低烈度區(qū)風(fēng)控超限高層結(jié)構(gòu)分析

鮑侃袁， 倪聞昊

（杭州園林設(shè)計(jì)院股份有限公司，杭州 310007）

0 引言

我國(guó)目前抗震分析主要基于小震分析，即使大震動(dòng)力彈塑性分析也是按小震彈性分析計(jì)算結(jié)果作為配筋，提供罕遇地震下動(dòng)力彈塑性分析模型的數(shù)據(jù)來(lái)源，研究在罕遇地震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)、抗震性能、薄弱部位，對(duì)結(jié)構(gòu)是否滿足預(yù)期性能目標(biāo)進(jìn)行了復(fù)核驗(yàn)算和薄弱環(huán)節(jié)加強(qiáng)［1］。過(guò)去對(duì)基于小震設(shè)計(jì)相對(duì)于國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)配筋量明顯偏低，為了實(shí)現(xiàn)兩階段三水準(zhǔn)抗震設(shè)計(jì)方法［2］，實(shí)際上我們通過(guò)一系列的抗震調(diào)整及構(gòu)造措施來(lái)保證。低烈度區(qū)按小震設(shè)計(jì)往往可以基本保證大震不倒，有觀點(diǎn)認(rèn)為無(wú)需進(jìn)行超限分析和大震彈塑性分析，但結(jié)構(gòu)可能具有明顯的損傷，影響后續(xù)功能發(fā)揮。從小震分析到性能化設(shè)計(jì)的要求不是簡(jiǎn)單的提高和放大，而正是側(cè)重概念設(shè)計(jì)［3］。在實(shí)際地震下，找出結(jié)構(gòu)薄弱部位，對(duì)于不可避免的出現(xiàn)損傷和破壞將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度不均勻變化，發(fā)生內(nèi)力重分布。眾所周知小震設(shè)計(jì)基于彈性無(wú)法考察彈塑性狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的反應(yīng)特性，因此低烈度區(qū)的超限高層對(duì)于剛度的控制因素也許在于風(fēng)荷載，然而性能化設(shè)計(jì)也是一項(xiàng)不可缺少的工作［4］。針對(duì)在預(yù)期性能目標(biāo)下結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)滿足的宏觀損傷程度，對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行詳細(xì)的復(fù)核，通過(guò)合理的加強(qiáng)措施滿足性能目標(biāo)的要求。另一方面低烈度區(qū)超限高層在滿足抗震性能化指標(biāo)后，風(fēng)荷載成為結(jié)構(gòu)合理性布置的另一個(gè)重要因素。風(fēng)荷載屬于頻遇荷載，結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)。對(duì)于高寬比較大的結(jié)構(gòu)，位移角受風(fēng)荷載的控制［5］，尤其是橫風(fēng)向的影響尤為突出。文中以某沿海低烈度地區(qū)超限高層結(jié)構(gòu)為例，分析此結(jié)構(gòu)在各水準(zhǔn)烈度下的抗震性能及順風(fēng)向和橫風(fēng)向下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)特性，總結(jié)得出在地震工況結(jié)構(gòu)損傷并不嚴(yán)重的情況下，由風(fēng)荷載控制的設(shè)計(jì)方法。

1 工程概況

文中分析的某工程位于沿海地區(qū)，抗震設(shè)防類別為丙類。建筑高度147.92m（幕墻高度153.9m），43層，首層架空層高6.0m，采用鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)豎向抗側(cè)力構(gòu)件均上、下連續(xù)貫通，樓蓋采用現(xiàn)澆混凝土梁板結(jié)構(gòu)，洞口上下對(duì)齊，形成明確的墻肢和連梁，確保剪力墻具有適宜的側(cè)向剛度抵抗水平荷載。

工程抗震設(shè)防烈度6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度峰值0.05g，建筑場(chǎng)地類別Ⅲ類場(chǎng)地，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，多遇地震時(shí)特征周期0.45S。圖1給出了此樓標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置圖。在多遇地震、設(shè)防烈度地震和罕遇地震下分別選用1、4、5的性能水準(zhǔn)，并保證關(guān)鍵構(gòu)件在大震下不應(yīng)屈服。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面

