超高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)探討

摘要：地震是人類(lèi)的公敵，我國(guó)很多地方都是地震多發(fā)區(qū)，而且目前我國(guó)的超高層建筑物也不斷增多。因此，做好超高層建筑的抗震設(shè)計(jì)，達(dá)到大震不倒的目的。本文根據(jù)工程案例，對(duì)某超高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算與分析，并提出抗震措施。

關(guān)鍵詞：超高層建筑；結(jié)構(gòu)抗震

一、工程概況

某商業(yè)建筑為42層的超高層，基礎(chǔ)類(lèi)型為樁筏基礎(chǔ)，采用鉆孔灌注樁加后壓漿工藝，單樁豎向承載力特征值 Ra= 7500kN，樁長(zhǎng)約50m，樁身直徑1000mm，樁進(jìn)入持力層深度不小于1m，3.5m厚的樁端持力層為中風(fēng)化泥巖。

二、結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)

（一）結(jié)構(gòu)抗震性能要求

工程是B級(jí)的一般不規(guī)則結(jié)構(gòu)，性能選定為C級(jí)。為了能保證C級(jí)性能目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，要求結(jié)構(gòu)必須要滿足以下三方面：1）在多遇地震作用下滿足第一抗震性能水準(zhǔn)；2）在設(shè)防烈度地震作用下滿足第二抗震性能水準(zhǔn)；3）在預(yù)估的罕遇地震作用下滿足第三抗震性能水準(zhǔn)。

該工程各抗震性能水準(zhǔn)按表1進(jìn)行。

表1 C級(jí)抗震性能在各地震水準(zhǔn)下結(jié)構(gòu)預(yù)期的震后性能狀況

損壞部位 繼續(xù)使用的可能性

地震水準(zhǔn)結(jié)構(gòu)抗震性能水準(zhǔn)宏觀損壞程度普通剪力墻剪力墻底部加強(qiáng)部位框架梁、連梁

多遇地震第一水準(zhǔn)完好、無(wú)損壞無(wú)損壞無(wú)損壞無(wú)損壞一般不需修理即可繼續(xù)使用

設(shè)防烈度地震第二水準(zhǔn)輕度損壞輕微損壞輕微損壞輕度損壞、部分中度損壞一般修理后才可繼續(xù)使用

預(yù)估的罕遇地震第三水準(zhǔn)中度損壞部分構(gòu)件中度損壞輕度損壞中度損壞、部分比較嚴(yán)重?fù)p壞修理或加固后才可繼續(xù)使用

（二）地震作用下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

在多遇地震作用下，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力及結(jié)構(gòu)變形按一般情況計(jì)算及復(fù)核，滿足彈性設(shè)計(jì)要求。彈性計(jì)算分析的詳細(xì)結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)沿主軸方向振動(dòng)形式相近，結(jié)構(gòu)振型、周期、位移形態(tài)和量值在合理范圍內(nèi)；結(jié)構(gòu)的地震作用響應(yīng)沿高度的分布合理；有效質(zhì)量系數(shù)和樓層剪力的大小滿足規(guī)范要求，剪力墻及連梁截面滿足剪應(yīng)力控制要求，配筋均在合理范圍內(nèi)。

在設(shè)防烈度作用下（不計(jì)入風(fēng)荷載效應(yīng)組合），允許部分框架梁、連梁正截面承載力進(jìn)入屈服階段，結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性狀態(tài)。

在罕遇地震下，部分豎向構(gòu)件及大部分耗能構(gòu)件進(jìn)入屈服階段，結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行彈塑性分析。

