某超限高層結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計與分析

朱忠漫

安徽省建筑設(shè)計研究總院股份有限公司 安徽 合肥 230601

1 工程概況

該項目地處合肥市廬陽區(qū)，鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)高度149.45m，地下兩層，地上36層，其中1至2層被用作大堂和餐廳，層高分別為4.7m和4.1m；13F和25F為避難層，層高均為4.5m；其余樓層主要為辦公，層高均為4.1m。

該項目設(shè)計使用年限50年，所處區(qū)域地面粗糙度屬于B類，50年重現(xiàn)期的基本風(fēng)壓取0.35kN/m2，阻尼比取0.05；抗震設(shè)防有關(guān)參數(shù)如下：設(shè)防烈度為7度（0.10g），地震分組是第一組，場地類別是 Ⅱ 類，標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類。按照《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》即《高規(guī)》相關(guān)規(guī)定，剪力墻的抗震等級-2層為二級，-1層及以上為一級；框架的抗震等級-2層為二級；-1層及以上為一級[1]。

2 超限情況和抗震性能目標(biāo)

2.1 超限判別

本項目結(jié)構(gòu)高度大于130m但小于180m，豎向無收進，高寬比4.43小于7；考慮偶然偏心影響的扭轉(zhuǎn)位移比大于1.2且小于1.4，樓板開洞面積占同層樓面面積的35%。依據(jù)《高規(guī)》和建質(zhì)〔2015〕67號《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點》，可判斷本工程屬于B級高度且有兩項一般不規(guī)則項的超限高層建筑。

2.2 抗震性能目標(biāo)

根據(jù)《高規(guī)》規(guī)定并結(jié)合各種因素，確定了該項目的抗震性能目標(biāo)為D+級（介于C至D級之間）。為使該項目中各類構(gòu)件均能滿足其相應(yīng)抗震性能目標(biāo)需達到的具體設(shè)計要求如下表1所示[2]。

表1 滿足抗震性能目標(biāo)具體設(shè)計要求

3 地震作用計算與分析

3.1 多遇地震作用下彈性反應(yīng)譜分析

該項目選取SATWE和MIDAS Building兩個軟件，對多遇地震下結(jié)構(gòu)整體抗震指標(biāo)及各部位構(gòu)件受力情況進行計算并復(fù)核包絡(luò)。在考慮偶然偏心和雙向地震的影響下，兩種軟件的計算結(jié)果見表2，說明：

表2 多遇地震下的CQC法計算結(jié)果對比

3.1.1 該結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下的整體處于彈性階段，所有構(gòu)件的承載力及變形都符合設(shè)計要求；

3.1.2 兩個軟件在計算過程中所得到的主要控制指標(biāo)相差不大，都達到了規(guī)范的要求，從而說明了兩個軟件所得到的結(jié)果是合理和可靠的[3]；

3.1.3 前兩個周期都是平動周期（T2/T1＞0.8)，第三個周期是扭轉(zhuǎn)周期（T3/T1＜0.85），扭轉(zhuǎn)位移比小于1.4，這表明了結(jié)構(gòu)在兩個方向上的動力特性比較接近，而且抗扭剛度也比較好。

3.2 多遇地震作用下彈性時程分析

根據(jù)《抗規(guī)》第5.1.2條，選用的2條人工波和5條天然波進行彈性時程分析補充計算。計算結(jié)果如下圖1顯示，地震波平均譜曲線和規(guī)范譜曲線在T1、T2和T3前三大振型周期點的誤差分別是-7.98%、-7.51%、5.20%，都小于20%，說明地震波的選取符合規(guī)范要求。

圖1 多遇地震時程分析與規(guī)范譜對比圖

對彈性時程計算的結(jié)果和反應(yīng)譜法的分析結(jié)果進行了比較。從結(jié)構(gòu)反應(yīng)特征和變化規(guī)律兩方面來說，兩種分析方法所計算出的結(jié)果吻合較好，在單條地震波作用下，底部剪力及層間位移角均位于CQC計算結(jié)果的65%～135%之間，在多條地震波作用下的底部剪力及層間位移角的平均值位于CQC計算結(jié)果的80%～120%之內(nèi)，并且層間位移角最大值均小于1/767。該項目依據(jù)規(guī)范規(guī)定取振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果與七條時程曲線分析結(jié)果平均值兩者的較大值進行地震作用計算[4]。

3.3 設(shè)防烈度及罕遇地震作用下等效彈性反應(yīng)譜分析

根據(jù)上述抗震性能設(shè)計的要求，結(jié)構(gòu)使用SATWE程序進行“中震彈性”、“中震不屈服”和“大震不屈服”分析。從結(jié)果可以看出：

3.3.1 在設(shè)防烈度地震作用下，結(jié)構(gòu)的底部剪力是眾值烈度地震作用下的2.57～2.64倍；在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)的底部剪力是眾值烈度地震作用下的5.67～5.69倍，說明計算結(jié)果可信。

