超高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計(jì)研究

王 旭

（中鐵房地產(chǎn)集團(tuán)北方有限公司 北京 100066）

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和土地資源的緊缺，在人口密集型城市建設(shè)超高層結(jié)構(gòu)具有可行性和必要性[1]。保證超高層結(jié)構(gòu)的抗震性能安全尤為重要。本文通過(guò)超高層工程實(shí)例，結(jié)合基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及抗震性能分析，在超高且存在平面及豎向不規(guī)則情況下提出適宜的結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2 項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目位于重慶市北濱路，總建筑面積約為27.7萬(wàn)m2，其中5＃公寓樓為本次重點(diǎn)研究超高層建筑。建筑結(jié)構(gòu)高度145.75 m，地上三十七層，在11層和25層處設(shè)兩個(gè)避難層；因建筑功能需要，在35層和36層處單獨(dú)設(shè)置兩個(gè)設(shè)備夾層；地下室三層。5＃公寓樓立面效果如圖1所示。

圖1 5＃公寓立面效果圖

（1）主體概況

本建筑采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)，B級(jí)高度，水平荷載和地震作用為設(shè)計(jì)主要控制因素。由于建筑需要提高客廳及臥室的通透感，建筑物角部不允許設(shè)置結(jié)構(gòu)柱。標(biāo)準(zhǔn)層建筑平面布置如圖2所示。結(jié)構(gòu)布置在滿足建筑使用功能的同時(shí)，盡量做到簡(jiǎn)單規(guī)則、受力明確、經(jīng)濟(jì)合理，剪力墻盡量布置在樓電梯間及建筑周邊，如圖3所示。結(jié)構(gòu)的X向?qū)挾葹?8.4 m，Y向?qū)挾葹?4.4 m；X向高寬比5.13，Y向高寬比5.97。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)層建筑平面布置

圖3 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置

（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要參數(shù)

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010）（2016年版）和《建筑抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》等國(guó)家現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所采用的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，抗震設(shè)防烈度6度，地震動(dòng)峰值加速度0.05 g，設(shè)計(jì)地震分組第一組，場(chǎng)地類別Ⅲ類，屬抗震不利地段，特征周期0.45 s，彈性分析阻尼比0.05?？蚣芗凹袅拐鸬燃?jí)為二級(jí)，抗震設(shè)防類別為丙類。風(fēng)荷載作用下層間位移角限值1／800，多遇地震作用下層間位移角限值1／800，罕遇地震作用下層間位移角限值1／100。

（3）荷載作用

本工程多遇地震、設(shè)防地震、罕遇地震的地震動(dòng)參數(shù)均按規(guī)范建議值采用?；撅L(fēng)壓0.44 kN／m2。

3 超限情況

（1）超限判別

本建筑在偶然偏心的規(guī)定水平力作用下，層間位移比為1.22，大于1.2，判定本工程為扭轉(zhuǎn)不規(guī)則；38層因建筑功能所需，客廳區(qū)域?yàn)閮蓪犹艨眨瑢?dǎo)致有效樓板寬度小于50%，造成樓板局部不連續(xù)；避難層11層、25層因建筑功能所需，存在穿層柱，造成局部不規(guī)則。

（2）超限措施

根據(jù)以上超規(guī)超限等復(fù)雜情況，綜合考慮類似工程中的相關(guān)資料[1－2]，采取加強(qiáng)剪力墻及底部加強(qiáng)區(qū)框架柱、加強(qiáng)穿層柱、加厚不連續(xù)樓板且增強(qiáng)配筋等措施。

4 抗震性能目標(biāo)

本工程抗震設(shè)計(jì)在滿足國(guó)家、地方規(guī)范外，根據(jù)性能化抗震設(shè)計(jì)的概念進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)《建筑工程抗震性態(tài)設(shè)計(jì)通則》和《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3—2010）第3.11.1條文說(shuō)明進(jìn)行抗震性能評(píng)估，并同時(shí)綜合考慮抗震設(shè)防類別、設(shè)防烈度、場(chǎng)地條件、結(jié)構(gòu)特殊性、建造費(fèi)用、震后損失和修復(fù)難易程度等因素[3－4]。

鑒于擬建建筑為B級(jí)高度建筑，同時(shí)結(jié)構(gòu)較為規(guī)則，因此其抗震性能目標(biāo)選用D級(jí)。根據(jù)D級(jí)性能目標(biāo)要求，結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件性能目標(biāo)如表1所示。

