某超限高層建筑的抗震性能化設(shè)計(jì)

申士軍

摘要：本文主要介紹某超限高層建筑的抗震性能化設(shè)計(jì)。根據(jù)工程實(shí)際情況，選取合適的性能化目標(biāo)并進(jìn)行計(jì)算分析。通過(guò)分析，本工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)可滿足抗震性能目標(biāo)及規(guī)范要求，為類似項(xiàng)目的設(shè)計(jì)工作提供參考。

關(guān)鍵詞：超限高層;抗震;性能化設(shè)計(jì)

1、工程概況

本工程功能為辦公樓。塔樓結(jié)構(gòu)總高度142.7米，地下2層，地上37層。2層以下為商業(yè)區(qū)，3～13層為辦公標(biāo)準(zhǔn)層，14層為避難層，15～26層為辦公標(biāo)準(zhǔn)層，27層為第二避難層層，28～37層為辦公標(biāo)準(zhǔn)層，屋面以上為機(jī)房層。

2、設(shè)計(jì)條件

標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防，7度，0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，建筑場(chǎng)地類別為Ⅲ～Ⅳ類，水平地震影響系數(shù)最大值為0.08，差值法確定特征周期值為0.50s。

3、上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用現(xiàn)澆混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系。標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)布置如圖1。

4、結(jié)構(gòu)超限類別及程度

本工程存在以下方面的結(jié)構(gòu)不規(guī)則內(nèi)容：1）結(jié)構(gòu)大屋面高度超過(guò)A級(jí)高度鋼筋混凝土高層建筑的最大適用高度，高度超限。2）在考慮偶然偏心的規(guī)定水平地震力作用下，樓層豎向構(gòu)件的最大水平位移和層間位移，B級(jí)高度高層建筑不宜大于該層平均值的1.2，不應(yīng)大于該層平均值的1.4倍，屬平面不規(guī)則的類型。3）1～2層偏心率大于0.15， 偏心布置，與2）條合計(jì)為一條不規(guī)則。4）首層有2根穿層柱。

5、“基于性能的抗震設(shè)計(jì)”分析及設(shè)計(jì)

本工程為B級(jí)高度的高層建筑，一般不規(guī)則類型為2項(xiàng)，屬于超限結(jié)構(gòu)。為保證設(shè)計(jì)安全經(jīng)濟(jì)，除按照規(guī)范規(guī)定的要求及目標(biāo)進(jìn)行計(jì)算和設(shè)計(jì)外，還應(yīng)采取結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計(jì)的方法。

5.1構(gòu)件的性能設(shè)計(jì)目標(biāo)

按《高規(guī)》[1]第3.11節(jié)進(jìn)行性能設(shè)計(jì)，考慮抗震設(shè)防類別、設(shè)防烈度、場(chǎng)地條件、結(jié)構(gòu)的特殊性、建造費(fèi)用、震后損失和修復(fù)難易程度等各項(xiàng)因素，確定結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)為C級(jí)。在多遇地震下，按性能水準(zhǔn)1進(jìn)行設(shè)計(jì);在設(shè)防烈度地震下，按性能水準(zhǔn)3進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中底部加強(qiáng)部位的剪力墻、邊框柱受剪承載力提高至中震彈性進(jìn)行設(shè)計(jì);在預(yù)估的罕遇地震下，按性能水準(zhǔn)5進(jìn)行設(shè)計(jì)，其底部加強(qiáng)部位的剪力墻、邊框柱應(yīng)滿足及普通豎向構(gòu)件均應(yīng)滿足最小抗剪截面要求。

在設(shè)防烈度地震下，關(guān)鍵構(gòu)件的抗震正截面承載力應(yīng)符合《高規(guī)》式（3.11.3-2）的規(guī)定。

（按中震不屈服設(shè)計(jì)）

在設(shè)防烈度地震下，關(guān)鍵構(gòu)件、普通豎向構(gòu)件抗震受剪承載力應(yīng)符合《高規(guī)》式（3.11.3-1）的規(guī)定。

（受剪承載力按中震彈性設(shè)計(jì)）

在設(shè)防烈度地震作用下，部分耗能構(gòu)件抗彎進(jìn)入屈服，抗震受剪承載力應(yīng)符合《高規(guī)》式（3.11.3-2）;

