探討某超限高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計

程勇

（貴陽市建筑設(shè)計院有限公司，貴州 貴陽 550004）

0 引言

在城市化建設(shè)持續(xù)推進(jìn)的背景下，各地高層建筑數(shù)量大幅增加，建筑豎向體型、平面布置的復(fù)雜程度也有所提高。對體型較為復(fù)雜的建筑而言，其所面臨主要問題便是由于平面不規(guī)側(cè)、構(gòu)件不對稱、質(zhì)量分布不均，致使結(jié)構(gòu)受力情況無據(jù)可循。要想保證建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)固安全，關(guān)鍵是要在前期設(shè)計階段，對結(jié)構(gòu)破壞形態(tài)以及薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，明確地震給建筑結(jié)構(gòu)所造成影響，為結(jié)構(gòu)可靠性提供保證。

1 項目概況

一般來說，層數(shù)達(dá)到10 層或以上的建筑屬于高層建筑，7 度抗震設(shè)防地區(qū)剪力墻結(jié)構(gòu)高度達(dá)到或超過120m 的高層建筑稱為超A 級高度建筑，需要進(jìn)行超限高層抗震專項審查。無論是對比普通多層建筑還是高層建筑，超限高層對技術(shù)質(zhì)量所提出要求均更為嚴(yán)格，要想使建筑結(jié)構(gòu)安全性更有保障，關(guān)鍵是要對其進(jìn)行抗震性能化設(shè)計。

某地擬建設(shè)一棟高層建筑，該建筑共有44 層，建筑高度為148.7m，1F 為商鋪，層高為6.6m，2F 和3F 的層高均為5m，4F 層高為6.6m，5F~44F 多為標(biāo)準(zhǔn)層高，即3m，其中，在13F 及28F 布設(shè)避難層，這兩層的高度為5m。塔樓的定位是住宅。-1F~-5F 的高度依次遞減，分別是5.5m、4.5m、4.5m、3.8m 和3m。其中，嵌固端取自-2F 頂板，其厚度為180mm，地下室頂板厚度為160mm。該建筑的總面積約為25700m2。

2 建筑結(jié)構(gòu)布置

2.1 確定嵌固端

該建筑地下部分共包括5 層，因負(fù)1F 層局部無側(cè)限，且無側(cè)限所占面積比超30%，所以計劃將-2F 樓板作為嵌固端，對地下室樓層采用等效剪切剛度進(jìn)行計算可知，建筑-2F 與首層剛度比均大于2，滿足規(guī)范要求。另外，在對嵌固層板進(jìn)行設(shè)計時，需要考慮以下因素：首先是避免在-2F 樓板表面開設(shè)大洞口，樓板結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土梁、板結(jié)構(gòu)，厚度不小于180mm 為宜，同時搭配雙向、雙層配筋，配筋率不小于0.25%，同時對地下室頂板（-1F 頂板）設(shè)計時也應(yīng)注意，板厚不小于160mm，其次是確?？蚣苤豆虒訂蝹?cè)縱向鋼筋與上層鋼筋面積之比達(dá)到1.1 倍以上，且地下室頂板梁、柱節(jié)點左右梁端截面與下柱上端同一方向?qū)嵟涞氖軓澇休d力之和不小于地上一層對應(yīng)柱下端實配的受彎承載力的1.3 倍，對于剪力墻邊緣構(gòu)件不小于嵌固層以上邊緣構(gòu)件面積[2]，只有滿足上述措施條件，保證塑性鉸出現(xiàn)在嵌固層，才能作為嵌固端使用。

2.2 結(jié)構(gòu)形式的布置

該建筑主體結(jié)構(gòu)是剪力墻結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層的平面圖如圖1 所示。

圖1 建筑結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層

本項目所在地區(qū)的地震加速度取值是0.1g，Ⅱ類場地，地震分組一組，對應(yīng)特征周期是0.35s?，F(xiàn)場-4F樓面以下有飽和粘土，地震抗震設(shè)防烈度為7 度，可忽略軟土震塌、砂土液化所產(chǎn)生影響。通過分析可知，該建筑塔樓的基底持力層采用中風(fēng)化白云巖，地下室、裙樓有個別基巖已外露，因此對于持力層較淺的采用柱下擴(kuò)展基礎(chǔ)，對于持力層埋置較深的采用樁基，持力層均采用中風(fēng)化白云巖，無沉降差問題，根據(jù)地勘報告可知，地下室抗浮水位位于-4 層樓面，抗浮水頭為6.8m，根據(jù)計算整體抗浮滿足1.05 安全系數(shù)要求，局部抗浮采用配重加結(jié)構(gòu)硬抗的方式相結(jié)合，上部結(jié)構(gòu)由于高寬比達(dá)到7.4，略超規(guī)范規(guī)定6 的要求，因此在布置剪力墻時Y 方向占比較大。

