某超限高層建筑的抗震性能分析

賴偉強(qiáng)， 張 堃

(四川省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司, 四川成都 610000)

1 工程概況

本工程位于成都市區(qū)西北三環(huán)外，總建筑面積約90 016 m2。地下3層，其中地下1層局部夾層，地下室建筑功能主要為人防、車庫、設(shè)備用房和酒店后勤用房；塔樓地上41層，結(jié)構(gòu)大屋面標(biāo)高為172.7 m，裙房地上3層，屋面標(biāo)高為18.3 m，建筑功能主要為酒店(典型層高3.6 m)、酒店配套用房和酒店式公寓(典型層高4.2 m)，塔樓共設(shè)置9 F、22 F和33 F共3個避難層(典型層高4.2 m、6.0 m)。建筑整體效果圖見圖1。

圖1 建筑效果圖

采用抗震縫將塔樓與裙房脫開，塔樓采用雙重抗側(cè)力體系的鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)，裙房采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。本文僅介紹塔樓的抗震能力分析。

塔樓核心筒尺寸約為13 m×31 m，核心筒外圍墻厚由底部800～1 000 mm逐步縮小至大屋面400～500 mm；塔樓框架柱柱網(wǎng)尺寸主要為13.5 m、12.1 m和10.55 m，22 F以下為型鋼混凝土柱，22 F以上為鋼筋混凝土柱；塔樓標(biāo)準(zhǔn)層的外框梁和與核心筒相連的框架梁高為800 mm；塔樓標(biāo)準(zhǔn)層酒店和公寓區(qū)域板厚100～110 mm，核心筒內(nèi)板厚120 mm，設(shè)備層、避難層及其上一層板厚為150 mm；典型結(jié)構(gòu)平面布置圖見圖2。

圖2 結(jié)構(gòu)典型平面布置

2 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

本工程設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50 a，設(shè)計(jì)使用年限為50 a，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級；所在地區(qū)地面粗糙度為B類， 50 a一遇基本風(fēng)壓為0.3 kN/m2，構(gòu)件承載力計(jì)算式取1.1 倍，阻尼比0.05；舒適度計(jì)算取10 a一遇基本風(fēng)壓為0.2 kN/m2，阻尼比0.02；本工程抗震設(shè)防烈度為7°(0.1g)，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，場地類別為III類，設(shè)計(jì)特征周期Tg=0.45s，阻尼比0.05。塔樓抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類(丙類)，根據(jù)GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)規(guī)范》以下簡稱《抗規(guī)》[1]和JGJ 3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》以下簡稱《高規(guī)》[2]，塔樓核心筒和框架柱的抗震等級均為一級。

3 超限情況和抗震性能目標(biāo)

根據(jù)建質(zhì)[2015]67號《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》[3]和DB 51/T5058-2014《四川省抗震設(shè)防超限高層建筑工程界定標(biāo)準(zhǔn)》[4]，塔樓超限情況如下：

(1)結(jié)構(gòu)高度172.7 m，超過A級高層建筑最大使用高度130 m，但未超過B級高層建筑最大使用高度180 m，無豎向收進(jìn)情況，長寬比約為1.35，高寬比約為4.89小于7，屬于B級高度超限高層建筑。

(2)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。在考慮偶然偏心影響的規(guī)定水平地震力作用下，樓層豎向構(gòu)件的最大位移比大于1.2。

根據(jù)《高規(guī)》[2]第3.11節(jié)及其條文說明，保證該超限高層滿足“小震不壞、中震可修大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)，本工程抗震性能目標(biāo)選用C-、D+級(介于C～D之間)，各水準(zhǔn)下的抗震性能要求見表1。

表1 抗震性能設(shè)計(jì)目標(biāo)

4 結(jié)構(gòu)整體計(jì)算分析

4.1 小震彈性反應(yīng)譜分析

本工程分別采用SATWE和ETABS兩種軟件，采用振型分解反應(yīng)譜法(CQC法)進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體計(jì)算，周期折減系數(shù)0.9，連梁剛度折減系數(shù)0.6，考慮雙向地震及偶然偏心。整體計(jì)算結(jié)果對比見表2，對比結(jié)果顯示：兩種軟件的主要計(jì)算控制指標(biāo)均比較接近且均滿足規(guī)范要求，計(jì)算結(jié)果合理準(zhǔn)確；前兩二周期均為平動周期(T2/T1>0.8)，第三周期為扭轉(zhuǎn)周期，且T3/T1<0.85、扭轉(zhuǎn)位移比<1.4，說明結(jié)構(gòu)兩個方向的動力特性接近且具有較好的抗扭剛度。

