某高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計及抗震分析

摘 要：本文對某特別不規(guī)則超限高層建筑工程進行研究，發(fā)現(xiàn)該高層建筑存在剛度突變、承載力突變等4個不規(guī)則項，因此判定結(jié)構(gòu)為特別不規(guī)則建筑，并提出針對性的控制措施，基于不同性能目標，利用多種數(shù)值軟件對小震、中震、大震作用下的性能進行分析。研究表明，SATWE和YJK計算的小震作用下指標接近，均滿足規(guī)范要求，說明所建模型合理。小震作用下的周期比、層間位移角、剛重比等指標滿足《高規(guī)》要求。中震、大震作用下的剪力比、層間位移角均在限值范圍內(nèi)，說明本超限建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案合理。

關(guān)鍵詞：高層建筑；超限結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)設(shè)計；抗震分析

中圖分類號：TU 97" 文獻標志碼：A

隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，民眾的物質(zhì)文化需求日益增加，多功能的高層建筑逐漸出現(xiàn)，建筑和結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜多樣，給建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來了巨大的挑戰(zhàn)。地震作為最普遍的自然災(zāi)害，會造成巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡，因此對建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計也提出了更高的技術(shù)要求[1]。目前，關(guān)于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計及抗震性能的問題研究已逐漸成為結(jié)構(gòu)工程中的熱點之一。

國內(nèi)眾多學(xué)者以具體高層建筑工程為例，利用有限元分析等方法[2-3]對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計和抗震性能進行了一系列的研究。例如，錢坤等[4]以某剪力墻住宅結(jié)構(gòu)為例，利用多種有限元軟件對多遇、設(shè)防和罕遇地震下的抗震性能進行分析，針對結(jié)構(gòu)薄弱位置提出了加強措施。夏世群等[5]以某框架-剪力墻高層建筑為研究對象，通過扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、斜柱等不規(guī)則項分析，判定該高層建筑為超限結(jié)構(gòu)。并結(jié)合兩種軟件對結(jié)構(gòu)抗震進行設(shè)計及分析。

本文依托某高層建筑工程背景，針對工程特點進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過有限元分析對小震、中震、大震作用下的性能進行分析。

1 工程概況

江蘇某高層項目所處位置交通便利，地理位置優(yōu)越。建筑上部面積為14474m2，地下部分建筑面積為28451m2，建筑面積為42925m2。項目由一棟高90.1m的酒店、4層樓的裙房、2層人防地下室組成。本次報抗震超限審查為酒店部分，底部長寬為80.0m×54.0m，地下二層，地上19層（公寓部分設(shè)計二次結(jié)構(gòu)夾層），高度為89.49m。

結(jié)構(gòu)安全等級為二級，建筑高度類別為A級，酒店部分為重點設(shè)防類，其他為標準設(shè)防類，所在地區(qū)為6度區(qū)（0.05g），場地類別為Ⅵ類，設(shè)計地震分組為第一組，嵌固端為地下室頂板。

1.1 結(jié)構(gòu)體系及構(gòu)件信息

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，本工程屬于框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。工程中的鋼筋采用HRB400，混凝土等級及相應(yīng)構(gòu)件尺寸信息見表1，除屋面層梁、板混凝土等級為C30，其他樓層梁、板混凝土等級均為C35。標準層板厚120mm，角部板厚130mm，局部范圍板厚150mm。地下室板厚250mm、商業(yè)裙房板厚為100mm、裙房屋面板厚150mm、-0.05標高層作為上部結(jié)構(gòu)嵌固端，板厚180mm。

