超高層建筑抗震性能設(shè)計分析

中國建筑東北設(shè)計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110000

1 工程概況

某大廈為高層辦公寫字樓，總共54層，其中地面50層、地下4層，建筑總面積為94167m2，主體高度為168m。地上第1～4層是商業(yè)用房，第4層的頂部建立設(shè)備層；第5～50層為辦公用房；地下第1～4層是地下停車場，地下第4層建立甲六級的人防掩蔽工程場所。該大廈的主體結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土的框架及核心筒的結(jié)構(gòu)，設(shè)計年限為50年，抗震為乙類，安全等級為二級，設(shè)計地震的分組為第一組，抗震烈度為6度，場地為Ⅱ類，特征周期為0.35s，設(shè)計地震加速度為0.05g。

2 結(jié)構(gòu)抗震預(yù)期性能和目標(biāo)

依據(jù)項目的實際特點(diǎn)，并和建設(shè)方進(jìn)行協(xié)商后明確抗震的設(shè)計需要達(dá)到《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3—2010）中的性能要求。

（1）小震作用（αmax=0.05）：未對性能的等級造成破壞，且層間位移角未達(dá)限值1/800，符合標(biāo)準(zhǔn)彈性的要求，主體的結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震的承載力符合規(guī)范，全部構(gòu)件在彈性工作的狀態(tài)。

（2）中震作用（αmax=0.13）：對性能等級造成的損壞可修復(fù)，層間位移角的限值為1/400，主體框架柱在彈性狀態(tài)，剪力墻的抗剪承載力在基本彈性下，框架梁允許部分進(jìn)入塑性，剪力墻連梁允許部分進(jìn)入塑性，剪力墻受彎承載力允許部分進(jìn)入塑性。

（3）大震作用（αmax=0.33）：性能等級達(dá)到無倒塌，層間位移角的限值為1/200，剪力墻和框架柱可以進(jìn)入塑性，但對變形能控制，符合抗剪截面的最低標(biāo)準(zhǔn)，剪力墻連梁可入塑性，框架梁可入塑性，并且需要符合抗剪截面的最低標(biāo)準(zhǔn)，剪力墻的受彎承載力可入塑性，但能控制拉應(yīng)力。

3 結(jié)構(gòu)整體的分析和計算

3.1 小震下反應(yīng)譜彈性

此次選擇使用SATWE與Midas Building兩種軟件，分析時的相關(guān)參數(shù)如下：風(fēng)荷載w0=0.40kN/m2，地面的粗糙程度設(shè)定為B類；地震影響系數(shù)αmax=0.04，另外需要考慮偶然偏心與雙向地震，因此計算時的振型數(shù)設(shè)為24；剪力墻和框架的結(jié)構(gòu)抗震等級均為一級。SATWE與Midas Building的彈性計算結(jié)果對比如表1所示。

表1 SATWE與Midas Building的彈性計算結(jié)果對比

由表1可知，不同的軟件顯示的彈性的結(jié)果大致相同，各項指標(biāo)也屬于正常狀態(tài)，符合相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，建筑的整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定驗算達(dá)標(biāo)。在建筑中部的一些樓層內(nèi)，偶然偏心地震的作用下，樓層出現(xiàn)的最高位移比高于1.2，但均低于標(biāo)準(zhǔn)限值1.4。另外，由于Y方向長，X方向偶然的偏心距離大，并且結(jié)構(gòu)在第1階的扭轉(zhuǎn)周期與平動周期的比值小于0.8，進(jìn)一步表明建筑結(jié)構(gòu)抗扭轉(zhuǎn)的性能十分高?？傊谛≌鸬姆治鰞?nèi)，該建筑的結(jié)構(gòu)在各項控制的指標(biāo)中完全符合標(biāo)準(zhǔn)，并且構(gòu)件抗震的承載力和層間位移也完全符合當(dāng)前的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

依據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3—2010）的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，對高于150m的建筑結(jié)構(gòu)要求其具備良好使用的各項基本條件，并滿足舒適度的控制標(biāo)準(zhǔn)要求。通過詳細(xì)的分析和計算，此次研究的建筑結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)的最大加速度為0.05m/s2，低于標(biāo)準(zhǔn)限值，因此該建筑具備良好的舒適度。

3.2 中震彈性分析

依據(jù)對性能的設(shè)計要求，針對建筑的結(jié)構(gòu)開展中震彈性分析，剪力墻與框架柱受剪承載力依據(jù)中震的彈性標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計，剪力墻的受彎承載力則根據(jù)中震不屈服進(jìn)行設(shè)計。使用SATWE計算軟件進(jìn)行計算，考慮中震彈性設(shè)計的最高影響系數(shù)，取αmax=0.12，并保留荷載分項系數(shù)與材料分項系數(shù)，但不需要考慮結(jié)構(gòu)抗震內(nèi)力的調(diào)整系數(shù)、增大系數(shù)，以及承載力的抗震調(diào)整系數(shù)γRE。在設(shè)計中震不屈服時，最大影響的系數(shù)依據(jù)中震進(jìn)行考慮，材料與荷載的分項系數(shù)為1.0，鋼筋與混凝土使用強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