三、結(jié)構(gòu)基本信息及模型的建立

（一）結(jié)構(gòu)基本信息

結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)參數(shù)取值見(jiàn)表2。

表2 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)參數(shù)取值

設(shè)計(jì)參數(shù)取值

結(jié)構(gòu)類(lèi)型全現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架-核心筒

墻厚/mm下部900、800；上部700、600、500

梁截面高度/mm900（標(biāo)準(zhǔn)層）

抗震設(shè)防分類(lèi)乙類(lèi)（重點(diǎn)設(shè)防類(lèi)）

抗震設(shè)防烈度7度

地震加速度值0.15g

場(chǎng)地的特征周期

Tg/s0.45（多遇地震）

0.45（設(shè)防烈度地震）

材料強(qiáng)度墻：C60～C45；梁及樓板：C55～C40

結(jié)構(gòu)板厚/mm核心筒范圍內(nèi)150，以外120

場(chǎng)地土類(lèi)別III類(lèi)

設(shè)計(jì)地震分組第1組

軸壓比限值0.5（剪力墻）；0.70（一般柱）

0.65（型鋼筋混凝土柱）

阻尼比0.06

地震影響系數(shù)0.078（多遇地震）

0.218（設(shè)防烈度地震）

最大值αmax0.378（罕遇地震）

（二）模型的建立

根據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算圖紙?jiān)赑KPM中建立幾何模型，并按表2中各參數(shù)取值輸入，建立結(jié)構(gòu)計(jì)算模型。

可采用等效彈性的方法計(jì)算結(jié)構(gòu)構(gòu)件的組合內(nèi)力，考慮結(jié)構(gòu)阻尼比的增加及剪力墻連梁剛度的折減。在SATWE的“結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)補(bǔ)充定義”中的“地震信息”中，地震影響系數(shù) αmax和場(chǎng)地特征周期Tg分別按中震輸入。荷載組合通過(guò)自定義荷載組合添加。

采用等效彈性的方法用SATWE進(jìn)行大震作用下的計(jì)算，在SATWE的“結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)補(bǔ)充定義”中的“地震信息”中，地震影響系數(shù)αmax和場(chǎng)地特征周期Tg分別按大震輸入。

Pushover計(jì)算模型從SATWE轉(zhuǎn)換而來(lái)，幾何尺寸、材料參數(shù)、設(shè)計(jì)要求均同SATWE。

四、結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

首先進(jìn)行多遇地震階段的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，再進(jìn)行非線性分析以校核設(shè)防烈度地震、罕遇地震性能水準(zhǔn)。根據(jù)校核結(jié)果調(diào)整結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行第2次設(shè)計(jì)。計(jì)算內(nèi)容包括：

（一）采用我國(guó)建筑設(shè)計(jì)單位廣泛使用的PKPM軟件中的SATWE及TAT計(jì)算模塊計(jì)算。按反應(yīng)譜計(jì)算了多遇地震作用，計(jì)算單向地震作用時(shí)考慮了偶然偏心的影響，雙向地震作用與偶然偏心不同時(shí)考慮。

（二）采用SATWE按彈性時(shí)程分析法選取5組天然波（SATWE自帶的TH1TG045、TH2TG045、TH4TG045、TH3TG055、TH4TG055）和2組人工模擬的場(chǎng)地波（安評(píng)報(bào)告提 供的人工波Hlj5063-1、Hlj5063-2）進(jìn)行了多遇地震作用計(jì)算。

（三）根據(jù)設(shè)定的性能目標(biāo)，采用SATWE進(jìn)行了設(shè)防烈度地震作用下的整體結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力復(fù)核。

（四）采用SATWE進(jìn)行了罕遇地震下的底部剪力墻抗剪截面驗(yàn)算。

（五）采用SATWE進(jìn)行了靜力彈塑性分析，即Pushover分析。在該工程所進(jìn)行的Pushover分析中，選擇兩種水平側(cè)向荷載加載方式，即：彈性CQC地震力、倒三角荷載。每種加載方式分別按X正、負(fù)方向和 Y正、負(fù)方向加載，共計(jì)8個(gè)荷載工況。分別對(duì)每個(gè)荷載工況進(jìn)行Pushover分析，得到相應(yīng)的加速度需求譜曲線和加速度能力譜曲線。結(jié)構(gòu)的性能點(diǎn)為兩曲線的交點(diǎn)，其所對(duì)應(yīng)的位移角曲線坐標(biāo)即為最大層間位移角。

五、主要抗震計(jì)算結(jié)果

（一）多遇地震作用計(jì)算結(jié)果

1）辦公樓平面規(guī)則、簡(jiǎn)單、剛度和承載力分布均勻，建筑物的平面邊緣無(wú)凹凸，樓蓋整體性較好，筒體內(nèi)洞口較多，扭轉(zhuǎn)指標(biāo)扭轉(zhuǎn)位移比，X方向?yàn)?.22，Y方向?yàn)?.22，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期與平動(dòng)為主的第一自振周期之比均小于0.85，且第一自振周期沒(méi)有扭轉(zhuǎn)成分。

2）建筑結(jié)構(gòu)豎向規(guī)則、均勻、無(wú)轉(zhuǎn)換層，鋼筋混凝土墻體側(cè)向剛度自下而上逐漸減小，中區(qū)以上筒體角部開(kāi)洞，且洞口上下位置不一致，結(jié)構(gòu)層間位移均滿足規(guī)范要求。

3）多遇地震作用下，有效質(zhì)量系數(shù)和剪重比驗(yàn)算結(jié)果滿足規(guī)范要求。

（二）時(shí)程分析結(jié)果

根據(jù)軟件所繪制的X、Y 方向最大樓層剪力曲線和各樓層X(jué)、Y方向位移曲線，整理出時(shí)程分析結(jié)果數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 時(shí)程分析結(jié)果

地震波及CQC幅值/（cm·s-2）續(xù)時(shí)/s放大

系數(shù)底部剪力/KN與CQC底部剪力百分比層間位移角/弧度所在樓層

H1j5063-1

H1j5063-2

TH1TG045

TH2TG045

TH4TG045

TH3TG045

TH4TG04531

40.94

31

40.94

31

40.94

31

40.94

31

40.94

31

40.94

31

40.941.0

1.0

1.15

1.10

1.0

1.15

1.0

X方向

20 887. 4

101. 6%

21 098. 2

102.5 %

15 647.8

76. 1%

16 170. 3

78. 6%

14 641 .3

71. 1%

15 644. 2

76. 1%

16 216. 4

78. 8%Y方向

20 390. 1

95. 6%

19 806. 8

92. 9%

14 606. 9

68. 5%

16 336. 7

76. 6%

14 774. 9

69. 3%

15 707. 2

73. 7%

17 881. 9

83. 9%X方向

1/1407

30F

1/1379

34F

1/2566

37F

1/3175

30F

1/2394

34F

1/1982

32F

1/1880

33FY方向

1/1471

32F

1/1486

36F

1/2532

36F

1/3036

37F

1/2414

32F

1/1809

34F

1/2162

34F

平均值— 17186.5

83.6%17072.1

80.1%1/1977

34F1/2009

36F

CQC— 20568213221/1259

29F1/1322

32F

由計(jì)算結(jié)果可知：彈性時(shí)程分析所得的內(nèi)力和位移平均值沿高度方向的變化規(guī)律與采用振型分解反應(yīng)譜法所得的內(nèi)力和位移變化規(guī)律基本一致，但是時(shí)程分析平均值計(jì)算的地震力在局部樓層出現(xiàn)大于CQC法的計(jì)算剪力，可以把CQC計(jì)算的頂部樓層放大1.1倍。因此，設(shè)計(jì)階段地震剪力應(yīng)采用各樓層CQC法和彈性時(shí)程分析法的包絡(luò)值。

（三）靜力彈塑性分析結(jié)果

對(duì)前述8種荷載工況進(jìn)行了Pushover分析，得到各塔樓的各個(gè)工況下的能力譜-需求譜曲線、性能點(diǎn)及最大層間位移（見(jiàn)圖1～圖8）。

圖1 彈性CQC地震力下X正方向能力譜-需求譜曲線

圖2 彈性CQC地震力下X負(fù)方向能力譜-需求譜曲線

圖3 彈性CQC地震力下Y正方向能力譜-需求譜曲線

圖4 彈性CQC地震力下Y負(fù)方向能力譜-需求譜曲線

圖5 倒三角荷載下X正方向能力譜-需求譜曲線

圖6 倒三角荷載下X負(fù)方向能力譜-需求譜曲線

圖7 倒三角荷載下Y正方向能力譜-需求譜曲線

圖8 倒三角荷載下Y負(fù)方向能力譜-需求譜曲線

由能力譜-需求譜曲線可以看出：

1）能力譜-需求譜曲線較為平滑，在設(shè)定目標(biāo)范圍內(nèi)，各工況下得到的能力曲線均平滑上升，未出現(xiàn)突變段。各個(gè)工況的加速度需求譜曲線和能力譜曲線均有交點(diǎn)。

2）能力譜曲線反映了結(jié)構(gòu)在相應(yīng)方向上的抗推覆能力。同一荷載模式下 X 正、負(fù)方向和 Y正、負(fù)方向的能力譜曲線形式基本相同，說(shuō)明這些方向上的抗推覆能力也非常相近。

（四）各工況的內(nèi)力和變形情況

軟件所計(jì)算出的各種地震荷載作用下基底剪力情況見(jiàn)表4。

表4 基底剪力表 /KN

地震作用CQCX方向CQCY方向倒三角X方向倒三角Y方向

小震20200262481563219779

中震53965（2.67）58525（2.23）41102（2.63）44431（2.25）

大震86785（4.30）92112（3.51）70064（4.48）72483（3.66）

注：括號(hào)內(nèi)為與小震數(shù)值之比。

表5中列出了彈性地震力CQC和倒三角荷載下 X 正、負(fù)方向和 Y 正、負(fù)方向上中震、大震作用時(shí)彈塑性層間位移角及所在樓層。

表5 中震、大震作用下彈塑性層間位移角

彈性地震力CQC

荷載類(lèi)型及加載方向X正方向X負(fù)方向Y正方向Y負(fù)方向X正方向X負(fù)方向Y正方向Y負(fù)方向

中震作用下1/525

（26層）1/462

（26層）

1/606

（25層）1/439

（32層）1/486

（26層）1/426

（25層）1/531

（25層）1/400

（26層）

大震作用下1/256

（13層）1/249

（14層）1/324

（24層）1/268

（26層）1/257

（24層）1/244

1/286

（24層）1/241

（26層）

由表5可知：到達(dá)罕遇地震性能點(diǎn)時(shí)，各塔樓最大彈塑性位移角遠(yuǎn)小于1/100，滿足規(guī)范要求及性能目標(biāo)設(shè)定的要求。

分析各工況的中震、大震作用下彈塑性層間位移角分布情況，結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)：

1）位移角沿整個(gè)建筑高度范圍變化均勻，說(shuō)明結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度分布基本均勻，無(wú)剛度突變的情況。

2）中震作用下結(jié)構(gòu)的彈塑性變形值均不超過(guò)彈性位移限值的2倍。

3）能力譜曲線較為平滑，位移與基底剪力基本呈線性遞增，曲線在大震性能點(diǎn)后繼續(xù)加載若干步后才出現(xiàn)下降段，說(shuō)明結(jié)構(gòu)在抗傾覆能力上有較大余地。

4）大震作用下彈塑性層間位移角均小于1/120，且不大于0. 9倍的塑性變形，符合規(guī)范的要求。

中震和大震作用下結(jié)構(gòu)的塑性鉸及裂縫表現(xiàn)見(jiàn)表6。

表6 地震作用下塑性鉸及裂縫表現(xiàn)

地震作用剪力墻連梁、粗架梁柱子

中震大部分為彈性，底部核心筒角部個(gè)別剪力墻及上部短墻肢出現(xiàn)極少量裂縫；開(kāi)設(shè)門(mén)窗洞口形成的短墻出現(xiàn)極少量裂縫部分連梁出現(xiàn)塑性鉸，大部分為彈性，框架梁未出現(xiàn)塑性鉸彈性

大震大部分為彈性，底部核心筒角部個(gè)別剪力墻及上部墻肢出現(xiàn)極少量裂縫；開(kāi)設(shè)門(mén)窗洞口形成的短墻出現(xiàn)極少量裂縫部分連梁出現(xiàn)塑性鉸，大部分為彈性，框架梁未出現(xiàn)塑性鉸彈性

由表6可知：中震作用下整體結(jié)構(gòu)抗震性能水準(zhǔn)達(dá)到第二水準(zhǔn)的要求。在大震作用下，結(jié)構(gòu)總體上仍然處于彈性工作狀態(tài)，滿足性能目標(biāo)C的要求。

通過(guò)比較各塔樓在各工況下中、大震作用時(shí)的變形及塑性鉸的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，得出以下結(jié)論：

1）底部筒體連梁最先出現(xiàn)塑性鉸，然后逐漸向上部樓層連梁發(fā)展塑性鉸。

2）隨后框架梁與內(nèi)筒剪力墻連接處及與框架柱連接處出現(xiàn)塑性鉸。

3）最后框架柱之間的框架梁出現(xiàn)塑性鉸。

4）大震作用時(shí)，框架柱未出現(xiàn)塑性鉸。

5）連梁的屈服起到耗能作用，變形增加，而使剪力墻在大震作用時(shí)仍然處于彈性工作狀態(tài)。

6）結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移均滿足規(guī)范限值規(guī)定，整體結(jié)構(gòu)抗震性能達(dá)到第三水準(zhǔn)的要求。

六、結(jié)構(gòu)抗震措施

針對(duì)以上結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算的結(jié)果及分析，建議采用以下結(jié)構(gòu)抗震措施：

1）由于連梁上出現(xiàn)了塑性鉸，應(yīng)通過(guò)嚴(yán)格控制其配筋率來(lái)提高其延性。對(duì)過(guò)早出現(xiàn)塑性鉸的連梁，采用交叉暗撐，并同時(shí)滿足強(qiáng)剪弱彎的要求。

2）對(duì)在中震及大震作用下，結(jié)構(gòu)的頂部和底部出現(xiàn)裂縫的少數(shù)剪力墻以及個(gè)別開(kāi)設(shè)了門(mén)窗的洞口形成的短剪肢，應(yīng)加強(qiáng)其配筋構(gòu)造，并適當(dāng)提高水平配筋率。

3）部分軸力設(shè)計(jì)值較大的墻肢采用承載能力高的型鋼混凝土剪力墻，并提高其分布筋的最小配筋率為0.35%（一般部位）～0. 40%（底部加強(qiáng)部位）。由于核心筒開(kāi)洞形成的短墻肢按邊緣構(gòu)件設(shè)計(jì)，并適當(dāng)提高其配筋率，核心筒角部墻體均按約束邊緣構(gòu)件設(shè)計(jì)，其縱向鋼筋最小配筋率不小于1.2 %，邊緣構(gòu)件縱筋構(gòu)造配筋率不小于0.8%，并適當(dāng)增大配箍特征值。對(duì)設(shè)防烈度地震作用下不屈服，而抗震承載力不足以抵抗罕遇地震的核心筒連梁，采用交叉暗撐予以加強(qiáng)。

4）加大筒體角部開(kāi)洞的剪力墻厚度，并保持上下截面一致；采用交叉暗撐對(duì)上下洞口位置不

5）由于部分樓層框架承擔(dān)的地震剪力的最大值超過(guò)底部總地震剪力的10%，而有些卻小于結(jié)構(gòu)底部總地震剪力的20%，計(jì)算時(shí)應(yīng)對(duì)框架部分承擔(dān)的地震剪力按（1）式進(jìn)行調(diào)整，框架部分承擔(dān)的地震剪力調(diào)整值=MIN（0.2×底部總地震剪力，1.5×樓層地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值中的最大值）。

6）為彌補(bǔ)筒體結(jié)構(gòu)由于樓梯及電梯井布置密集造成的板平面剛度減小，將板的厚度提高至150 mm，并采用雙層雙向通長(zhǎng)配筋。