表1 抗震性能目標(biāo)

5 多遇地震計(jì)算分析

多遇地震計(jì)算采用振型分解反應(yīng)譜法，不是本文研究重點(diǎn)，只做簡(jiǎn)要說(shuō)明。本工程采用盈建科和ETABS兩種分析軟件計(jì)算多遇地震作用，結(jié)果互為校核?？紤]偶然偏心及雙向地震作用，CQC法進(jìn)行振型組合，兩者計(jì)算結(jié)果較為接近，分布規(guī)律相同。第一振型與第二振型為平動(dòng)，且周期較為接近，約為4.5 s；第三振型為扭轉(zhuǎn)振型。各計(jì)算結(jié)果數(shù)值上滿足規(guī)范要求，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)的合理性和正確性[5－7]。

6 設(shè)防地震計(jì)算分析

采用盈建科軟件對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件，如底部加強(qiáng)區(qū)及其上一層剪力墻、避難層穿層墻驗(yàn)算中震抗剪承載力彈性及正截面承載力不屈服的性能目標(biāo)。

（1）中震等效彈性層間位移角驗(yàn)算

中震等效彈性計(jì)算的層間位移角X方向?yàn)?／600，Y 方向?yàn)?1／621。計(jì)算結(jié)果表明，中震條件下結(jié)構(gòu)的最大層間位移角滿足1／200的規(guī)范限值要求。

（2）中震彈性構(gòu)件性能目標(biāo)驗(yàn)算

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第三章相關(guān)規(guī)定，采用等效彈性方法對(duì)構(gòu)件的性能目標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)算。底部加強(qiáng)區(qū)（以層高最大的1層為例）和11層避難層關(guān)鍵構(gòu)件中震等效彈性分析計(jì)算結(jié)果如圖4、圖5所示。其計(jì)算結(jié)果表明關(guān)鍵結(jié)構(gòu)構(gòu)件能夠滿足性能水準(zhǔn)要求。

圖4 底部加強(qiáng)區(qū)（1層）關(guān)鍵構(gòu)件中震性能目標(biāo)計(jì)算結(jié)果

圖5 避難層11層關(guān)鍵構(gòu)件中震性能目標(biāo)計(jì)算結(jié)果

7 罕遇地震計(jì)算分析

（1）罕遇地震等效彈性層間位移角及整體穩(wěn)定驗(yàn)算

大震等效彈性計(jì)算的層間位移角X方向?yàn)?／250（20 層），Y 方向?yàn)?1／239（19 層）。計(jì)算結(jié)果表明，大震下結(jié)構(gòu)的最大層間位移角滿足不大于1 ／100的規(guī)范限值要求[8－10]。

大震等效彈性計(jì)算的抗傾覆穩(wěn)定結(jié)果如表2所示。

表2 大震等效彈性計(jì)算的抗傾覆穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

可見，結(jié)構(gòu)大震下的整體穩(wěn)定滿足要求，且?guī)缀鯚o(wú)零應(yīng)力區(qū)。

（2）罕遇地震不屈服目標(biāo)驗(yàn)算

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第三章相關(guān)規(guī)定，采用等效彈性方法對(duì)構(gòu)件的性能目標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)算。底部加強(qiáng)區(qū)（以層高最大的1層為例）和11層避難層剪力墻的大震等效彈性分析計(jì)算結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 底部加強(qiáng)區(qū)（1F）關(guān)鍵構(gòu)件大震性能目標(biāo)計(jì)算結(jié)果

圖7 避難層11層關(guān)鍵構(gòu)件大震性能目標(biāo)計(jì)算結(jié)果

由關(guān)鍵構(gòu)件按大震不屈服計(jì)算的配筋結(jié)果可知，大部分墻體水平鋼筋為構(gòu)造配筋。一層樓電梯間區(qū)域的剪力墻豎向鋼筋計(jì)算結(jié)果較大。經(jīng)查看構(gòu)件信息發(fā)現(xiàn)該部位墻肢受拉，施工圖設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)其邊緣構(gòu)件縱筋和墻身豎向分布筋進(jìn)行加強(qiáng)。

