中震作用下超限高層結(jié)構(gòu)抗震性能分析
——對長沙福晟金融中心的專例評價(jià)

李 峻

(福建六建集團(tuán)有限公司 福建福州 350014)

0 引言

近年來，隨著施工技術(shù)的發(fā)展和建筑結(jié)構(gòu)體系的完善，高層甚至超高層建筑的設(shè)計(jì)、施工不再受到限制，超高層建筑也不斷涌現(xiàn)。而我國許多區(qū)域處于地震多發(fā)地帶，抗震防災(zāi)成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要組成部分。超高層建筑由于體型復(fù)雜，高度較高，在地震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)也不同于普通建筑[1]。因此，通過對超高層建筑進(jìn)行抗震性能分析來優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，對提高建筑抗震等級和降低地震災(zāi)害具有較大工程應(yīng)用價(jià)值。

我國能在復(fù)雜超高層建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域取得高速發(fā)展離不開科研工作者的研究成果。呂西林，等[2-3]采用Perform 3D建立某高層結(jié)構(gòu)數(shù)值模型，通過彈性分析其抗震性能，與規(guī)范對比分析，結(jié)果表明該建筑在罕遇地震作用下依然滿足性能要求。郝嶸，等[4]利用SATWE對某超限高層框剪結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，通過調(diào)整剪重比等參數(shù)來優(yōu)化設(shè)計(jì)，對優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行罕遇地震作用下的彈塑性分析，結(jié)果表明優(yōu)化后結(jié)構(gòu)能滿足“大震不倒”的設(shè)計(jì)要求。陳濤，等[5]對兩類剪力墻進(jìn)行建模分析，通過對比分析延性性能，為超限高層剪力墻的設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。張崢，等[6]則從概念設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)和超限分析等方面對連體結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震分析，為工程應(yīng)用提供改進(jìn)措施。生永栓，等[7]通過對某超限高層分析表明，要滿足規(guī)范中提出的“三水準(zhǔn)”抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)，在實(shí)際工程建設(shè)時(shí)需要提高抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和加強(qiáng)構(gòu)造措施要求。蘭和義，等[8]利用ETABS及SATWE建立長沙福晟金融中心的有限元模型，通過“中震不屈服”分析，對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行性能評價(jià)，給出相關(guān)建議措施。

綜上所述，由于超高限建筑結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在不同抗震設(shè)防水準(zhǔn)下，其地震響應(yīng)規(guī)律不明確，因此有必要對超高層建筑設(shè)計(jì)方案進(jìn)行抗震專項(xiàng)分析，以此提高結(jié)構(gòu)抗震性能。本文以長沙福晟金融中心超高限建筑為研究背景，對其框架柱、連梁、剪力墻等進(jìn)行中震彈性分析或不屈服分析，評價(jià)結(jié)構(gòu)抗震性能。

1 工程概況

長沙福晟金融中心是超高層商務(wù)辦公大廈，地下3層，地上46層，結(jié)構(gòu)總高度約204m，1F～5F為商業(yè)裙樓，層高均為5.4m，6F以上為商務(wù)寫字樓，層高均為4.3m。整棟大樓設(shè)置了3個(gè)避難層，分別設(shè)置于16F、29F和42F，建筑周邊設(shè)置了高度為26m的裙房，裙房共5層，層高與塔樓一致。同時(shí)，樓底設(shè)置了3層地下停車庫?？紤]結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防要求，在塔樓與裙房之間設(shè)置了防震縫，將塔樓與裙房從結(jié)構(gòu)上形成獨(dú)立單元。

地下室和商業(yè)裙樓采用混凝土框架結(jié)構(gòu)，塔樓及塔樓區(qū)域地下室采用型鋼混凝土柱-鋼筋混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度等級1F～5F的C60，逐漸過渡到42F～46F的C30。連梁高度從600mm～1000mm不等，墻厚從底層的1100mm～頂層的300mm不等。結(jié)構(gòu)平面布置如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)平面布置示意圖

2 有限元模型

根據(jù)房建結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，數(shù)值模型中梁、柱均采用框架單元模擬，可分析構(gòu)件的彎剪扭作用；剪力墻和樓板利用殼單元模擬，介于板單元和膜單元的計(jì)算原理中間，這樣可以考慮構(gòu)件平面內(nèi)和平面外的剛度，符合構(gòu)件實(shí)際受力。由于回填土作用，地下室整體可按固結(jié)處理，固定端設(shè)于地下室頂板位置。利用SATWE軟件建立三維空間模型如圖2所示。

圖2 三維有限元模型

3 抗震設(shè)防性能目標(biāo)

