)部位套箍指標(biāo)θ≥1.0，保證其進(jìn)入屈服階段的延性。③轉(zhuǎn)換層及其以下落地剪力墻約束邊緣構(gòu)件設(shè)置芯柱（1%配筋率）。④底部加強(qiáng)部位剪力墻抗震等級(jí)定為特一級(jí)，其豎向分布筋的配筋率提高至1%，水平鋼筋構(gòu)造配筋率提高為0.6%；底部加強(qiáng)部位以上設(shè)置三層過渡層，其豎向分布筋的配筋率提高至0.6%，水平鋼筋構(gòu)造配筋率提高為0.4%。⑤轉(zhuǎn)換層樓板厚度為200mm，雙層雙向拉通配筋，配筋率0.25%。

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

［2］張達(dá)明，林敏波，等.獵德西區(qū)綜合發(fā)展項(xiàng)目C區(qū)地塊C1辦公樓建筑結(jié)構(gòu)超限設(shè)計(jì)可行性報(bào)告，2012，12，20.

［3］Federal Emergency Management Agency.美國(guó)聯(lián)邦緊急事務(wù)管理署標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)構(gòu)件的損傷與其塑性應(yīng)變的關(guān)系有量化指標(biāo).

所獲榮譽(yù)及獎(jiǎng)勵(lì)：

2014年度廣州市優(yōu)秀工程勘察設(shè)計(jì)二等獎(jiǎng)、三等獎(jiǎng)；2015年度廣東省優(yōu)秀工程勘察設(shè)計(jì)“建筑結(jié)構(gòu)專項(xiàng)”三等獎(jiǎng)。

張達(dá)明（1983-），男，建筑結(jié)構(gòu)師，國(guó)家一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工師，碩士研究生，主要從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)工作。

TU973+.31

A

2095-2066（2016）14-0131-03

2016-5-1