建質(zhì)[2015]67號《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》第11條規(guī)定，“超高的框架-核芯筒結(jié)構(gòu)，其混凝土內(nèi)筒和外框之間的剛度宜有一個合適的比例，框架部分計(jì)算分配的樓層地震剪力，除底部個別樓層、加強(qiáng)層及其相鄰上下層外，多數(shù)不低于基地剪力的8 %且最大值不宜低于10 %，最小值不宜低于5 %”。

圖3～圖5反映框架部分的剪力分布及比例：(1)大部分樓層框架承擔(dān)的剪力占本層剪力的10 %～30 %，規(guī)定水平力作用下結(jié)構(gòu)底部框架部分在X向、Y向承擔(dān)的傾覆彎矩占比27.8 %、21.3 %，介于10 %～50 %，表明框架與核心筒的剛度比例適中，為典型的框架-核心筒結(jié)構(gòu)；(2)框架承擔(dān)的剪力最大值大于底部剪力的10 %，但部分樓層框剪承擔(dān)的剪力小于底部剪力的20 %，表明框架和核心筒部分能夠形成有效的雙重抗側(cè)力體系，且框架部分需按照規(guī)范要求進(jìn)行0.2V0調(diào)整，以保證其作為二道防線的抗側(cè)能力。

表2 多遇地震下的CQC法計(jì)算結(jié)果對比

圖3 框架承擔(dān)的剪力分布

圖4 框架剪力與本層剪力的比例分布(Vf/Vi)

圖5 框架剪力與底部剪的比例分布(Vf/V0)

4.2 小震彈性時程分析

彈性時程補(bǔ)充分析時，選取2條人工波和5條天然波，地震波峰值加速度35 cm/s2，雙向輸入。7條地震波主方向的地震響應(yīng)系數(shù)曲線如圖6所示，結(jié)構(gòu)前三階振型的周期點(diǎn)在各條地震波曲線對應(yīng)的地震影響系數(shù)平均值誤差分別為-2.33 %、0.41 %和-5.54 %，均不超過20 %，滿足規(guī)范要求。

彈性時程分析結(jié)果見表3、圖7、圖8。單條地震波下的底部剪力和層間位移角均在CQC結(jié)果的65 %～135 %之間，多條地震波下的底部剪力和層間位移角平均值在CQC結(jié)果的80 %～120 %以內(nèi)，且最大層間位移角均小于1/706，滿足規(guī)范要求。此外，樓層剪力結(jié)果顯示：CQC法底部剪力與彈性時程分析法底部剪力平均值相當(dāng)，但在結(jié)構(gòu)上部1/4～1/3高度范圍內(nèi)，彈性時程分析的樓層剪力大于CQC法的樓層剪力，表明結(jié)構(gòu)高階振型會影響結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)，故需對振型分解反應(yīng)譜法的地震效應(yīng)放大，放大系數(shù)取樓層剪力比值。

圖6 多遇地震反應(yīng)譜曲線比較

表3 彈性時程分析結(jié)果

圖7 彈性時程分析的樓層剪力

圖8 彈性時程分析的層間位移角

4.3 中、大震等效彈性反應(yīng)譜分析

等效彈性分析分別采用“中震彈性”、“中震不屈服”、“大震不屈服”計(jì)算模型[5]。

中、大震底部剪力分別為小震結(jié)果的2.6～2.7倍、5.5～5.7倍；中震層間位移角分別為X向-1/291、Y向-1/371，均不大于1/282(2.5倍彈性層間位移角限值)，大震層間位移角分別為X向-1/130，Y向-1/169，均不大于1/111(0.9倍彈塑性層間位移角限值)；配筋計(jì)算結(jié)果顯示：關(guān)鍵構(gòu)件和普通豎向構(gòu)件均滿足“中震抗剪彈性、抗彎不屈服”、關(guān)鍵構(gòu)建滿足“大震抗剪、抗彎不屈服”、普通豎向構(gòu)件滿足“大震抗剪不滿足剪壓比”，結(jié)構(gòu)構(gòu)件既定抗震性能目標(biāo)。