風(fēng)荷載按B類地面粗糙度選取，基本風(fēng)壓0.45kN/m2［6］，高寬比約8.2。屬于對(duì)橫風(fēng)向風(fēng)振作用效應(yīng)明顯的結(jié)構(gòu)，所以計(jì)算時(shí)考慮結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向風(fēng)振影響的影響［7］。承載力設(shè)計(jì)時(shí)風(fēng)壓按基本風(fēng)壓的1.1倍選取。

2 抗震分析

結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下具有良好的抗震性能。設(shè)防烈度下的中震分析，計(jì)算地震作用時(shí)不考慮與抗震等級(jí)有關(guān)的增大系數(shù)。中震等效彈性法結(jié)構(gòu)層間位移角能夠滿足規(guī)范要求。關(guān)鍵構(gòu)件的抗震承載力滿足不屈服，普通豎向構(gòu)件抗剪滿足最小抗剪截面要求，耗能構(gòu)件大部分允許屈服。結(jié)構(gòu)中震分析的結(jié)構(gòu)整體計(jì)算結(jié)果滿足所提出的抗震性能目標(biāo)。罕遇地震下的分析，結(jié)構(gòu)彈塑性分析可根據(jù)性能目標(biāo)所預(yù)期的結(jié)構(gòu)彈塑性狀態(tài)。允許連梁發(fā)生較大程度的破壞，連梁剛度折減取0.5［8］。大震等效彈性法計(jì)算所得的層間位移角能滿足小于1/111震性能目標(biāo)。罕遇地震動(dòng)力彈塑性分析的目的是針對(duì)結(jié)構(gòu)薄弱部位和薄弱構(gòu)件提出相應(yīng)的加強(qiáng)措施。工程的天然波采用了兩組實(shí)際強(qiáng)震記錄的加速度時(shí)程曲線，采用《抗規(guī)》3.10.4條建議辦法計(jì)算調(diào)整后的彈塑性時(shí)程層間位移角，彈塑性層間位移角參考值滿足預(yù)期性能目標(biāo)位移角限值1/111的要求。

根據(jù)SSG計(jì)算結(jié)果判斷，給出彈性時(shí)程與彈塑性時(shí)程分析下的基底剪力時(shí)程曲線以及頂層位移時(shí)程曲線。選取一個(gè)節(jié)點(diǎn)的彈塑性動(dòng)力時(shí)程結(jié)果與彈性動(dòng)力時(shí)程結(jié)果對(duì)比。

在開(kāi)始段彈性時(shí)程分析的基底剪力與彈塑性時(shí)程分析的基底剪力基本一致，曲線基本重合，隨著地震能量的輸入結(jié)構(gòu)中有構(gòu)件進(jìn)入屈服，結(jié)構(gòu)阻尼增大，周期變長(zhǎng)，彈塑性時(shí)程分析剪力逐漸小于彈性時(shí)程分析的剪力，并且彈塑性時(shí)程分析剪力大小變化開(kāi)始滯后于彈性時(shí)程分析結(jié)果［9］，但后期彈性和彈塑性的基底剪力相差并不明顯，可見(jiàn)結(jié)構(gòu)損傷并不嚴(yán)重。

由圖2可知，在開(kāi)始段彈性時(shí)程分析的層間位移以及位移與彈塑性時(shí)程分析的層間位移以及位移基本一致，曲線基本重合，但隨著結(jié)構(gòu)中有構(gòu)件進(jìn)入塑性，兩者的層位移及位移時(shí)程曲線差異逐漸增大，但是結(jié)構(gòu)的振動(dòng)周期基本與彈性時(shí)程分析持平，意味著結(jié)構(gòu)的水平抗側(cè)力剛度退化的比例很小。在考慮重力二階效應(yīng)及大變形的條件下，在罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)最大頂點(diǎn)位移X向?yàn)?.326m、Y向?yàn)?.498m，結(jié)構(gòu)最終仍能保持直立，滿足“大震不倒”的設(shè)防要求。主體結(jié)構(gòu)在地震波作用下的最大彈塑性層間位移角參考值X向?yàn)?/290、Y向?yàn)?/204，滿足1/111限值要求。結(jié)構(gòu)的彈塑性層間位移角曲線總體較光滑；從天然波Y主方向作用下的基底剪力及位移時(shí)程曲線對(duì)比，也表明結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性不明顯，結(jié)構(gòu)大部分構(gòu)件仍處于彈性狀態(tài)，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)在彈塑性下有一定的反應(yīng)滯后現(xiàn)象。