1.2 超限結(jié)構(gòu)判定

由項目出具的不規(guī)則超限報告可知，本工程存在以下不規(guī)則項：尺寸突變、凹凸不規(guī)則、扭轉(zhuǎn)不規(guī)則（扭轉(zhuǎn)位移比計算值為1.29）、剛度突變、承載力突變，因此本工程高層公寓樓屬于特別不規(guī)則超限高層建筑。針對超限問題，本工程主要采取以下幾項措施來保障結(jié)構(gòu)的安全性[6]。①利用多種不同計算軟件對結(jié)構(gòu)進行彈性時程分析以及彈塑性動力時程分析。②對結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位進行細部分析，并提高其抗震措施。③基于性能設(shè)計抗震方法。④針對扭轉(zhuǎn)不規(guī)則問題，通過增加結(jié)構(gòu)最外側(cè)框架梁的截面尺寸，達到提高整體結(jié)構(gòu)抗扭性能的目的。⑤底部加強區(qū)的剪力墻配件應(yīng)嚴格符合《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》要求，水平和豎向分布筋配筋率超過0.3%?？蛇_到提升底部加強區(qū)剪力墻的目的。

2 抗震性能目標

結(jié)合已有工程實踐經(jīng)驗，根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》關(guān)于抗震性能設(shè)計要求以及不同位置構(gòu)件的重要程度，本工程用D級抗震性能目標（工程存在4項特別不規(guī)則），在多遇地震、設(shè)防烈度地震、預(yù)估的罕遇地震作用下，應(yīng)分別達到1、4、5級抗震性能水準。表2為本高層建筑抗震性能目標。

3 模型建立及參數(shù)設(shè)定

本文利用YJK和SATWE兩種結(jié)構(gòu)分析軟件，按照1∶1的比例建立三維結(jié)構(gòu)模型。根據(jù)規(guī)范和設(shè)計方案設(shè)置材料屬性，用軟件內(nèi)置桿單元模擬模型中的框架梁和框架柱，由軟件內(nèi)置的膜單元模擬所有樓板，由軟件內(nèi)置的殼單元模擬門洞上方的連梁和剪力墻。通過點、線、面荷載的形式施加永久荷載、可變荷載。計算模型如圖1所示。模型中的主要參數(shù)見表3。

4 結(jié)構(gòu)抗震分析

4.1 小震作用下彈性分析結(jié)果

表4為小震作用下的彈性分析結(jié)果。對表4進行分析可知，采用SATWE和YJK對小震作用下高層建筑結(jié)構(gòu)極限進行模擬，兩個軟件計算結(jié)果接近，均滿足規(guī)范要求，說明所建模型合理，SATWE和YJK在模擬小震作用下獲得的結(jié)構(gòu)剛重比均大于2.7，滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》要求。地震和風(fēng)荷載引起的層間位移角均小于《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》要求。結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一周期Tt與平動為主的第一周期T1之比小于《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》要求?？蚣苤⒓袅τ邢拊浖嬎愕淖畲筝S壓比較接近，均滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中對軸壓比的限值要求，說明結(jié)構(gòu)整體的延性較好，結(jié)構(gòu)整體抗震性能良好。

4.2 小震作用下彈性時程分析結(jié)果

為了對小震作用下該高層建筑的彈性時長進行分析，將地震波加速度幅值設(shè)為18cm/s2，雙向水平分別導(dǎo)入3條地震波（1條人工波、2條天然波），圖2為不同地震波下，X向和Y向的基底剪力的柱狀圖。從圖中可以看出，任意一條地震波計算的基底剪力均小于1.35倍的振型分解反應(yīng)譜法結(jié)果，大于0.65倍振型分解反應(yīng)譜法結(jié)果。3條地震波計算的平均基底剪力小于1.2倍的振型分解反應(yīng)譜法結(jié)果，大于0.8倍振型分解反應(yīng)譜法結(jié)果。由此可見，基底剪力結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

圖3分別為X向和Y向不同樓層層間位移角曲線。從圖中可以看出，沿著樓層從低到高的方向，不同地震波下的層間位移角呈現(xiàn)先增后減的趨勢，不同地震波下的層間位移角最大值均小于規(guī)范要求。

4.3 中、大震作用下彈性分析結(jié)果

利用YJK對中震作用下高層建筑結(jié)構(gòu)進行模擬，分析中震作用下的彈性。由YJK計算結(jié)果可知，地震作用量級合理，中震作用下的高層建筑結(jié)構(gòu)基底剪力約為2.9倍的小震作用下結(jié)構(gòu)基底剪力，沿著結(jié)構(gòu)高度方向，各樓層剪力沒有突變現(xiàn)象，整體較為均勻，且整個結(jié)構(gòu)的抗剪承載力和單個樓層的抗剪承載力均滿足設(shè)計要求。此外，結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件符合“受彎不屈服，受剪彈性”的標準，其他構(gòu)件也能滿足表3的抗震性能要求。