最終的計算結(jié)果顯示，在中震下建筑的框架柱符合彈性，剪力墻受剪承載力也符合基本的彈性，剪力墻的受彎承載力也達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，而在中部的一部分剪力墻連梁出現(xiàn)超筋的情況。

3.3 結(jié)構(gòu)彈性時程的分析

對小震的反應(yīng)譜法結(jié)果進(jìn)行核對，對比其和SATWE彈性的分析結(jié)果。依據(jù)Ⅱ類場地波庫采用天然波TH2TG035、TH3TG035和人工波RHITG035開展彈性時程的對比分析，最終的分析顯示，時程的分析結(jié)構(gòu)底部的剪力平均≥反應(yīng)譜法的80%，并且在地震波下的結(jié)構(gòu)底部，其剪力≥反應(yīng)譜法的65%，完全符合標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

3.4 結(jié)構(gòu)靜力彈塑性的分析

使用Midas Building對靜力彈塑性進(jìn)行分析，于各框架梁的梁端和框架柱柱端設(shè)立框架鉸，于墻體設(shè)立墻鉸。以X方向、Y方向的地震層剪力來確定分布荷載為加載的模式，并將位移的增量當(dāng)作增量的控制，然后開始X方向、Y方向的靜力彈塑性分析。模擬建筑受力時，在靜力彈塑分析前考慮恒荷載與活荷載下初始內(nèi)力與變形，因此設(shè)定初始荷載為1.0×恒荷載值+0.5×活荷載值。據(jù)結(jié)果顯示，X方向、Y方向的能力譜和地震需求譜的曲線存在交點(diǎn)，進(jìn)一步證明建筑結(jié)構(gòu)具有一定的抗倒塌能力，完全能起到抵抗地震的作用，符合“大震不倒”標(biāo)準(zhǔn)。在大震下，X方向、Y方向產(chǎn)生的層間位移角最大分別為1/361、1/365，符合大震下的限值標(biāo)準(zhǔn)。另外，在X方向、Y方向的等效阻尼比分別為9.065%、2.11%。依據(jù)能力譜的最終結(jié)果，證明建筑結(jié)構(gòu)的性能在“小震不壞”與“大震不倒”間，但距“大震不倒”還存在一些富余，整體結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度方面處于上升段。

在建筑結(jié)構(gòu)的X方向，梁鉸的出現(xiàn)順序與部位如下：（1）當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)位移處在小震水平之前，大概67mm時，結(jié)構(gòu)保持彈性，未發(fā)現(xiàn)塑性鉸的出現(xiàn)。（2）當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)位移處在中震水平，大概192mm時，在建筑的第24～50層出現(xiàn)第一批塑性鉸，然后隨之出現(xiàn)更多的塑性鉸，出鉸單元比為0.8%。（3）當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)位移處在大震水平，大概371mm時，塑性鉸依據(jù)樓層進(jìn)行上下式的發(fā)展，并逐步連通全層，但是即使在大震水平，其出鉸單元比也較低，只有6.0%。

4 地基基礎(chǔ)

此次工程基礎(chǔ)設(shè)計的等級依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為甲級。根據(jù)現(xiàn)場的實地勘查報告，顯示現(xiàn)場地勢比較平坦，標(biāo)高在46.3～47.8m，現(xiàn)場的土層由上至下依次為3～6m的雜填土層、2.1～2.2m的淤泥質(zhì)土層、0.9～2.2m的沖積土層、1.5～5.5m的洪積土層、0.4～6.1m的殘積粉質(zhì)黏土層、0.6～8.6m的強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層、22.7m的中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層，在鉆孔的有效深度內(nèi)未出現(xiàn)斷裂構(gòu)造和新構(gòu)造，并且擬建現(xiàn)場并無對建筑穩(wěn)定造成影響的不良地質(zhì)。

在該建筑的場地范圍，中風(fēng)化的泥砂礫巖層能夠設(shè)計成樁端的持力層，該層的埋深在18～21m，由于該建筑地下一共4層，在經(jīng)過全面綜合性的分析后決定使用人工挖孔灌注的基礎(chǔ)樁，并確定樁端的持力層為中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，框架柱下為一柱一樁，剪力墻與筒體則使用多樁的聯(lián)合承臺方案。

該工程的高層與地下的荷載存在較大的差別，但持力層是中風(fēng)化的泥砂礫巖，并且實際的計算結(jié)果顯示兩者沉降的變形差較小，在主體施工時利用設(shè)立后澆帶來降低變形差，確保能夠達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，且該建筑不設(shè)置沉降縫。

5 結(jié)束語

此次設(shè)計的建筑為B類高層建筑，考慮到偶然偏心的作用，故在設(shè)計時使用基于性能的設(shè)計方案，這樣可以進(jìn)一步確保結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，然后對建筑結(jié)構(gòu)開展多模型和多軟件的分析。最后結(jié)果表明，建筑結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載和小震以及中震和大震下完全符合設(shè)計的預(yù)期，并且滿足各項標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。