中震下的剪力墻軸拉比統(tǒng)計(jì)見圖9(荷載組合取1.0DL+0.5LL+1.0Eh)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：塔樓部分剪力墻僅在頂部、底部局部樓層出現(xiàn)小偏拉現(xiàn)象，但軸拉比均小于1.0，根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查要點(diǎn)》(2015版)[3]第十二條規(guī)定，小偏拉剪力墻抗震構(gòu)造等級按特一級且無需設(shè)置型鋼。

圖9 設(shè)防地震下的剪力墻軸拉比μt

大震下的剪比統(tǒng)計(jì)見圖10(荷載組合取1.0DL+0.5LL+1.0Eh)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：剪力墻、框架柱的剪壓比均不超過0.15，說明豎向構(gòu)件的抗剪截面尺寸滿足剪壓比要求，不會發(fā)生脆性剪切破壞。

(a)剪力墻剪壓比

4.4 大震彈塑性時程分析

彈塑性動力時程分析方法是考慮結(jié)構(gòu)的彈塑性性質(zhì)，旨在反映結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的損傷情況、復(fù)核結(jié)構(gòu)是否滿足彈塑性變形要求。選取1條人工波和2條天然波，地震波峰值加速度220 cm/s2，選用SAUSAGE[6]軟件，雙向輸入，同時考慮幾何非線性和材料非線性。分析結(jié)果如下：

(1)最大層間位移角θx=1/108，θy=1/141，根據(jù)《抗規(guī)》[1]換算得到的最大層間位移角為：θx=1/127，θy=1/122，均小于1/111，滿足 “大震不倒”的既定抗震性能目標(biāo)；同時，彈塑性與彈性最大層間位移角樓層基本對應(yīng)，表明罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的樓層抗側(cè)剛度相對大小關(guān)系基本保持一致。

(2)連梁首先屈服而后開始出現(xiàn)損傷，損傷逐漸增大至大部分重度損壞～嚴(yán)重?fù)p壞；剪力墻絕大部分無損壞～輕度損壞，極少數(shù)中度破損～重度損壞且僅出現(xiàn)在中上部樓層。框架柱在頂部樓層輕微破損；框架梁大部分無損壞～輕度損壞，部分中度損壞，極少部分重度損壞～嚴(yán)重破壞且僅在端部。損傷情況表明結(jié)構(gòu)抗震性能滿足既定的抗震性能目標(biāo)要求。關(guān)鍵構(gòu)件在大震下的性能水平見圖11。

圖11 罕遇地震下的關(guān)鍵構(gòu)件性能水平

(3)結(jié)構(gòu)的損傷發(fā)展順序表明結(jié)構(gòu)具有明顯的雙重抗側(cè)力體系(即：核心筒首先屈服耗能，為第一道防線；外框架隨后屈服耗能，為第二道防線且符合“強(qiáng)柱弱梁”的抗震概念設(shè)計(jì)，保證結(jié)構(gòu)在大震下有一定的安全儲備)，與反應(yīng)譜分析結(jié)果一致，符合預(yù)期目標(biāo)。

5 結(jié)論

(1)多遇地震作用下，SATWE和ETABS兩種軟件分析的各項(xiàng)指標(biāo)基本一致，說明計(jì)算程序合適、假定正確，計(jì)算結(jié)果可靠；SATWE 彈性時程分析與彈性反應(yīng)譜分析結(jié)果一致，結(jié)構(gòu)處于彈性階段，承載能力和變形能力均能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

(2)設(shè)防地震、罕遇地震作用的下等效彈性反應(yīng)譜分析和罕遇地震下的動力彈塑性分析結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)層間位移角和構(gòu)件的性能水平均可滿足預(yù)定的抗震性能目標(biāo)，層間位移角滿足規(guī)范限值要求，結(jié)構(gòu)整體滿足既定的抗震性能目標(biāo)。

(3)損傷情況表明結(jié)構(gòu)具有明顯的雙重抗側(cè)力體系，具有“強(qiáng)柱弱梁”的特點(diǎn)，滿足抗震概念設(shè)計(jì)。

本工程具有B級高度、扭轉(zhuǎn)不規(guī)則等特點(diǎn)，通過超限判斷、抗震性能化設(shè)計(jì)以及彈塑性分析，保證結(jié)構(gòu)的安全可靠且滿足規(guī)范要求，給類似工程提供參考。