南京某超限高層結(jié)構(gòu)抗震分析

馬中華 付修兵 李 曜

(南京長江都市建筑設(shè)計(jì)股份有限公司，江蘇 南京 210002)

1 工程概況

本工程位于南京市建鄴區(qū)，為超高層辦公塔樓，地上33層，地下4層，建筑高度為145.8 m，結(jié)構(gòu)屋面高度為136.0 m，地上總建筑面積為5.7萬m2，1層商業(yè)配套層高為4.63 m，13層、24層避難層層高5.5 m，標(biāo)準(zhǔn)層層高4.0 m。本文針對(duì)該超高層辦公塔樓進(jìn)行抗震性能分析。建筑效果圖如圖1所示。

2 結(jié)構(gòu)超限分析

塔樓結(jié)構(gòu)高度136.0 m，采用混凝土框架—核心筒結(jié)構(gòu)體系，依據(jù)JGJ 3—2010高規(guī)大于A級(jí)高度限值130 m，小于B級(jí)高度限值180 m，屬于B級(jí)高度超限高層建筑。

塔樓底層大廳挑空，局部存在穿層柱，由于挑空導(dǎo)致2層樓板開洞面積大于30%，構(gòu)成樓板不連續(xù)，規(guī)定水平力作用下考慮偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比1.32>1.2，構(gòu)成扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。

綜上所述，該塔樓含三項(xiàng)不規(guī)則，屬于一般不規(guī)則的超限高層建筑，應(yīng)進(jìn)行超限高層建筑工程抗震專項(xiàng)設(shè)計(jì)。

3 結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)及性能設(shè)計(jì)方法

3.1 結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)的選取

針對(duì)超限情況，依據(jù)JGJ 3—2010高規(guī)和《超限高層建筑工程抗震設(shè)防審查技術(shù)要點(diǎn)》，該塔樓的整體抗震性能目標(biāo)定義為D級(jí)，不同部位結(jié)構(gòu)構(gòu)件的要求詳見表1。

表1 抗震性能目標(biāo)

3.2 設(shè)防地震作用下抗震設(shè)計(jì)

在設(shè)防地震不屈服工況下對(duì)墻體拉應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算，考慮偶偏、雙向地震作用，荷載組合系數(shù)、抗震調(diào)整系數(shù)均取1.0，不計(jì)風(fēng)荷載，材料強(qiáng)度取標(biāo)準(zhǔn)值。在上述工況下，統(tǒng)計(jì)底部四層墻肢拉應(yīng)力均小于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，可不設(shè)置型鋼柱，對(duì)于出現(xiàn)拉應(yīng)力的墻肢采取如下加強(qiáng)措施：按照特一級(jí)構(gòu)造且縱向鋼筋必須采用機(jī)械連接。

在設(shè)防地震彈性工況下設(shè)計(jì)底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻的水平鋼筋和外圍框架柱的箍筋，以滿足既定的性能目標(biāo)。

在設(shè)防地震不屈服工況下設(shè)計(jì)底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻和外圍框架柱的縱向鋼筋，并與小震彈性工況包絡(luò)設(shè)計(jì)，以滿足既定的性能目標(biāo)。

3.3 罕遇地震作用下抗震設(shè)計(jì)

在罕遇地震不屈服工況下驗(yàn)算底部墻肢、外圍框架柱的剪壓比，均小于0.15的限值，滿足JGJ 3—2010高規(guī)的規(guī)定，保證了剪力墻的延性，滿足既定的性能目標(biāo)。

4 計(jì)算分析

4.1 多遇地震作用下的反應(yīng)譜計(jì)算

本工程采用SATWE進(jìn)行多遇地震作用下的反應(yīng)譜計(jì)算，并采用ETABS進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算。結(jié)構(gòu)計(jì)算過程中，分別考慮雙向地震下的扭轉(zhuǎn)影響和單向地震下的偶然偏心影響，并補(bǔ)充30°，46°角方向進(jìn)行地震作用計(jì)算。周期折減系數(shù)0.85，計(jì)算振型數(shù)30，連梁剛度系數(shù)0.6(風(fēng)荷載工況取1.0)，考慮P—Δ效應(yīng)，主要計(jì)算結(jié)果見表2。

由表2可知，累計(jì)有效質(zhì)量參與系數(shù)達(dá)到90%以上，結(jié)構(gòu)前兩個(gè)振型為平動(dòng)，第三振型為扭轉(zhuǎn)，第一扭轉(zhuǎn)周期與第一平動(dòng)周期比值均小于0.85，地震作用、風(fēng)荷載作用下最大層間位移角均小于1/800，兩個(gè)模型分析結(jié)果相差在5%以內(nèi)，說明計(jì)算模型及結(jié)果合理、可靠。