圖2 頂點(diǎn)Y向位移時(shí)程曲線

在彈塑性分析模型中，通過(guò)對(duì)圖3剪力墻受壓損傷圖和剪力墻性能水準(zhǔn)圖的損傷情況分析得出：

圖3 剪力墻、柱全樓性能水準(zhǔn)圖（南）

（1） 由于設(shè)置合理的剪力墻開(kāi)洞形成連梁，連梁在大震下?lián)p傷耗能效果明顯，從而保護(hù)了主承重墻肢，大部分剪力墻未出現(xiàn)明顯的損傷。剪力墻和柱在大震下并未發(fā)生塑性變形，部分豎向構(gòu)件出現(xiàn)輕微損壞，極個(gè)別豎向構(gòu)件出現(xiàn)輕度損壞。

（2） 從圖4可知底部加強(qiáng)區(qū)墻肢大部分無(wú)損壞，部分小墻肢出現(xiàn)輕微損壞，有極個(gè)別豎向構(gòu)件出現(xiàn)輕度損壞。

圖4 剪力墻性能水準(zhǔn)圖（底部加強(qiáng)部位南視圖）

（3） 非底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻大部分無(wú)損壞，部分小墻肢出現(xiàn)輕微損壞，有極個(gè)別的豎向構(gòu)件出現(xiàn)了輕度損壞。

（4） 混凝土墻鋼筋均無(wú)塑性應(yīng)變。對(duì)破壞較嚴(yán)重的連梁，在采用等效彈性模型進(jìn)行施工圖設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)其剛度系數(shù)進(jìn)行合適的折減?？梢?jiàn)剪力墻、框架柱及梁、柱均未出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p傷，可以滿足整體結(jié)構(gòu)大震下性能水準(zhǔn)5。

3 風(fēng)荷載作用分析

工程風(fēng)荷載分析設(shè)計(jì)中，工程計(jì)算位移角時(shí)X向順風(fēng)向干擾系數(shù)取1.05，Y向順風(fēng)向干擾系數(shù)取1.05；考慮由于漩渦的相互干擾，房屋某些部位的局部風(fēng)壓顯著增大，工程在建筑承載力設(shè)計(jì)時(shí)基本風(fēng)壓放大1.1倍的基礎(chǔ)上再放大1.1/1.05倍［10］。橫風(fēng)向干擾系數(shù)X、Y向均取1.2。考慮干擾系數(shù)后［11］，順風(fēng)向X向體型系數(shù)取為1.52×1.05=1.60，Y向體型系數(shù)取為1.44×1.05=1.51；結(jié)構(gòu)第一階自振周期為4.26s，第二階自振周期為4.09s?；卮哉裰芷诤?，橫風(fēng)向最大位移角為1/769，超出了規(guī)范限制。此超高層地震作用下能滿足抗震性能的目標(biāo)，局部調(diào)整墻肢及進(jìn)行相應(yīng)的周期回代還是無(wú)法滿足橫風(fēng)向下的位移限值要求［12］。

規(guī)范對(duì)于高寬比在4～8之間，給出了相應(yīng)的計(jì)算橫風(fēng)向等效荷載的計(jì)算公式，對(duì)于項(xiàng)目高寬比大于8的情況，廣義力功率譜與高寬比的關(guān)系曲線不再單調(diào)，因此對(duì)于超過(guò)規(guī)范高寬比限值的結(jié)構(gòu)，采用規(guī)范提供的橫風(fēng)向風(fēng)振的計(jì)算方法值得驗(yàn)證，為了能夠準(zhǔn)確計(jì)算橫風(fēng)向風(fēng)振對(duì)于結(jié)構(gòu)的影響，應(yīng)采用風(fēng)洞試驗(yàn)的實(shí)際數(shù)據(jù)，而不能夠采用規(guī)范的簡(jiǎn)化公式。