對于不同建筑進(jìn)行抗震性能化設(shè)計(jì)，具有較強(qiáng)的針對性，根據(jù)工程設(shè)計(jì)需要，可以是整個(gè)結(jié)構(gòu)的性能設(shè)計(jì)，也可以是局部或關(guān)鍵構(gòu)件的設(shè)計(jì)。性能化設(shè)計(jì)綜合考慮了結(jié)構(gòu)承載力和變形能力，根據(jù)性能分析結(jié)果運(yùn)用相應(yīng)措施達(dá)到性能目標(biāo)，以此提高建筑的抗震性能。

根據(jù)《高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》第3.11.1～3.11.2條的規(guī)定，抗震設(shè)防性能目標(biāo)分為A～D四個(gè)等級，抗震性能分為1～5五個(gè)水準(zhǔn)。根據(jù)該工程項(xiàng)目的抗震設(shè)防類別、設(shè)防烈度和場地條件等因素，確定該建筑抗震性能目標(biāo)為C級，相應(yīng)的性能水準(zhǔn)如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)

4 設(shè)計(jì)地震參數(shù)選擇

設(shè)計(jì)采用抗震規(guī)范與安評報(bào)告提供的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年(設(shè)防概率10%)的場地地面設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)及曲線。規(guī)范及安評報(bào)告地震動(dòng)參數(shù)見表2。

表2 抗規(guī)及安評報(bào)告地震動(dòng)參數(shù)

工程場地設(shè)計(jì)地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜由公式(1)確定：

(1)

且βmax=2.5，地震系數(shù)Ks=0.1164，αmax=Ksβmax，阻尼比ζ=0.05，γ=1.0。

安評報(bào)告中震反應(yīng)譜與規(guī)范對應(yīng)中震反應(yīng)譜、小震反應(yīng)譜如圖3所示。

圖3 小震、中震規(guī)范譜及中震場地譜對比

經(jīng)計(jì)算，采用中震規(guī)范譜計(jì)算基底剪力大于采用安評譜所得基底剪力，所以取中震規(guī)范反應(yīng)譜作為設(shè)計(jì)依據(jù)來定義中震工況。

5 中震作用下結(jié)構(gòu)抗震性能分析

在中震作用下進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震性能分析，主要目的是驗(yàn)算結(jié)構(gòu)整體剛度和重要構(gòu)件的承載力，包括框架柱、剪力墻、框架梁、連梁，以及耗能支撐等。再根據(jù)小震設(shè)計(jì)下得到的實(shí)際配筋計(jì)算各主要構(gòu)件的承載力，與中震下的效應(yīng)組合進(jìn)行比較，并進(jìn)行屈服判別。對產(chǎn)生屈服的構(gòu)件調(diào)整結(jié)構(gòu)構(gòu)件配筋及采取相應(yīng)加強(qiáng)構(gòu)造措施，使之滿足預(yù)定的性能水準(zhǔn)。

5.1 構(gòu)件承載力驗(yàn)算方法

根據(jù)性能目標(biāo)，針對第二水準(zhǔn)(中震可修)下的中震組合效應(yīng)進(jìn)行構(gòu)件承載力驗(yàn)算，目前較為常見的技術(shù)手段有兩種：一是“中震彈性”分析，即在中震作用下保證結(jié)構(gòu)的承載力在彈性范圍，計(jì)算過程中不考慮地震內(nèi)力調(diào)整系數(shù)，其他基本同抗震設(shè)計(jì)的第一階段(小震彈性)。采用與小震時(shí)相同的作用分項(xiàng)系數(shù)、材料分項(xiàng)系數(shù)和抗震承載力調(diào)整系數(shù)，材料強(qiáng)度取設(shè)計(jì)值，不考慮風(fēng)荷載參與組合，組合見表3。截面承載力驗(yàn)算表達(dá)式見式(2)。

表3 地震作用及荷載效應(yīng)組合

(2)

式中：γRE為承載力抗震調(diào)整系數(shù)，Rd為構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)值。

第二種是“中震不屈服”分析，即采用振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算地震效應(yīng)，不考慮內(nèi)力的調(diào)整，荷載以及地震作用分項(xiàng)系數(shù)均取1.0。截面驗(yàn)算過程使用材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，對抗震承載力不作調(diào)整，同時(shí)且不考慮風(fēng)荷載參與組合，見表4。

表4 地震作用及荷載效應(yīng)組合

對于本文研究工程中的型鋼混凝土柱和鋼筋混凝土柱、剪力墻、框架梁和連梁采用中震不屈服分析，對底部通高墻和柱的抗剪驗(yàn)算則采用中震彈性分析。

5.2 主要構(gòu)件中震不屈服分析

根據(jù)擬定的抗震設(shè)防性能目標(biāo)，該項(xiàng)目采用“中震不屈服”的設(shè)計(jì)方法對構(gòu)件進(jìn)行分析，中震截面承載力驗(yàn)算表達(dá)式見式(3)。