（3）罕遇地震作用下動(dòng)力彈塑性分析

計(jì)算結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)，研究結(jié)構(gòu)在強(qiáng)烈地震作用下的變形形態(tài)、構(gòu)件的塑性及損傷情況，以及整體結(jié)構(gòu)的彈塑性行為。

按照規(guī)范要求從太平洋工程地震研究中心（PEER）的地震波庫(kù)中選取5組天然波及YJK軟件生成的2組人工波，并按最大基底剪力的原則選出反應(yīng)最大的2組天然波和1組人工波進(jìn)行大震彈塑性計(jì)算。

本工程選用天然波 1（Iwate＿Japan＿NO5619）和天然波 2（Chuetsu-oki＿Japan＿NO4855）及人工波 1，采用PKPM-SAUSAGE軟件進(jìn)行罕遇地震作用下的彈塑性時(shí)程分析，峰值加速度取規(guī)范值144 cm／s2。各組地震波均按地震主方向?yàn)閄向和Y向分別進(jìn)行加載，主方向與次方向的加速度峰值比值為1∶0.85。

結(jié)構(gòu)在3條地震波作用下的彈塑性分析整體計(jì)算結(jié)果見表3～表5。

表3 YJK模型與SAUSAGE模型周期與質(zhì)量對(duì)比

可見兩軟件計(jì)算結(jié)果中周期比較接近，就總質(zhì)量而言，YJK模型不包括鋼筋質(zhì)量，而SAUSAGE模型包括，故SAUSAGE模型總質(zhì)量大于YJK模型。

表4 各組地震波作用下結(jié)構(gòu)最大頂點(diǎn)位移及最大層間位移角

為判斷模型的合理性，列出YJK模型與SAUSAGE模型周期與質(zhì)量對(duì)比，見表3。

由表4可知，各條波X向及Y向?qū)娱g位移角均滿足規(guī)范1／100的彈塑性層間位移角限值要求。

表5 結(jié)構(gòu)大震彈塑性與彈性最大基底剪力

由表5可知，罕遇地震作用下的結(jié)構(gòu)基底剪力與小震CQC的比值約為5.48～6.59，說(shuō)明6度區(qū)框剪結(jié)構(gòu)有良好的抗震性能，結(jié)構(gòu)部分進(jìn)入彈塑性階段。

由剪力墻和框架在大震下的損傷性能指標(biāo)可以看出，剪力墻的中重度損傷主要集中在連梁位置。少部分墻肢出現(xiàn)輕度損傷，主要分布于結(jié)構(gòu)中部的水平墻肢上。框架大部分構(gòu)件出現(xiàn)輕微、輕度損傷，中部部分框架梁出現(xiàn)中度損傷?？偠灾?，結(jié)構(gòu)損傷主要集中在連梁和框架上，說(shuō)明連梁和框架起到耗能作用[11－12]。

在考慮重力二階效應(yīng)及大變形條件下，結(jié)構(gòu)在地震作用下的X、Y向最大頂點(diǎn)位移分別為606.4 mm、626.2 mm，滿足“大震不倒”的設(shè)防要求；主體結(jié)構(gòu)在各組地震波作用下X、Y向最大彈塑性層間位移角分別為 1／183、1／180，滿足規(guī)范彈塑性層間位移角限值（1／100）要求。剪力墻損傷主要集中在底部加強(qiáng)區(qū)墻肢處，可采取提高邊緣構(gòu)件縱筋、箍筋及墻身分布筋配筋率的措施進(jìn)行加強(qiáng)，以提高其抗變形能力和抗震性能。通過(guò)大震彈塑性分析及采取的相應(yīng)措施，認(rèn)為結(jié)構(gòu)能滿足大震抗震性能要求。

8 結(jié)論

本建筑在設(shè)防烈度6度區(qū)，抗震不利地段，為B級(jí)高度且存在三項(xiàng)不規(guī)則的框架剪力墻結(jié)構(gòu)。通過(guò)采取合理的結(jié)構(gòu)布置、采用多力學(xué)模型對(duì)比分析、考慮適量的地震力放大系數(shù)等方式，嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)規(guī)范要求，可以保證結(jié)構(gòu)的彈性分析滿足規(guī)范要求。通過(guò)對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件采取必要的加強(qiáng)措施，并經(jīng)軟件計(jì)算分析，可以滿足結(jié)構(gòu)在設(shè)防地震和罕遇地震下性能設(shè)計(jì)目標(biāo)D級(jí)的要求。