3 結(jié)構(gòu)抗震性能

作為對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計的關(guān)鍵一環(huán)，對抗震性能進(jìn)行設(shè)計時，設(shè)計人員應(yīng)做到以抗震目標(biāo)為依據(jù)，對切實可行的設(shè)計方案進(jìn)行制定，強調(diào)兩階段、三水準(zhǔn)的設(shè)計模式提出性能目標(biāo)，抗震性能目標(biāo)為[1]：當(dāng)遭受低于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的多遇地震時，主體不受到破壞或不需修理可繼續(xù)使用，當(dāng)遭受本地區(qū)抗震設(shè)防烈度設(shè)防地震影響時，可能發(fā)生損壞，但一般性修理仍可繼續(xù)使用，當(dāng)遭受高于本地區(qū)設(shè)防烈度罕遇地震影響時，不致倒塌或發(fā)生危及生命的嚴(yán)重破壞。

3.1 設(shè)計性能目標(biāo)

該項目的主要使用功能為住宅，根據(jù)超限審查技術(shù)要點，本項目主要是平面不規(guī)則，無轉(zhuǎn)換層，豎向構(gòu)件連續(xù)，主要超限類型為超高，根據(jù)抗震設(shè)防類別、設(shè)防烈度、場地條件、震后損失和修復(fù)難易程度綜合考慮后確定該項目抗震性能目標(biāo)為C 級，即性能水準(zhǔn)為1、3、4，就是多遇地震作用下性能水準(zhǔn)為1，宏觀損壞程度完好，無損壞，所有構(gòu)件滿足彈性要求，承載力和變形滿足1/1000 要求；設(shè)防烈度作用下性能水準(zhǔn)為3，宏觀損壞程度為輕度損壞，普通構(gòu)件和關(guān)鍵構(gòu)件的正截面承載力滿足屈服承載力要求，受剪滿足彈性要求，部份耗能構(gòu)件進(jìn)入屈服階段，變形滿足1/500 位移限制要求；罕遇地震作用下性能水準(zhǔn)為4，宏觀損壞程度為中度損壞，關(guān)鍵構(gòu)件的抗震承載力滿足曲服承載力要求，位移角滿足1/120，抗震性能計算時除小震材料采用設(shè)計值外，中震和大震均應(yīng)采用材料強度標(biāo)準(zhǔn)值，且不考慮與抗震等級有關(guān)的調(diào)整系數(shù)。

3.2 計算方法

根據(jù)高規(guī)3.3.1 條的條文說明該項目屬于超A 級高度，即B 級高度，保證設(shè)計質(zhì)量按規(guī)定應(yīng)進(jìn)行抗震設(shè)防專項審查復(fù)核，小震、中震采用兩種不同力學(xué)模型軟件進(jìn)行分析，該項目分別采用MIDAS BUILDING 和YJK 進(jìn)行計算，計算分析出質(zhì)量、周期、位移比、剪重比等均較為接近，因此可以認(rèn)為原來計算模型假定和計算結(jié)果基本可信，同時選用動力特性相近的3 條地震波（其中一條人工波，二條天然波）進(jìn)行分析，分析結(jié)果表明，CQC 法和時程分析法相接近，只是在頂部由于鞭稍效應(yīng)引起時程分析較CQC 法大1.1 倍，在施工圖時CQC 計算法頂部放大1.1 倍。

同時，根據(jù)高規(guī)規(guī)定，該項目需進(jìn)行彈塑性計算分析，高度不超過150m 時可以采用靜力彈塑性，超過150m 根據(jù)自振特性和不規(guī)則程度選用靜力或動力彈塑性，由于該項目接近150m，從安全角度出發(fā)，選用了動力彈塑性分析，分析軟件選用了北京構(gòu)力科技的SAUSAGE 軟件，地震波采用了兩條天然波和一條人工波。

3.3 計算結(jié)果

3.3.1 小震計算

使用不同軟件對小震作用下采用彈性模型進(jìn)行計算，最終結(jié)果大致相同。各模型前三階的振動方向、周期值基本一致，平動周期和扭轉(zhuǎn)周期比未超過規(guī)定限值，這表示結(jié)構(gòu)在抗扭剛度方面表現(xiàn)較為理想，但剪重比底部局部樓層不滿足要求，可以通過全樓地震剪力進(jìn)行1.1 倍放大，結(jié)構(gòu)在地震作用下所出現(xiàn)位移角最大值是1/890，該位移角在33F 的Y 方向，滿足規(guī)范1/800要求，在風(fēng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)所出現(xiàn)位移角的最大值是1/1200，該位移角在32F 的Y 方向，均滿足規(guī)范要求。但結(jié)構(gòu)的剛重比為2.0 小于規(guī)范2.7，剛重比不滿足要求，出現(xiàn)P-Δ 效應(yīng)，應(yīng)將重新計算考慮P-Δ 效應(yīng)，計算后為1.7，滿足規(guī)范2.0 要求。

