大廈裙樓的抗震性能化設計與研究①

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(中信建筑設計研究總院有限公司,湖北 武漢 430014)

1 工程背景

為了研究抗震性能化設計在實際工程中的應用，以實際工程金銀湖大廈裙樓為例，該項目位于湖北省武漢市東西湖區(qū)金銀湖街，項目由一棟塔樓和一棟6層裙樓組成，裙樓功能由商業(yè)和影院構成，地上6層，地下3層，建筑物總高度31.8m，為A級高度高層建筑，結構形式為框架結構，圖1 為該建筑的結構模型圖，標準層結構平面如圖2所示。

根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》[1]附件1中表2，裙樓存在三項不規(guī)則，分別為扭轉不規(guī)則、凹凸不規(guī)則和樓板不連續(xù)(影院層為兩層通高，開洞面積大于30%)，屬于規(guī)則性超限高層建筑。根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》[2](以下簡稱《抗規(guī)》)3.4節(jié)內(nèi)容，裙樓存在較多樓層扭轉位移比大于1.4，屬于特別不規(guī)則建筑，需要做專門研究。為此需要依據(jù)《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》[3](以下簡稱《高規(guī)》)設定性能目標進行抗震性能化設計，并進行靜力彈塑性分析補充驗算，確定結構是否達到預期的性能目標。

2 結構抗震性能目標

根據(jù)結構超限情況，并考慮造價等因素，裙樓的抗震設防目標定為《高規(guī)》規(guī)定的C 級。根據(jù)《高規(guī)》，表1給出了不同地震水準下的結構構件的性能目標。裙樓存大懸挑梁(懸挑長度超過4m)和大跨預應力梁，對該梁應提高其性能目標，特規(guī)定大震作用下，該梁正截面不屈服，抗剪承載力符合《高規(guī)》式3.11.3-2的要求。

表1 構件抗震性能目標

注：表中式1～式4表示《高規(guī)》公式3.11.3-1～3.11.3-4。

3 結構抗震性能化設計分析

根據(jù)預先設定的結構抗震性能目標，裙樓進行抗震性能化設計，需要分別驗算結構在小震、中震和大震作用下的構件性能狀況是否滿足預定性能要求。

3.1 小震彈性計算分析

根據(jù)抗震性能目標要求，在小震作用下，結構構件均處于彈性，為此采用了兩種有限元計算程序YJK和Midas Building對整體結構進行了線彈性計算。兩種軟件計算指標結果對比見表2，兩種軟件的計算結果基本規(guī)律一致，計算誤差均在3%以內(nèi)，表明該計算結果是正確的。根據(jù)軟件計算配筋結果，結構構件均處于彈性狀態(tài)，可見該裙樓在小震作用下滿足性能目標的要求。

表2 彈性主要計算結果對比

注：表中以YJK計算結果為主，Midas計算結果進行校核。

圖1 裙樓的結構模型圖

圖2 裙樓標準層結構平面布置

3.2 小震彈性時程補充計算分析

裙樓屬于特別不規(guī)則建筑，小震作用下，除了需要進行線彈性計算驗算性能目標要求外，還需要進行彈性時程補充計算。依照《抗規(guī)》要求，選用了五組天然地震動記錄(No1、No2、No3、No4和No5)和兩組人工波(No6和No7)，每條波包含X、Y兩個方向的分量。地震波的頻譜特性、有效峰值和有效持續(xù)時間滿足規(guī)范要求，其頻譜與目標反應譜曲線的比較如圖3所示，在結構主要周期點附近，地震波的反應譜和《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》[4]中的小震反應譜吻合較好。

按照《抗規(guī)》要求，裙樓采用了雙向地震波輸入，其中主次方向地震波強度比按1：0.85輸入，多遇地震峰值加速度取22gal(根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》取值)。地震波有效持續(xù)時間均大于5倍結構基本周期。工程裙房平面不規(guī)則，存在斜交抗側力構件，最大地震力作用方向角度為37.71度，因此工程裙房選取0度(X1方向)、90度(Y1方向)及37.71度(X2方向)、127.71度(Y2方向)兩組共四個方向分別同時輸入主次地震波，每一組地震波交換一次主次方向，7組地震波共計28次雙向輸入計算，取最不利情況的結果進行包絡。小震彈性時程分析基底剪力計算結果見表3～4，由表中計算分析結果可知，彈性時程分析選取的7組地震波符合規(guī)范規(guī)定，從兩組地震波的分析結果對比可以看出，地震波沿X2、Y2方向輸入時，得到的基底剪力普遍大于X1、Y1方向結果。圖4給出了各樓層波平均值曲線，由圖知，樓層反應譜計算的結構層間剪力大于多條時程曲線計算所得結構層間剪力的平均值，小震線彈性計算能包絡住小震彈性時程計算，由此可見小震作用下，結構線彈性計算結果滿足抗震性能目標即可。

圖3 地震波頻譜特征

圖4 樓層剪力曲線

表3 X1、Y1方向彈性時程分析基底剪力計算結果

表4 X2、Y2方向彈性時程分析基底剪力計算結果

3.3 中震等效彈性驗算分析

根據(jù)《高規(guī)》對結構在第3性能水準下的要求，中震作用下，主要驗算內(nèi)容有：結構層間位移角驗算，關鍵構件和普通豎向構件(框架柱)正截面承載力不屈服驗算，關鍵構件(框架柱)受剪承載力彈性驗算，耗能構件(框架梁)受剪截面驗算。層間位移角計算結果見圖5。采用YJK計算軟件進行中震不屈服驗算，根據(jù)計算結果，在設防地震作用下，結構位移角滿足《抗規(guī)》表M.1.1-2性能3的要求；構件驗算結果滿足性能水準3的要求。

