200 m超高層住宅抗震性能化分析與設(shè)計(jì)

蒯 蓓 蕾

(同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司，上海 200092)

1 項(xiàng)目概況

合肥某環(huán)球金融中心，A2地塊商住部分由R1超高層住宅及C1商業(yè)裙房組成。其中R1塔樓63層，裙房和塔樓采用抗震縫脫開，成為兩個(gè)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單體。R1塔樓為超B類高層，采用鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，屋面結(jié)構(gòu)高度200.5 m，出屋面總高度205 m。該工程已于2019年1月竣工，見圖1。

2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

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)》(建質(zhì)[2010]109號(hào))[1]進(jìn)行規(guī)則性判斷，塔樓僅存在一項(xiàng)一般不規(guī)則：塔樓結(jié)構(gòu)的最大扭轉(zhuǎn)位移比1.35，無(wú)嚴(yán)重不規(guī)則。

2.1 設(shè)防類別

根據(jù)GB 50223—2008建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)[2]，C1商業(yè)屬于人流密集的大型商業(yè)建筑，裙房抗震設(shè)防類別為乙類。R1住宅在1層～5層與C1合建，因此R1住宅在商業(yè)高度范圍內(nèi)的設(shè)防類別提高到乙類，6層以上為丙類。

2.2 大高寬比

在對(duì)塔樓結(jié)構(gòu)高寬比進(jìn)行判斷時(shí)，采用了多種方法比較結(jié)構(gòu)寬度，高寬比信息見表1。等效寬度采用廣東省《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中介紹的一種方法：“當(dāng)建筑平面非矩形時(shí)，可取平面的等效寬度B=3.5r，r為建筑平面最小回轉(zhuǎn)半徑”；最大、最小寬度見圖2a)，折邊寬度見圖2b)。根據(jù)《高規(guī)》[3]，7度區(qū)剪力墻結(jié)構(gòu)的最大高寬比限值為6，高寬比嚴(yán)重超限。

表1 結(jié)構(gòu)高寬比

3 抗震性能設(shè)計(jì)參數(shù)

3.1 地震動(dòng)水準(zhǔn)

本工程抗震設(shè)防烈度7度(0.10g)，小震加速度峰值由安評(píng)報(bào)告提供，為37gal，大于《抗規(guī)》[4]取值。地震動(dòng)放大系數(shù)βmax取2.25，因此小震地震影響系數(shù)為0.083。設(shè)防烈度地震的水平地震影響系數(shù)最大值為0.23，罕遇地震為0.50，均按照規(guī)范取值。

3.2 性能目標(biāo)

綜合考慮抗震設(shè)防類別、建造費(fèi)用以及震后損失和修復(fù)難易程度等，本工程結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)定位C級(jí)。關(guān)鍵構(gòu)件指底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻，普通豎向構(gòu)件指非底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻及裙房高度的框架柱，耗能構(gòu)件指剪力墻連梁及框架梁。結(jié)構(gòu)的抗震性能水準(zhǔn)按表2進(jìn)行。

表2 抗震性能目標(biāo)對(duì)應(yīng)性能水準(zhǔn)

3.3 設(shè)計(jì)指標(biāo)

抗震性能化設(shè)計(jì)要求對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行不同水準(zhǔn)地震作用下的分析和驗(yàn)算。為實(shí)現(xiàn)既定的抗震性能目標(biāo)，對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件和結(jié)構(gòu)層間位移需要達(dá)到的指標(biāo)規(guī)定見表3。

分別采用彈性反應(yīng)譜分析方法和時(shí)程分析方法對(duì)結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下進(jìn)行分析，結(jié)構(gòu)響應(yīng)一致，在地震作用下及風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)和構(gòu)件均能滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。在設(shè)防烈度地震下，認(rèn)為結(jié)構(gòu)塑性水平較弱、動(dòng)力特性變化較小，結(jié)構(gòu)仍處于基本彈性階段，因此采用彈性反應(yīng)譜分析方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算和設(shè)計(jì)。對(duì)罕遇地震作用下薄弱部位的變形和結(jié)構(gòu)響應(yīng)，采用彈塑性時(shí)程分析法進(jìn)行分析。

表3 抗震性能設(shè)計(jì)指標(biāo)

4 動(dòng)力彈塑性分析

4.1 選波

地震波選用考慮場(chǎng)地類別、頻譜特性、加速度有效峰值及震源機(jī)制等方面進(jìn)行綜合判斷。持時(shí)要求為結(jié)構(gòu)周期的5倍～10倍。

根據(jù)《抗規(guī)》5.1.2-3提出的要求，最終從由北京震泰工程技術(shù)有限公司對(duì)多遇地震提供的7組地震波中，選擇符合本工程要求的3組進(jìn)行計(jì)算，分別是：天然波L0472/L0473，L0640/L0641以及人工波L745-1/L745-2，3組地震波的反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜對(duì)比見圖3。

4.2 整體結(jié)構(gòu)三維模型

使用PERFORM-3D V5建立三維模型，模型中材料以及幾何非線性均已考慮在內(nèi)。在模型中影響到結(jié)構(gòu)非線性性能的主要是混凝土和鋼筋的力學(xué)本構(gòu)關(guān)系。鋼筋本構(gòu)模型如圖4所示；混凝土簡(jiǎn)化后的本構(gòu)模型如圖5所示。

PERFORM3D中塑性鉸的廣義受力—變形關(guān)系見圖6，整個(gè)曲線可分為四個(gè)階段：彈性段(AB)、強(qiáng)化段(BC)、卸載段(CD)、塑性段(DE)。點(diǎn)IO，LS，CP代表性能點(diǎn)，分別對(duì)應(yīng)于直接使用、生命安全、預(yù)防倒塌。

對(duì)框架柱，在構(gòu)件兩端添加軸力—彎矩相關(guān)(PMM)鉸；對(duì)連梁，采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，兩端添加彎矩(M)鉸，梁中間添加剪切鉸。柱、連梁、框架梁配筋率均按全截面的1.5%。剪力墻采用PERFORM3D提供的非線性纖維模型進(jìn)行模擬，采用鋼筋纖維和混凝土纖維來模擬剪力墻中的分布鋼筋和混凝土。剪力墻約束邊緣構(gòu)件范圍內(nèi)配筋率為1.5%；非約束邊緣構(gòu)件范圍配筋率為0.5%。針對(duì)不同的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，本項(xiàng)目采用的檢驗(yàn)指標(biāo)如表4所示。

表4 各結(jié)構(gòu)構(gòu)件不同性能目標(biāo)對(duì)應(yīng)檢驗(yàn)指標(biāo)

構(gòu)件類型檢驗(yàn)指標(biāo)IOLSCP連梁(轉(zhuǎn)角)0.0050.010.02框架梁0.0050.010.015框架柱0.0030.010.012剪力墻鋼筋鋼筋應(yīng)變不超過屈服應(yīng)變0.002混凝土混凝土壓應(yīng)變不超過峰值壓應(yīng)變0.002

4.3 結(jié)構(gòu)整體表現(xiàn)

4.3.1彈性與彈塑性模型的結(jié)果對(duì)比

為了觀察結(jié)構(gòu)整體非線性發(fā)生的時(shí)間和整體情況，對(duì)模型分別進(jìn)行彈性和彈塑性計(jì)算，并進(jìn)行對(duì)比。兩者計(jì)算工況相同，區(qū)別在于彈性計(jì)算時(shí)未考慮材料非線性。以地震波L0472-L0473作用為例，結(jié)構(gòu)X向、Y向基底剪力時(shí)程及頂點(diǎn)位移時(shí)程分別如圖7，圖8所示。

4.3.2整體計(jì)算結(jié)果

結(jié)構(gòu)在三條地震波作用下的基底剪力如表5所示。

表5 基底剪力比較

結(jié)構(gòu)在三條地震波作用下，結(jié)構(gòu)的彈塑性層間位移角不大于1/120，滿足安全限值。

4.4 構(gòu)件的非線性表現(xiàn)

4.4.1連梁的非線性結(jié)構(gòu)

根據(jù)分析結(jié)果，將所有連梁非線性行為總結(jié)為塑性轉(zhuǎn)動(dòng)百分比等級(jí)。以天然波L0472/L0473為例，經(jīng)觀察地震工況下連梁表現(xiàn)如圖9所示。

部分連梁在罕遇地震作用下出現(xiàn)了塑性鉸，多數(shù)連梁的塑性水平小于生命安全(LS)水平；少部分連梁塑性鉸超過(LS)水平，但仍小于防止倒塌(CP)水平。在罕遇地震作用下本工程連梁滿足預(yù)先設(shè)定的性能目標(biāo)。

4.4.2剪力墻的非線性結(jié)果

在各片剪力墻端部設(shè)置應(yīng)變觀測(cè)點(diǎn)(見圖10)，得到在各組雙向地震作用下頂點(diǎn)位移最大時(shí)剪力墻各墻肢鋼筋拉應(yīng)變。

天然波L0472/L0473作用下，剪力墻纖維最大拉應(yīng)變?yōu)?.001 7，最大壓應(yīng)變?yōu)?.001 7；天然波L0523/L0524作用下，最大拉應(yīng)變?yōu)?.001 5，最大壓應(yīng)變?yōu)?.001 2；人工波L740-3/L740-4作用下，最大拉應(yīng)變?yōu)?.001 1，最大壓應(yīng)變?yōu)?.001 5。罕遇地震作用下，部分混凝土處于受拉狀態(tài)并達(dá)到開裂應(yīng)變0.000 1，墻體底部開裂較多；剪力墻纖維最大拉應(yīng)變?yōu)?.001 5，小于鋼筋的屈服應(yīng)變0.002，可認(rèn)為墻肢未產(chǎn)生有意義的塑性鉸。剪力墻纖維最大壓應(yīng)變?yōu)?.001 1，結(jié)構(gòu)底層混凝土壓應(yīng)變最大，但其壓應(yīng)變均未達(dá)到峰值壓應(yīng)變0.002，可認(rèn)為混凝土壓應(yīng)力水平不高，不至于出現(xiàn)混凝土剝落甚至壓潰等嚴(yán)重破壞現(xiàn)象。同時(shí)，剪力墻纖維最大壓應(yīng)變小于鋼筋屈服應(yīng)變。結(jié)構(gòu)剪力墻整體上表現(xiàn)為彈性，部分進(jìn)入塑性。剪力墻總體塑性發(fā)展水平較低，具備足夠的承載力富余。

5 構(gòu)件設(shè)計(jì)

5.1 分體模型

本項(xiàng)目為典型的住宅建筑，為了使餐客廳區(qū)域形成較為開敞的空間，剪力墻布置成為局部相對(duì)集中的五個(gè)“筒體”，見圖11。為保證結(jié)構(gòu)局部抗側(cè)力構(gòu)件能自成體系，本工程對(duì)分體模型進(jìn)行了小震下的計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)豎向構(gòu)件進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。

5.2 墻肢控制條件與設(shè)計(jì)

大高寬比的剪力墻結(jié)構(gòu)，容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)橫向剛度偏弱，整體穩(wěn)定不易滿足，因此需要布置足夠的抗側(cè)力構(gòu)件。本工程的抗側(cè)力構(gòu)件布置如圖12所示。

底部剪力墻混凝土強(qiáng)度等級(jí)C60，最大墻肢厚度500 mm。為保證豎向剛度變化均勻，各層墻肢厚度和混凝土強(qiáng)度隨著樓層均勻變化，頂部剪力墻混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30，最小墻肢厚度200 mm。

5.2.1抗震構(gòu)造措施

根據(jù)《高規(guī)》及《抗規(guī)》，塔樓的地震內(nèi)力調(diào)整系數(shù)及構(gòu)件組合內(nèi)力調(diào)整系數(shù)如表6所示。

表6 構(gòu)件組合內(nèi)力調(diào)整系數(shù)

在滿足特一級(jí)剪力墻抗震構(gòu)造措施的同時(shí)采用更嚴(yán)格的控制條件，控制軸壓比小于0.45。

5.2.2墻肢拉應(yīng)力

在設(shè)防地震荷載作用下，周圍墻肢出現(xiàn)拉應(yīng)力。在邊緣構(gòu)件中，按約0.5%的含鋼量配置型鋼，按彈性模量折算的混凝土墻肢面積，驗(yàn)算墻肢的名義拉應(yīng)力。部分軸向拉應(yīng)力驗(yàn)算見表7。

表7 墻肢名義拉應(yīng)力驗(yàn)算

在中震作用下，底層剪力墻拉應(yīng)力不大于2ftk=5.7 MPa，剪力墻截面滿足抗拉要求。

5.3 墻肢性能化設(shè)計(jì)

5.3.1抗剪彈性設(shè)計(jì)

在設(shè)防烈度地震作用下，關(guān)鍵構(gòu)件及普通豎向構(gòu)件的受剪承載力按《高規(guī)》式3.11.3-1驗(yàn)算：

表8列出中震下結(jié)構(gòu)底層部分剪力墻截面剪力設(shè)計(jì)值與抗剪承載力設(shè)計(jì)值，編號(hào)均見圖12。

表8 墻肢受剪承載力驗(yàn)算

5.3.2正截面不屈服設(shè)計(jì)

在設(shè)防烈度地震作用下，關(guān)鍵構(gòu)件及普通豎向構(gòu)件的正截面承載力應(yīng)符合《高規(guī)》式3.11.3-2的規(guī)定：

在地震與風(fēng)荷載作用下，對(duì)底層部分墻體進(jìn)行壓彎(拉彎)驗(yàn)算。驗(yàn)算表明:中震作用下，底層墻體暗柱區(qū)配置型鋼后滿足拉(壓)彎承載力要求，部分暗柱區(qū)的配筋率需適當(dāng)提高。底層混凝土強(qiáng)度等級(jí)C60，在中震作用下，部分墻肢鋼筋配筋率統(tǒng)計(jì)如表9所示。

表9 墻肢配筋率

對(duì)應(yīng)墻肢拉(壓)彎驗(yàn)算結(jié)果如圖13所示。

5.3.3大震抗剪截面設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性計(jì)算分析，在預(yù)估的罕遇地震作用下，鋼筋混凝土豎向構(gòu)件的受剪截面應(yīng)符合《高規(guī)》式3.11.3-4的規(guī)定：

提取大震下重力荷載代表值與地震作用組合工況的豎向構(gòu)件內(nèi)力值進(jìn)行驗(yàn)算，表中剪力值取三組地震波計(jì)算值的包絡(luò)值，底部部分構(gòu)件驗(yàn)算結(jié)果如表10所示。

表10 大震抗剪截面驗(yàn)算

5.4 型鋼節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

在型鋼柱與墻肢或連梁相連處設(shè)置1 m長(zhǎng)短梁，保證型鋼有效傳力，保證節(jié)點(diǎn)剛度。型鋼節(jié)點(diǎn)構(gòu)造見圖14。

6 結(jié)語(yǔ)

對(duì)R1塔樓進(jìn)行性能化分析的主要目的是為了更好的理解結(jié)構(gòu)在地震作用下的表現(xiàn)。分析得出的結(jié)果通過結(jié)構(gòu)構(gòu)件力和位移、變形關(guān)系等對(duì)結(jié)構(gòu)作出很有價(jià)值的評(píng)估。對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能化分析，對(duì)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)進(jìn)行檢驗(yàn)，并指導(dǎo)相應(yīng)的設(shè)計(jì)。

通過罕遇地震下性能化分析研究，目前結(jié)構(gòu)的剪力墻和連梁顯示出合理的非線性行為。

本結(jié)構(gòu)主要耗能構(gòu)件為剪力墻連梁，連梁總體上滿足LS性能水平。剪力墻是本結(jié)構(gòu)的主要抗側(cè)力構(gòu)件組成部分，總體上滿足IO性能水平。結(jié)構(gòu)在地震作用下，主要指標(biāo)均滿足C級(jí)抗震性能目標(biāo)要求。