(3)

式中：Sk即為荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合值；Rk為結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力。

驗(yàn)算的效應(yīng)組合和驗(yàn)算表達(dá)式前文已表述，由于剪力墻、框架柱等重要構(gòu)件的內(nèi)力構(gòu)成不同，截面抗力計(jì)算方法也不相同。如：對型鋼混凝土柱和普通鋼筋混凝土柱，采用N-M-M包絡(luò)面與內(nèi)力組合效應(yīng)進(jìn)行對比分析，以此判斷構(gòu)件是否屈服。對剪力墻而言，通過N-M包絡(luò)線與內(nèi)力組合效應(yīng)對比分析，確定剪力墻的屈服情況。

5.2.1型鋼混凝土柱和鋼筋混凝土柱

對單向壓彎柱而言，判斷截面屈服的主要依據(jù)是壓彎承載力的包絡(luò)線。在實(shí)際工程中，由于地震作用方向的不確定性，型鋼混凝土和普通鋼筋混凝土柱均屬于雙向壓彎構(gòu)件，柱截面的壓彎承載力為雙向偏壓下的承載力，此時(shí)包絡(luò)線擴(kuò)展為空間的包絡(luò)面，即洋蔥頭形狀的N-M-M曲面。判斷柱截面屈服的依據(jù)是組合后的效應(yīng)點(diǎn)與N-M-M包絡(luò)面之間的位置關(guān)系，若效應(yīng)點(diǎn)在包絡(luò)面內(nèi)部，則說明柱截面不屈服；否則認(rèn)為受壓柱進(jìn)入了塑性狀態(tài)。

為更準(zhǔn)確描述受壓型鋼柱和普通混凝土柱的抗震力學(xué)性能，利用富余度來描述截面負(fù)荷情況。富余度通過組合效應(yīng)點(diǎn)與N-M-M包絡(luò)面表面的最小距離來描述；或通過調(diào)整組合效應(yīng)中的地震作用效應(yīng)比例直到組合效應(yīng)點(diǎn)達(dá)到包絡(luò)面的表面來判斷。兩種方法各有優(yōu)勢，前面一種方法較為直觀，但受繪圖單位和質(zhì)量限制，且在結(jié)構(gòu)自重較大的情況下，地震組合效應(yīng)會(huì)被削弱甚至掩蓋。第二種方法即直接揭露地震作用下截面的富余度，但會(huì)受到內(nèi)力路徑的影響。根據(jù)已有研究表明，在中震作用下采用分解振型反應(yīng)譜法，采用第二種方法能更準(zhǔn)確描述受彎承載力富余度，剪力以利用率來表示。

由于篇幅所限，文中僅列出了第1層KZ1和KZ2的計(jì)算結(jié)果，如圖4～圖5所示。

圖4 第1層KZ1的N-M-M包絡(luò)面與組合效應(yīng)點(diǎn)

圖5 第1層KZ2的N-M-M包絡(luò)面與組合效應(yīng)點(diǎn)

由計(jì)算可得，一層KZ1受彎富余系數(shù)最小值為3.52；受剪利用率最大值為0.024；一層KZ2受彎富余系數(shù)最小值為4.16；受剪利用率最大值為0.022。綜合所有分析結(jié)果可知，型鋼柱的安全儲(chǔ)備比較高，角柱的富余系數(shù)比中柱略小，中震工況下，均未出現(xiàn)受拉情況，各層框架柱能夠保證抗彎及抗剪均不發(fā)生屈服，說明構(gòu)件存在較大的富余度。

5.2.2鋼筋混凝土剪力墻

對超高層建筑核心筒承載能力的驗(yàn)算一直是個(gè)技術(shù)難題，目前的做法主要是將核心筒的剪力墻拆解驗(yàn)算。剪力墻屬于單向壓彎構(gòu)件，因此，采用N-M包絡(luò)線進(jìn)行驗(yàn)算。同樣采用截面受彎富余系數(shù)和受剪利用率來判斷剪力墻的受力狀態(tài)。圖6～圖8為典型樓層剪力墻N-M(軸力-面內(nèi)彎矩)相關(guān)曲線。

圖6 第1層W1剪力墻N-M相關(guān)曲線

圖7 第1層W2剪力墻N-M相關(guān)曲線

圖8 第1層W3剪力墻N-M相關(guān)曲線

由計(jì)算可知，第1層W1主要受力方向的受彎富余系數(shù)最小值為1.626，受剪利用率最大值為0.365；第1層W2的受彎富余系數(shù)最小值為1.094，受剪利用率最大值為0.759；第1層W3的受彎富余系數(shù)最小值為1.406，受剪利用率最大值為0.569。