表2 SATWE與ETABS計(jì)算結(jié)果對(duì)比

4.2 多遇地震作用下的彈性時(shí)程分析

本項(xiàng)目采用SATWE進(jìn)行了彈性時(shí)程分析，用以復(fù)核CQC的計(jì)算結(jié)果。在SATWE軟件波庫中選取出五組天然波及兩組人工波，見表3。表4給出了時(shí)程分析法計(jì)算出的底部剪力與振型反應(yīng)譜分析法計(jì)算出的底部剪力。個(gè)別樓層地震波產(chǎn)生的樓層剪力大于CQC的計(jì)算結(jié)果，需要按比例放大每個(gè)樓層的地震剪力，調(diào)整系數(shù)如表5所示。

表3 地震波選用表

表4 彈性時(shí)程分析計(jì)算結(jié)果

由表4可知，每條時(shí)程曲線計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力均不小于振型分解反應(yīng)譜法求得的底部剪力的65%，7條時(shí)程曲線計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值大于振型分解反應(yīng)譜法求得的底部剪力的80%，滿足規(guī)范對(duì)選波的要求。

由表5可知，樓層剪力放大系數(shù)最大值分別在27層、32層，按照上表調(diào)整系數(shù)，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行CQC補(bǔ)充分析。

表5 地震剪力放大系數(shù)

4.3 罕遇地震作用下的彈塑性時(shí)程分析

為研究罕遇地震下的結(jié)構(gòu)變形、構(gòu)件損傷等，對(duì)該塔樓在罕遇地震作用下進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力彈塑性分析。分析軟件采用SAUSAGE軟件。

根據(jù)JGJ 3—2010高規(guī)的規(guī)定，此次分析選取兩組天然波和一組人工波。地震波的反應(yīng)譜曲線與規(guī)范給出的主方向反應(yīng)譜曲線在結(jié)構(gòu)主要振型的周期點(diǎn)上相差不大于20%，滿足規(guī)范規(guī)定的“在統(tǒng)計(jì)意義上相符”的規(guī)定，地震波分組見表6。

表6 地震波分組

結(jié)構(gòu)在罕遇地震下動(dòng)力彈塑性分析的底部剪力與多遇地震(CQC法)彈性分析的底部剪力的對(duì)比見表7。由表7可知，大震彈塑性時(shí)程基底剪力為小震彈性基底剪力的3.1倍～3.7倍，地震作用效應(yīng)在合理的范圍內(nèi)，反映了大震彈塑性工況下結(jié)構(gòu)整體耗能能力較好。

表7 結(jié)構(gòu)最大基底剪力比較

結(jié)構(gòu)在罕遇地震下動(dòng)力彈塑性分析的結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)最大位移、最大層間位移角見表8。由表8可知，X向、Y向的最大層間位移角分別為1/154，1/181，均滿足規(guī)范限值(小于1/100)要求。

表8 結(jié)構(gòu)層間位移角及頂點(diǎn)最大位移

人工波RH04作用下，結(jié)構(gòu)底部剪力、層間位移角最大，以人工波RH04的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。底部加強(qiáng)區(qū)墻體在罕遇地震下性狀良好，破壞集中出現(xiàn)在連梁上，墻體損傷系數(shù)超過0.1的范圍僅出現(xiàn)在核心筒角部區(qū)域，且范圍較小，施工圖階段通過加大該處邊緣構(gòu)件配筋率進(jìn)行加強(qiáng)。底部加強(qiáng)區(qū)墻肢損傷情況見圖2。

框架柱的最大受壓損傷因子為0.07，屬于輕度損傷，基本處于彈性狀態(tài)，整體性能良好。

框架梁的最大受壓損傷因子為0.50，鋼筋塑性應(yīng)變最大為3.60e-3，損傷集中在梁與核心筒交接處及結(jié)構(gòu)平面角部，其他區(qū)域的框架梁損傷很小。

由于底層樓板開大洞，樓板受壓損傷主要集中在核心筒周邊及大洞口周邊位置，損傷情況不顯著，樓板內(nèi)鋼筋未屈服。

5 結(jié)語

綜上所述可以得到如下研究結(jié)論：

1)多遇地震作用下，主體結(jié)構(gòu)保持彈性，SATWE和ETABS兩個(gè)軟件計(jì)算的各項(xiàng)指標(biāo)差距在5%以內(nèi)且滿足規(guī)范要求。

2)罕遇地震作用下，X，Y方向?qū)娱g位移角均小于1/100，結(jié)構(gòu)始終保持直立。

3)結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到預(yù)期的抗震性能目標(biāo)。

4)結(jié)構(gòu)方案合理、可靠。本工程已于2018年6月通過超限高層建筑工程初步設(shè)計(jì)抗震設(shè)防審查。