3.3.2 在設(shè)防烈度地震下，結(jié)構(gòu)的層間位移角為1/400～1/267；在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)的層間位移角不超過1/100，分析結(jié)果滿足規(guī)范對該結(jié)構(gòu)的整體抗震性能目標(biāo)定位為C至D級的要求。

3.3.3 配筋結(jié)果表明：在設(shè)防烈度地震作用下，核心筒墻肢和框架柱處于“抗剪彈性、抗彎不屈服”狀態(tài)，框架梁和連梁滿足“抗剪不屈服”要求；在罕遇地震作用下，關(guān)鍵構(gòu)件處于“抗剪不屈服”狀態(tài)，普通豎向構(gòu)件滿足“抗剪截面剪壓比”要求，所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件均能滿足抗震性能設(shè)計目標(biāo)的要求[5]。

3.3.4 在中震雙向水平地震作用下，部分剪力墻墻肢出現(xiàn)拉應(yīng)力，依據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點》（2015版）要求，將出現(xiàn)拉應(yīng)力的剪力墻的抗震構(gòu)造措施提升1級，按照特一級設(shè)計，并且在底部加強區(qū)1至4層高度范圍內(nèi)對筒體六個角部布置型鋼。

3.4 罕遇地震作用下動力彈塑性時程分析

為了解結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的破壞情況，并對結(jié)構(gòu)的彈塑性變形進行復(fù)核，本項目擬以SAUSAGE為計算工具，選擇1組人工波（R1波）與2組天然波（T1、T2波）雙向輸入，進行動態(tài)彈塑性分析。

在對三種地震波作用下的結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角進行分析，可以得出：地震波作用下的結(jié)構(gòu)大震彈塑性層間位移角的最大值均出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的中下部區(qū)域，與CQC法的計算結(jié)果基本吻合。在考慮了重力二階效應(yīng)和大變形的情況下，該結(jié)構(gòu)在地震作用下的最大位移為0.441m，X向和Y向的彈塑性層間位移角最大值分別為1/258和1/273，都小于1/100，符合規(guī)范中對彈塑性層間位移角的限制要求，達到了“大震不倒”的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。

構(gòu)件損傷情況分析結(jié)果顯示：

3.4.1 包括底部加強區(qū)在內(nèi)的各層剪力墻、框架柱的破損程度都很輕，僅有少數(shù)部位的墻肢處于輕微～輕度損壞。在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)的整體抗震性能基本維持良好，各構(gòu)件抗震承載力都達到了前述設(shè)定的抗震性能目標(biāo)要求。

3.4.2 根據(jù)構(gòu)件的鋼筋屈服情況和破損程度說明，在罕遇地震作用下，關(guān)鍵構(gòu)件和普通豎向構(gòu)件的縱筋應(yīng)力都小于其相應(yīng)的屈服強度，并且沒有發(fā)現(xiàn)剪力墻存在剪切破壞，水平鋼筋的應(yīng)力也沒有達到其相應(yīng)的屈服強度，也就是說剪力墻和柱都處于未屈服狀態(tài)。

3.4.3 墻體的破壞以連梁為主，在罕遇地震作用下，大部分樓層的連梁都受到了較為嚴(yán)重的破壞，即承擔(dān)了主要的耗能功能。

3.4.4 在罕遇地震作用下框架梁的整體破壞程度為輕微～輕度破壞，僅有極少樓層的框架梁出現(xiàn)比較嚴(yán)重的破壞，但所有梁鋼筋均未進入屈服狀態(tài)[6]。

4 結(jié)束語

通過采用 Building與SATWE兩種計算程序分析結(jié)構(gòu)在小震作用下的反應(yīng)，計算結(jié)果各項指標(biāo)基本吻合，這表明計算程序的選用是適用的、假設(shè)是正確的，且計算結(jié)果是可靠的。

通過對設(shè)防地震、罕遇地震的等效彈性反應(yīng)譜分析及罕遇地震的動力彈塑性分析，表明該結(jié)構(gòu)層間位移角均符合規(guī)范規(guī)定，所有構(gòu)件的性能水平均能達到預(yù)先設(shè)定的抗震性能目標(biāo)。

從各構(gòu)件的破壞形態(tài)上看，該結(jié)構(gòu)具有“強柱弱梁”的特點，耗能構(gòu)件首當(dāng)其沖的消耗了主要的地震作用，避免關(guān)鍵構(gòu)件及普通豎向構(gòu)件過早過量發(fā)現(xiàn)破壞，是雙重抗側(cè)力體系，符合抗震概念設(shè)計要求。

通過補充小震下的彈性時程計算，并與設(shè)防烈度、罕遇地震作用下的性能化分析結(jié)果包絡(luò)設(shè)計，不僅確保結(jié)構(gòu)在平時持久設(shè)計狀況下的能正常使用且安全可靠，同時也達到了多遇地震作用下結(jié)構(gòu)不破壞、設(shè)防地震作用下關(guān)鍵構(gòu)件不屈服并且修復(fù)后可繼續(xù)使用、罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)可發(fā)生部分破壞但不倒塌等抗震設(shè)防目標(biāo)。