基于限幅機(jī)構(gòu)的功能需求、性能指標(biāo)及作業(yè)載荷，筆者設(shè)計(jì)了一種鎖合隨動(dòng)式限幅機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成及工作流程如圖4所示。

綜合計(jì)算結(jié)果來看，中震工況下墻體均未出現(xiàn)拉力，按小震配筋的首層極個(gè)別墻體的受彎接近屈服，基本達(dá)到屈服的極限，可相應(yīng)調(diào)整加大豎向配筋增加結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備；剪力墻的受彎富余系數(shù)隨樓層數(shù)上升逐漸增大，墻體抗彎富余量相對較大，抗剪安全系數(shù)相對較高。

綜上所述，對底部加強(qiáng)區(qū)樓層接近屈服的墻體采取適當(dāng)增大配筋的加強(qiáng)處理措施，可增加結(jié)構(gòu)整體的安全儲(chǔ)備，更好地抵抗地震作用，從而保證結(jié)構(gòu)的整體安全。

5.2.3框架梁和連梁

根據(jù)框架梁和連梁的受力特點(diǎn)，其屈服彎矩和剪力主要由截面尺寸、材料強(qiáng)度和配筋率確定。此處采用承載力利用率來判定框架梁的屈服狀況。利用率即為中震作用下的荷載效應(yīng)與其小震作用下配筋截面的相應(yīng)承載力比值。例如：框架梁的受彎、受剪截面承載力利用率，定義為框梁截面中震作用下的彎矩、剪力與其小震作用下的實(shí)配鋼筋截面的受彎、受剪承載力的比值。以此來衡量框梁受彎及受剪方面的抗震性能。由于篇幅所限，本文僅給出部分分析結(jié)果，見表5～表6。

表5 KL2承載能力計(jì)算結(jié)果

表6 LL2承載能力計(jì)算結(jié)果

經(jīng)分析表明，在中震作用下，僅四層、六層、七層和十層(利用率分別為1.05、1.01、1.04和1.01)的KL2出現(xiàn)屈服，其余框梁滿足要求。所有框梁的受剪承載力利用率均不超過55%，絕大多數(shù)位于30%～40%之間，存在較大富余，均能滿足預(yù)定抗震性能目標(biāo)。

在中震作用下，僅四十四層LL2連梁(抗彎承載利用率為1.01)出現(xiàn)屈服；但抗剪承載力利用率均不超過100%，絕大多數(shù)位于70%～80%之間，存在一定富裕，均能滿足預(yù)定抗震性能目標(biāo)。

5.3 底部通高墻、柱抗剪中震彈性分析

根據(jù)抗震設(shè)防性能目標(biāo)，采用“中震彈性”的設(shè)計(jì)方法對底部通高墻、柱構(gòu)件進(jìn)行分析。鋼骨混凝土柱的受剪承載力則采用《鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》和《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》計(jì)算，兩者取小值。公式分別為式(4)和式(5)。

(4)

(5)

(6)

按“中震彈性”設(shè)計(jì)方法分析，典型柱、墻的具體計(jì)算結(jié)果見表7。

表7 典型柱和墻計(jì)算結(jié)果

以上結(jié)果表明，在中震作用下，底部通高墻、柱均滿足抗剪彈性設(shè)計(jì)的性能化設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)論

(1)通過中震不屈服分析和判斷可以清楚地看到，豎向構(gòu)件基本保持著良好的彈性性能。而水平構(gòu)件中框架梁在考慮樓板增強(qiáng)作用的情況下，有少數(shù)構(gòu)件出現(xiàn)抗彎屈服，其余框架梁基本能保證不屈服。作為主要耗能構(gòu)件的連梁在地震作用下出現(xiàn)少量受彎屈服，但不嚴(yán)重，而抗剪性能仍處于彈性階段，可滿足中震不屈服的要求。

(2)本結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)上保證了中震不屈服概念的具體落實(shí)，實(shí)現(xiàn)了中震可修的性能水準(zhǔn)。同時(shí)，在中震作用下，連梁先于框架梁屈服，而后剪力墻的塑性鉸區(qū)出現(xiàn)屈服，整個(gè)過程中框架柱未出現(xiàn)屈服，這與抗震設(shè)防二道放線的基本要求相符。

(3)在中震作用下，對底部通高墻、柱進(jìn)行彈性分析，結(jié)果表明，其受彎受剪性能均滿足彈性設(shè)計(jì)的性能化設(shè)計(jì)要求。