然而對(duì)于在一定高寬比下落入了相應(yīng)自振周期下的橫風(fēng)向敏感區(qū)域的結(jié)構(gòu)，是否必須采用風(fēng)洞試驗(yàn)考察橫風(fēng)向影響？事實(shí)上計(jì)算橫風(fēng)向風(fēng)荷載下的自振周期，也可以考慮填充墻影響的周期折減，這樣橫風(fēng)向風(fēng)荷載的計(jì)算跳出了相應(yīng)自振周期的敏感區(qū)域，大大減少橫風(fēng)向效應(yīng)［13］。

在順風(fēng)向風(fēng)荷載作用下，項(xiàng)目樓層頂部Y向最大位移為112.27mm，約等于總高度的1/1229；如圖5所示，在X向橫風(fēng)向風(fēng)荷載作用下，樓層頂部Y向最大位移為144.38mm，約等于總高度的1/955。

圖5 橫風(fēng)向最大層間位移角

對(duì)于超高層建筑必要時(shí)進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，以實(shí)際反映風(fēng)荷載的分布及周邊建筑的影響。對(duì)于橫風(fēng)向及順風(fēng)向的體型系數(shù)有較準(zhǔn)確的模擬。風(fēng)洞風(fēng)傾覆彎矩不小于規(guī)范風(fēng)的80%，以保證風(fēng)洞風(fēng)數(shù)據(jù)的合理性。風(fēng)洞風(fēng)荷載下位移角要與規(guī)范風(fēng)荷載對(duì)比，但某些構(gòu)件的應(yīng)力比可能要高于規(guī)范風(fēng)荷載。

因此綜合結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性，后續(xù)分析設(shè)計(jì)按規(guī)范風(fēng)荷載和風(fēng)洞風(fēng)荷載進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)，位移角及舒適度計(jì)算采用規(guī)范風(fēng)荷載值，采用規(guī)范風(fēng)荷載計(jì)算時(shí)可以不考慮橫風(fēng)向風(fēng)荷載和扭轉(zhuǎn)風(fēng)荷載。

4 結(jié)語(yǔ)

文中對(duì)低烈度區(qū)的超限高層進(jìn)行了的抗震性能化設(shè)計(jì)分析，通過(guò)預(yù)設(shè)的性能目標(biāo)合理優(yōu)化布置結(jié)構(gòu)，分析結(jié)構(gòu)中大震下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)，彈性和彈塑性的基底剪力相差并不明顯，選取節(jié)點(diǎn)的位移時(shí)程曲線滯后不多，可見(jiàn)結(jié)構(gòu)損傷并不嚴(yán)重。然而結(jié)構(gòu)的高寬比較大，自振周期落入橫風(fēng)向敏感區(qū)域，并且結(jié)構(gòu)的特定體型不適合規(guī)范所提供的橫風(fēng)向計(jì)算方法，通過(guò)合理的周期折減，重新計(jì)算橫風(fēng)向作用，使得結(jié)構(gòu)在滿足抗震性能要求下，結(jié)構(gòu)的自振往往可以跳出橫風(fēng)向明感區(qū)域，同時(shí)滿足風(fēng)荷載下的位移限值。因此可以得出如下結(jié)論：

（1） 低烈度區(qū)超高層對(duì)于抗震性能性能化分析及橫順風(fēng)荷載反應(yīng)分析都是必要的。

（2） 低烈度區(qū)結(jié)構(gòu)即使在大震下結(jié)構(gòu)損傷也不明顯。

（3） 層間位移角往往由風(fēng)荷載控制，橫風(fēng)向響應(yīng)的計(jì)算不能簡(jiǎn)單地套用規(guī)范公式，必要時(shí)采用風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證高寬比與其廣義力功率譜的關(guān)系，也可以試圖采用周期折減等方法，避開(kāi)橫風(fēng)向敏感的區(qū)段，從而簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)程序。