（按中震不屈服設(shè)計(jì)）

在預(yù)估的罕遇地震作用下，關(guān)鍵構(gòu)件、普通豎向構(gòu)件以及耗能構(gòu)件的受剪截面應(yīng)符合《高規(guī)》式（3.11.3-4）;

（按大震不屈服最小截面設(shè)計(jì)）

從抗震安全性和經(jīng)濟(jì)合理兩方面權(quán)衡考慮，提出以下幾條性能目標(biāo)，具體詳見表5.1。

5.2穿層柱的設(shè)計(jì)

5.4.1 小震作用下兩種計(jì)算模型的包絡(luò)設(shè)計(jì)

根據(jù)規(guī)范要求，本工程在計(jì)算小震作用時(shí)分別采用了SATWE和MIDAS BUILDING兩種程序?qū)k公主樓進(jìn)行整體計(jì)算分析。對(duì)于穿層柱的構(gòu)件設(shè)計(jì)，其配筋值取兩種模型計(jì)算結(jié)果的包絡(luò)值進(jìn)行設(shè)計(jì)。

5.4.2 中震、大震下穿層柱的設(shè)計(jì)

普通框架柱應(yīng)滿足中震下抗彎不屈服、抗剪彈性，在大震作用下應(yīng)滿足最小抗剪截面的要求。因穿層柱在框架柱中情況特殊，且又位于結(jié)構(gòu)的底部加強(qiáng)區(qū)，應(yīng)對(duì)其提出更高的要求，其抗彎承載力、抗剪承載力應(yīng)滿足中震彈性、大震下不屈服。

6大震下靜力彈塑性分析（PUSHOVER）

為與“大震不倒”的第三水準(zhǔn)抗震設(shè)防目標(biāo)相對(duì)應(yīng)，本工程對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行了第二階段抗震設(shè)計(jì)，即罕遇地震作用下的結(jié)構(gòu)彈塑性變形驗(yàn)算。本工程采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院編制的EPDA&PUSH進(jìn)行分析。

通過(guò)X向、Y向推覆分析得到樓層層間位移角。在罕遇地震時(shí)，各樓層主要的層間位移角：X向倒三角加載方式下主要分布在1/105左右，X向矩形加載方式下主要分布在1/104左右;Y向倒三角加載方式下主要分布在1/100左右，Y向矩形加載方式下主要分布在1/103左右，均滿足規(guī)范1/100的限值要求。

另外進(jìn)行了推覆過(guò)程損傷分析。對(duì)應(yīng)多遇地震，結(jié)構(gòu)保持彈性，沒(méi)有出現(xiàn)塑性鉸。第一批少量的塑性鉸在總水平推覆力接近設(shè)防烈度地震的基底剪力時(shí)出現(xiàn)在底部加強(qiáng)區(qū)部位的連梁上;基底剪力達(dá)到設(shè)防烈度后，塑性鉸向上逐漸發(fā)展至其余各層連梁;隨著水平推覆力的不斷增大，底部加強(qiáng)區(qū)的部分剪力墻上開始出現(xiàn)受拉破壞，當(dāng)推覆力達(dá)到相當(dāng)于罕遇地震時(shí)，剪力墻出現(xiàn)受拉裂縫的范圍出現(xiàn)在底部加強(qiáng)部位及結(jié)構(gòu)頂部的若干層。

上述塑性鉸的形成和發(fā)展過(guò)程說(shuō)明：連梁作為第一道抗震防線首先出現(xiàn)塑性鉸，消耗能量，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。隨著推覆荷載的增加，塑性鉸往上發(fā)展，剪力墻也開始開裂，整個(gè)推覆過(guò)程情況良好。在預(yù)估的罕遇地震時(shí)，其剪力墻連梁、墻肢組成的多道抗震防線能夠保持有效的協(xié)同工作，結(jié)構(gòu)有良好的抗震能力。

7、結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)本工程的超限情況，有針對(duì)性地提出了高于規(guī)范的設(shè)計(jì)要求，并提出性能化抗震設(shè)計(jì)指標(biāo)，對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行中震下復(fù)核，最后做了罕遇地震下的彈塑性分析。這些工作的目的在于保證結(jié)構(gòu)在高于設(shè)防烈度的地震作用下仍具有一定的安全性，并做到經(jīng)濟(jì)和合理。

參考文獻(xiàn)

[1]高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（JGJ3-2010）[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.