3.4 大震等效彈性驗算分析

根據(jù)《高規(guī)》對結構在第4性能水準下的要求，大震作用下，主要驗算內(nèi)容有：結構層間位移角驗算，關鍵構件(框架柱)抗震承載力不屈服驗算，關鍵構件和普通豎向構件(框架柱)受剪截面剪壓比驗算。層間位移角計算結果見圖6。采用YJK計算軟件進行大震不屈服驗算，根據(jù)計算結果，在罕遇地震作用下，結構位移角滿足《抗規(guī)》表M.1.1-2性能3的要求；構件驗算結果滿足性能水準4的要求。

圖5 中震樓層層間位移角和樓層位移曲線

圖6 大震樓層層間位移角和樓層位移曲線

3.5 靜力彈塑性補充計算分析

按照《高規(guī)》要求，大震作用下，除了需對結構進行了等效彈性計算，還需要采用有限元分析軟件對結構進行靜力彈塑性分析補充計算。采用有限元軟件Midas Building進行靜力彈塑性分析計算，框架梁采用FEMA骨架曲線，框架柱采用三折線骨架曲線。因裙樓屬于規(guī)則性超限的高層建筑，且結構平面呈三角形，存在斜交抗側力構件，因此分別沿結構兩組方向(X1+Y1、X2+Y2)進行加載分析?？紤]到結構受力比較復雜，因此分別采取振型、等加速度和層剪力三種加載方式進行正反兩個方向的加載推覆分析。經(jīng)對比計算結果，X2+Y2這組方向在層剪力加載模式下，結構基底剪力和頂點位移均最大，因此只需驗算地震力在X2+Y2該組方向下結構的構件性能水準是否滿足要求。

大震作用下，X2向性能點處結構等效阻尼比約為12.36%，頂點位移為0.142m， 最大層間位移角1/255；Y2向性能點處結構等效阻尼比約為11.33%，頂點位移為0.136m， 最大層間位移角1/238。性能曲線詳圖7所示，最大層間位移角滿足《抗規(guī)》表M.1.1-2性能3的要求。

圖7 大震性能點曲線

3.6 結構構件抗震性能評價

構件的抗震性能評價主要從構件塑性變形與塑性變形限值的比值關系、塑性鉸出現(xiàn)部位、構件損傷程度等方面來評判，以保證結構不因局部構件的破壞而產(chǎn)生嚴重的破壞或倒塌。判定標準主要是依據(jù)ATC-40(1996)和FEMA-273(1997)中提供的能力譜法來評價結構的抗震性能。根據(jù)靜力彈塑性分析計算結果可知，結構整體抗震性能和各類結構構件的抗震性能都滿足預先設定的抗震性能目標。

(1) 框架柱

推覆分析過程中，框架柱塑性鉸首先出現(xiàn)在中下部，隨著時間推移，柱塑性鉸逐漸增多，當推到大震性能點步驟時，框架柱塑性鉸絕大部分都處于B狀態(tài)，框架柱塑性鉸狀態(tài)分布見圖8。

圖8 框架柱塑性鉸狀態(tài)分布圖

圖9 框架梁塑性鉸狀態(tài)分布圖

(2) 框架梁

推覆分析過程中，框架梁塑性鉸首先出現(xiàn)在中下部，隨著時間推移，梁鉸逐漸增多，當推到大震性能點步驟時，約35%左右的框架梁塑性鉸均處于B狀態(tài)，2.6%左右處于IO狀態(tài)，無框架梁塑性鉸達到CP狀態(tài)，預應力大跨梁未出現(xiàn)塑性鉸，框架梁塑性鉸狀態(tài)分布見圖9。

4 結 論

將《高規(guī)》中抗震性能化設計的方法應用于金銀湖大廈裙樓的抗震設計，對結構預先設定性能目標，并對結構整體和結構構件的抗震性能進行了評價，通過結構在小震、中震和大震作用下的計算分析，可知結構整體和各類結構構件的抗震性能均能達到預先設定的抗震性能目標。根據(jù)抗震性能化設計分析結果，可以得到以下幾點結論:

(1)當結構存在多項不規(guī)則，屬于超限工程時，或?qū)儆谔貏e不規(guī)則建筑時，進行抗震設計需要依照《高規(guī)》中性能設計方法進行抗震性能化設計。

(2)進行抗震性能化設計，需要進行小震彈性計算，小震彈性時程補充計算，中震等效彈性計算，大震等效彈性計算，彈塑性分析補充計算等，以驗算是否滿足預定的抗震性能目標。

(3)從小震、中震和大震計算結果分析可知，該裙樓整體結構和結構構件均能滿足抗震性能設計性能目標C對應的性能水準要求。

(4)根據(jù)靜力彈塑性分析計算結果，結構在大震作用下，關鍵構件部分框架柱處于B狀態(tài)(屈服)，耗能構件大部分框架梁處于B狀態(tài)，少量處于IO狀態(tài)，滿足性能水準4的要求。

(5)根據(jù)抗震性能化設計分析結果，大跨懸挑梁和大跨預應力梁在中震和大震作用下均能達到不屈服狀態(tài)，比同條件下其它框架梁的抗震性能好，在地震作用下有很大的安全儲備，可見性能化設計能更直觀的給出個別特殊構件的抗震性能。

綜上所示，針對特別不規(guī)則的結構，無論從整體結構，還是局部個別構件，進行抗震性能化設計是有必要的，它既能反應整體結構在小震、中震和大震作用下的抗震性能，又能對需要加強的個別重要構件的抗震性能進行直觀分析，提高其安全儲備。

參考文獻：

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