某超限高層結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計(jì)與分析

唐家俊 劉春霞

（1.中海油山東化學(xué)工程有限責(zé)任公司 ； 2.山東潤(rùn)昌工程設(shè)計(jì)有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

某超限高層結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計(jì)與分析

唐家俊1劉春霞2

（1.中海油山東化學(xué)工程有限責(zé)任公司 ； 2.山東潤(rùn)昌工程設(shè)計(jì)有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

本工程為B級(jí)高度的框架-核心筒結(jié)構(gòu)，本文介紹了工程特點(diǎn)與結(jié)構(gòu)體系的選擇，設(shè)計(jì)中按彈性時(shí)程分析法和CQC法包絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用SATWE和ETABS有限元軟件進(jìn)行計(jì)算分析，底部加強(qiáng)區(qū)按中震不屈服設(shè)計(jì)，計(jì)算結(jié)果表明結(jié)構(gòu)在地震作用下的反應(yīng)和破壞機(jī)制均能滿足預(yù)期性能目標(biāo)。

超限高層 框架-核心筒 中震不屈服 性能設(shè)計(jì)

1 工程概況

本工程位于濟(jì)南市歷下區(qū)。本建筑由兩棟塔樓組成,地下四層，半地下一層，地上35層，總建筑高度148.15米。地下一～地下四層為地下停車庫(kù)、設(shè)備用房及金庫(kù)等，半地下層和地上一～四層為門廳、營(yíng)業(yè)廳、廚房、餐廳、后勤服務(wù)用房和貴賓停車區(qū)等，五～三十五層主要為辦公及銀行家俱樂部，其中五、十八、三十二層為避難層，十九層為設(shè)備層。

2 主要地震參數(shù)及抗震性能目標(biāo)

由于本工程的重要性，項(xiàng)目組委托濟(jì)南市地震安評(píng)工程研究院進(jìn)行場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)，場(chǎng)地地震影響系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)形式如式1所示。

分別為周期為T時(shí)的反應(yīng)譜值、反應(yīng)譜周期、峰值加速度、衰減系數(shù)。為反應(yīng)譜拐點(diǎn)周期。

采用上面的公式分別對(duì)工程場(chǎng)地地表50年不同超越概率阻尼比為5%的計(jì)算地震動(dòng)加速度結(jié)果進(jìn)行擬合，得到相應(yīng)的設(shè)計(jì)譜。

綜合考慮抗震設(shè)防類別、設(shè)防烈度、場(chǎng)地條件、建筑物功能、結(jié)構(gòu)的特征、構(gòu)件的部位和重要程度，依據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》和《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》選定本結(jié)構(gòu)的抗震性能目標(biāo)為C級(jí)。

3 結(jié)構(gòu)體系與結(jié)構(gòu)布置

本工程采用鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)，樓蓋采用鋼筋混凝土梁板式樓蓋。利用豎向交通的樓、電梯的位置設(shè)置核心筒，底部越層位置核心筒角部設(shè)置型鋼，增加筒體延性；剪力墻厚度隨建筑高度逐步變薄。由于六層以上南北方向外圍的柱向內(nèi)有2度傾斜，為有效控制柱、梁截面尺寸，控制斜柱部分產(chǎn)生的水平力問題且保證結(jié)構(gòu)具有良好的剛度和延性，沿全高設(shè)置型鋼柱、型鋼梁，框架柱含鋼率控制在5%左右，框架梁含鋼率控制在2%左右。

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析概述

結(jié)構(gòu)計(jì)算分析主要從彈性和彈塑性兩個(gè)階段進(jìn)行，彈性階段的計(jì)算分析主要采用了振型分解反應(yīng)譜法（CQC），采用PKPM(SATWE)軟件進(jìn)行計(jì)算，并采用ETABS軟件進(jìn)行驗(yàn)證，底部加強(qiáng)區(qū)豎向構(gòu)件按中震彈性性能目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并進(jìn)行罕遇地震作用下的結(jié)構(gòu)彈塑性變形驗(yàn)算，大震變形驗(yàn)算采用中國(guó)建研院的PUSH＆EPDA軟件中的靜力推覆分析（Pushover）方法。

5 多遇地震彈性分析

5.1 振型分解反應(yīng)譜法

根據(jù)安評(píng)報(bào)告和規(guī)范反應(yīng)譜進(jìn)行了小震CQC計(jì)算對(duì)比，結(jié)果見表2.

底層地震剪力 Y 8278KN 8625KN X 7665KN 7571KN X(風(fēng)) 1/2457（22F） 1/2184（19F）Y(風(fēng)) 1/2764（19F） 1/2895（16F）最大層間位移角X(地震) 1/2295（22F） 1/2193（18F）Y(地震) 1/2941（21F） 1/3195（18F）最大扭轉(zhuǎn)位移比 Y 1.27 1.22 X 1.31 1.27

從表中計(jì)算結(jié)果對(duì)比可以看出，兩種不同軟件計(jì)算得出的結(jié)構(gòu)整體參數(shù)指標(biāo)均比較接近，控制指標(biāo)出現(xiàn)樓層位置也比較接近，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

5.2 彈性動(dòng)力時(shí)程分析

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）第5.1.13條規(guī)定，B級(jí)高度高層建筑結(jié)構(gòu)和復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)，應(yīng)進(jìn)行彈性動(dòng)力時(shí)程分析。以找出結(jié)構(gòu)薄弱層和側(cè)向剛度突變層，并對(duì)反應(yīng)譜法樓層剪力小于彈性時(shí)程分析結(jié)果的部位進(jìn)行地震力放大。采用SATWE軟件進(jìn)行彈性時(shí)程分析，根據(jù)場(chