某超高層建筑結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的抗震性能評估

孟 磊 （安徽省金田建筑設計咨詢有限責任公司，安徽 合肥 230000）

0 引言

建筑結(jié)構(gòu)在強烈的罕遇地震作用下，進入彈塑性階段剛度會發(fā)生退化，并出現(xiàn)塑性內(nèi)力重分布。在預估罕遇地震作用下對工程采用動力彈塑性時程分析方法進行結(jié)構(gòu)整體補充計算，可以達到以下目的：①計算結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的動力響應，包括結(jié)構(gòu)的整體變形情況、主要構(gòu)件塑性及損傷情況，考察各構(gòu)件破壞順序及破壞程度，評價整體結(jié)構(gòu)的彈塑性行為，確認結(jié)構(gòu)是否滿足“大震不倒”的設防水準要求；②研究結(jié)構(gòu)關鍵部位、關鍵構(gòu)件的變形形態(tài)和損傷情況；③論證結(jié)構(gòu)整體在罕遇地震作用下的抗震性能，判斷結(jié)構(gòu)薄弱部位所在位置；④根據(jù)以上分析結(jié)構(gòu)，針對結(jié)構(gòu)薄弱部位和薄弱構(gòu)件提出相應的加強措施，用以指導施工圖設計。以上可借助專業(yè)分析軟件PERFORM-3D能進行復雜的結(jié)構(gòu)非線性動力時程分析來評估罕遇地震下性能[2-3]。

1 工程概況

項目選址于六安市梅山南路，周邊道路交通便利，景觀資源良好。建筑功能為以商業(yè)、辦公為主的大型綜合體。27#樓為辦公塔樓，結(jié)構(gòu)高度179.8 m，室內(nèi)外高差100mm，地下室3層，地面以上42層（含三個避難層），標準層高為4.0m，結(jié)構(gòu)體系為框架-核心筒結(jié)構(gòu)。26#樓商業(yè)裙樓為大型商業(yè)，地面以上7層，建筑結(jié)構(gòu)高度33.0m，層高均同27#樓為辦公塔樓，結(jié)構(gòu)體系為框架結(jié)構(gòu)。27#辦公塔樓和26#商業(yè)裙樓之間通過抗震縫分隔開，如圖1所示。本文圍繞27#樓辦公塔樓結(jié)構(gòu)抗震設計展開，重點對其罕遇地震作用下的抗震性能進行評估。建筑效果圖如圖2所示。

圖2 建筑效果圖

2 分析材料模型（本構(gòu)關系）

在PERFORM-3D分析模型中，不考慮混凝土受拉作用，受壓采用Mander模型，考慮箍筋對混凝土的約束，以及對其強度及延性的提高作用?；炷帘緲?gòu)采用多折線進行模擬，如圖3(a)所示?；炷敛牧陷S心抗壓強度標準值 (fck)按《鋼筋混凝土設計規(guī)范》附錄C表4.1.3采用。鋼筋的非線性材料模型采用雙線性隨動硬化模型，在循環(huán)過程中，無剛度退化，考慮了鋼材的包辛格（Bauschinger）效應，鋼材的強屈比設定為1.2，極限應力所對應的極限塑形應變?yōu)?.025，如圖 3(b)所示。

圖3 材料模型

3 抗震性能目標

本工程房屋不規(guī)則性超過使用范圍較少，結(jié)合抗震設計的概念進行設計防烈度、抗震設防類別、超限情況，按照《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[1]第3.11節(jié)要求設定本工程結(jié)構(gòu)的抗震性能目標為C級，不同地震水準下的結(jié)構(gòu)、構(gòu)件性能水準詳見表1。

4 地震波的選取

本工程選用二條天然波(NatWave01，Natwave02)和一條人工波(ArtWave01)，按《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3-2010)表4.3.5提供的主方向地震作用最大加速度峰值0.22g和主方向、次方向地震峰值加速度比值1.00：0.85，調(diào)整后分別沿建筑物兩個主軸方向各輸入一次，進行彈塑性時程分析。

加速度最大值規(guī)一化的地震波時程曲線如圖4所示，地震波反應譜與規(guī)范譜對比曲線如圖5所示，各地震波的特征周期需符合《抗規(guī)》表5.1.4-2的要求，有效峰值加速度按《抗規(guī)》表5.1.2-2的要求采用，地震波的有效持續(xù)時間均不小于5倍的結(jié)構(gòu)基本周期。三組地震波的平均地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應譜法所用的地震影響系數(shù)曲線相比，在對應于結(jié)構(gòu)主要振型的周期點上相差不大于20%，滿足規(guī)范在統(tǒng)計意義上相符的要求。

結(jié)構(gòu)抗震性能設防目標表1

結(jié)構(gòu)大震彈性時程分析與振型分解反應譜法的底部剪力對比見表2所示，計算結(jié)果表明可滿足《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011-2010)第5.1.2.3條要求，這說明地震波的選取是合適的。

圖4 地震波時程曲線

5 結(jié)構(gòu)的總體反映分析

圖6給出在地震波組AatWave01作用下結(jié)構(gòu)彈性和彈塑性反應的頂部位移時程對比曲線。在罕遇地震作用下，當結(jié)構(gòu)進入塑性后，剛度會產(chǎn)生退化，彈塑性分析相對彈性分析的結(jié)構(gòu)頂部位移有一定程度的偏移。

圖5 地震波反應譜與規(guī)范譜曲線對比

圖6 結(jié)構(gòu)頂部的位移時程曲線

圖7給出在地震波組AatWave01作用下結(jié)構(gòu)彈性和彈塑性反應的底部剪力時程對比曲線。在罕遇地震作用下，當結(jié)構(gòu)進入塑性后，剛度會產(chǎn)生退化，彈塑性分析相對彈性分析的結(jié)構(gòu)底部剪力有一定程度的降低。

各組地震波作用下的結(jié)構(gòu)層間位移角曲線見圖8。由圖8可知，結(jié)構(gòu)在X方向的層間位移角最大值為1/307，對應層號在第23層，在Y方向的層間位移角最大值為1/195，對應層號在第35層。結(jié)構(gòu)在兩個方向的最大層間位移角均滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3-2010)表3.7.5關于框架核心筒結(jié)構(gòu)體系層間位移角1/100的限值要求。說明結(jié)構(gòu)整體剛度較大，高于預期性能目標，能夠滿足“大震不倒”的要求。

彈性分析的最大底部剪力與反應譜的對比 表2

圖7 結(jié)構(gòu)底部的剪力時程曲線

圖8 結(jié)構(gòu)的層間位移角曲線

6 構(gòu)件的性能評價

根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011-2010)第5.1.2.3條規(guī)定，本工程選取三組時程曲線輸入進行計算，結(jié)構(gòu)地震作用效取時程法計算結(jié)果的包絡值與振型分解反應譜法(CQC)計算結(jié)果的較大值對結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行罕遇地震下性能評估。

6.1 剪力墻墻肢

剪力墻墻肢受拉、受壓和受剪的性能狀態(tài)分別如圖9(a)～(c)所示。圖中可知，在罕遇地震的各組地震波作用下，分析結(jié)果表明剪力墻墻肢在底部區(qū)域受力相對較大，但鋼筋拉應變小于其屈服應變εy，混凝土壓應變小于其峰值應變εp，剪應力小于其剪切強度，構(gòu)件基本上無損壞。符合設定的抗震性能目標。

圖9 剪力墻的性能狀態(tài)

6.2 剪力墻連梁

剪力墻連梁的性能狀態(tài)如圖10所示。圖中可知，在罕遇地震的各組地震波作用下，梁單元損傷程度較大的部位一般在梁端位置。梁的性能等級大多數(shù)處于“中度損壞”以下，只有極少數(shù)達到“重度損壞”，符合梁作為耗能構(gòu)件設定的抗震性能目標。連梁的最大塑性變形處于有限安全性能段，小于性能點CP，符合設定的抗震性能目標。

6.3 鋼筋混凝土框架柱

鋼筋混凝土框架柱的性能狀態(tài)如圖11所示。由圖可知，在罕遇地震的各組地震波作用下，塔樓的框架柱基本上無損壞，裙房頂部部分鋼筋混凝土柱產(chǎn)生了塑性損傷，形成彎曲塑性鉸，柱的最大塑性變形處于運行控制性能段，小于性能點IO，構(gòu)件輕度損壞，符合設定的抗震性能目標。

圖10 剪力墻連梁的性能狀態(tài)

6.4 鋼筋混凝土框架梁

鋼筋混凝土框架梁的性能狀態(tài)如圖12所示。圖中可知，在罕遇地震的各組地震波作用下，大部分鋼筋混凝土梁產(chǎn)生了塑性損傷，形成塑性鉸。鋼筋混凝土梁的最大塑性變形處于有限安全性能段，小于性能點CP，梁構(gòu)件均控制在中度損壞以下，極少數(shù)梁為比較嚴重損壞，滿足結(jié)構(gòu)抗震性能水準4的要求。

圖11 鋼筋混凝土框架柱的性能狀態(tài)

7 結(jié)論

本工程使用PERFORM-3D軟件并選取三組地震波進行大震彈塑性時程分析和抗震性能評估結(jié)構(gòu)進行罕遇地震作用下的動力彈塑性時程分析，對結(jié)構(gòu)性能進行評價，總體結(jié)論如下。

圖12 鋼筋混凝土框架梁的性能狀態(tài)

①結(jié)構(gòu)在X方向的層間位移角最大值為1/307，對應層號在第23層，在Y方向的層間位移角最大值為1/195，對應層號在第35層。結(jié)構(gòu)在兩個方向的最大層間位移角均滿足高規(guī)[1]框架核心筒結(jié)構(gòu)體系層間位移角1/100的限值要求。同時滿足《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011-2010)附錄M表M.1.1-2結(jié)構(gòu)構(gòu)件實現(xiàn)抗震性能要求的層間位移參考指標示例要求。

②剪力墻墻肢在底部區(qū)域受力相對較大，但鋼筋拉應變小于其屈服應變εy，混凝土壓應變小于其峰值應變εp，剪應力小于其剪切強度，構(gòu)件基本上無損壞，滿足預設性能目標的要求。

③大部分剪力墻連梁均已屈服，構(gòu)件中度損壞，部分嚴重損壞；裙房頂部部分框架柱已屈服，構(gòu)件輕度損壞；大部分框架梁均已屈服，構(gòu)件中度損壞，部分嚴重損壞。

④結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下，塑形變形發(fā)展的順序：連梁→樓面梁→剪力墻→框架柱，連梁吸收了不少的地震作用，塑性變形相對集中，損壞嚴重，框架柱基本上無損壞。

綜上所述，本結(jié)構(gòu)體系具有合理的屈服機制和良好的彈塑性耗能能力，彈塑性耗能構(gòu)件明確，彈塑性耗能僅發(fā)生在確定的構(gòu)件和區(qū)域，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能滿足所選定的結(jié)構(gòu)抗震性能目標的結(jié)構(gòu)抗震性能水準4的要求，結(jié)構(gòu)在罕遇地震時具有足夠的變形能力和合適的承載能力，避免倒塌。