3.3.2 中震計算

在中震作用下，關(guān)鍵構(gòu)件和普通豎向構(gòu)件需滿足屈服承載力要求，抗剪需滿足彈性要求，可將地震加速度的最大值取為100cm/s2，正截面受彎材料抗力取為標(biāo)準(zhǔn)值，抗剪材料取為設(shè)計值，不考慮風(fēng)荷載，不考慮與抗震等級相關(guān)的調(diào)整系數(shù)，經(jīng)復(fù)核驗算，豎向構(gòu)件均滿足承載力要求，梁和連梁局部正截面進(jìn)入屈服階段。

3.3.3 大震計算

為考察結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性狀態(tài)下的動力反應(yīng)，分析結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的抗震性能，檢驗結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的薄弱層，控制層間彈塑性位移是否滿足1/120，對罕遇地震作下結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力進(jìn)行判斷，了解結(jié)構(gòu)塑性較的形成規(guī)律，針對性地優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置。

本項目采用SAUSAGE 軟件進(jìn)行彈塑性計算，SAUSAG 是一款非線性計算軟件，他的計算結(jié)果與ABAQUS 接近，并且可以實現(xiàn)GPU 顯卡的并行計算，可以提高計算效率，梁、板、支撐桿系采用粗細(xì)纖維束單元，剪力墻采用分層殼單元，本項目選用三條CQC 動力特性相近的地震波計算，地震加速度的最大值取為220cm/s2，特征周期Tg=0.4s，水平地震影響系數(shù)amax=0.5，經(jīng)計算分析如下。

（1）在考慮重力二階效應(yīng)及大變形的條件下，罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)最終仍能保持直立，滿足大震不倒要求。

（2）主體結(jié)構(gòu)最大彈塑性層間位移角為1/130，滿足規(guī)范1/120 要求。

（3）結(jié)構(gòu)的彈塑性層間位移角分布曲線總體較為光滑，在避難層有一定縮進(jìn)，經(jīng)分析是為了限制位移加大了梁的剛度，如圖2 所示。

圖2 Y 方向罕遇地震下層間位移曲線

（4）由動力彈塑性時程分析得出Y 方向罕遇地震下的層間剪力分布曲線和基底剪力，整體較為光滑，如圖3 所示。

圖3 Y 方向罕遇地震下結(jié)構(gòu)層間剪力

（5）由于強震損傷積累，結(jié)構(gòu)剛度減小，其地震響應(yīng)減小，因而彈塑性結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)小于彈性結(jié)果，彈塑性結(jié)構(gòu)各層剪力反應(yīng)不小彈性結(jié)果，結(jié)構(gòu)存在一定的位移反應(yīng)滯后現(xiàn)象。

（6）局部樓面梁出現(xiàn)塑性鉸主要集中在與較長的剪力墻相連位置，可以看出梁起著耗能作用。

3.4 舒適度計算

根據(jù)高規(guī)3.7.6 條，房屋高度不小于150m 的高層混凝土建筑應(yīng)滿足風(fēng)振舒適度要求，本項目雖然未超過150m，但接近150m，為安全起見也做了舒適度分析，按10 年一遇的風(fēng)荷載0.3kN/m2標(biāo)準(zhǔn)值取值，經(jīng)計算分析，X 方向的順風(fēng)向加速度為0.06m/s2，橫風(fēng)向加速度0.08m/s2，Y 方向的順風(fēng)向加速度0.07m/s2，橫風(fēng)向加速度0.09m/s2，均滿足規(guī)范規(guī)定0.15m/s2。

4 結(jié)語

綜上所述，在小震情況下，各構(gòu)件均處于彈性狀態(tài)，其變形能力、承載能力滿足規(guī)范要求。反應(yīng)譜和時程分析基本一致，該建筑在抗震性能方面的表現(xiàn)可滿足預(yù)設(shè)目標(biāo)。其次，中震情況下，剪力墻未出現(xiàn)屈服情況，連梁、框架梁部分屈服，但可滿足受剪不屈服要求。最后，大震情況下，結(jié)構(gòu)層間所產(chǎn)生位移角、彈性位移未超出規(guī)范允許范圍，抗側(cè)力構(gòu)件均沒有受到嚴(yán)重?fù)p壞，由此可見，本結(jié)構(gòu)抗震性能良好，滿足了大震不倒的要求，經(jīng)調(diào)整后各項指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，主要結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下也基本滿足預(yù)設(shè)定的性能目標(biāo)。