利用SAUSAGE對大震作用下高層建筑結(jié)構(gòu)進行模擬，并分析結(jié)構(gòu)動力彈塑性。選取1組人工地震波和2組天然地震波。觀察SAUSAGE計算的彈塑性層間位移角結(jié)果可知，罕遇地震條件下的X、Y方向的最大值分別為1/238、1/255，都小于1/120（滿足規(guī)范對彈塑性層間位移角的要求），同時能滿足大震不倒的基本要求。此外，根據(jù)大震、中震作用下的剪力比結(jié)果可知，本高層建筑結(jié)構(gòu)在大震作用下具有合理的非線性特征。

4.4 結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定驗算

《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第5.4.4條規(guī)定：對框架－剪力墻結(jié)構(gòu)來說，高層建筑結(jié)構(gòu)的剛重比（）應(yīng)大于1.4。本工程X向和Y向的剛重比分別為2.38和2.76，滿足整體穩(wěn)定性要求。根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第5.4.1條規(guī)定，計算時應(yīng)該考慮P－Δ效應(yīng)的影響。

4.5 特殊部位詳細分析

本工程四樓的層高較高，長跨方向柱成為穿層柱，采用型鋼柱，并擴大長跨方向的柱截面，使其具有良好的剛度和承載力。五層樓板存在較大洞口，因此為了分析樓板開洞對水平地震剪力傳遞的影響，須對五層樓板應(yīng)力進行分析。通過有限元軟件計算的結(jié)果可知，在X向地震作用下，五層樓板的X向和Y向拉應(yīng)力基本小于0.1MPa，局部達到0.7MPa，均小于C35混凝土的軸心抗拉強度。

5 結(jié)論

本文依托某高層建筑工程背景，分析了工程中的不規(guī)則項，利用YJK、SATWE等多種軟件對該框架-剪力墻結(jié)構(gòu)進行地震作用模擬。得出以下主要結(jié)論。1）本高層結(jié)構(gòu)存在凹凸不規(guī)則、承載力突變等4個不規(guī)則項。2）采用SATWE和YJK對小震作用下高層建筑結(jié)構(gòu)極限進行模擬，兩個軟件計算結(jié)果接近，均滿足規(guī)范要求，說明所建模型合理。3）小震作用下的層間位移角、剪重比等均小于限值，滿足“小震不壞”目標。中震作用下的剪力分布均勻，符合“中震可修”的標準。大震作用下的彈塑性層間位移角小于1/120，符合“大震不倒”的標準。

參考文獻

[1]張起舞， 王旭松， 劉建濤， 等. 會議辦公樓超限結(jié)構(gòu)設(shè)計[J]. 建筑結(jié)構(gòu)， 2021（51）：120-124.

[2]張碩. 深圳某綜合樓超限結(jié)構(gòu)設(shè)計[J]. 建筑技術(shù)開發(fā)， 2020， 47（7）：43-45.

[3]單孟碩， 張曉光， 何誠. 某超高層結(jié)構(gòu)罕遇地震彈塑性時程分析[J]. 結(jié)構(gòu)工程師， 2014， 30（2）： 84-89.

[4]錢坤， 封元， 胡艾邦. 高層建筑罕遇地震下結(jié)構(gòu)的彈塑性分析[J]. 低溫建筑技術(shù)， 2020， 42（8）： 70-72.

[5]夏世群， 勞希君， 王熙堃， 等. 中華國際廣場超限高層結(jié)構(gòu)設(shè)計[J]. 建筑結(jié)構(gòu)， 2021， 51（12）：25-31， 55.

[6]王石高， 張立偉， 丁勵. 中南大學(xué)湘雅五醫(yī)院轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計[J]. 工程建設(shè)， 2020， 52 （9）： 1-5，29.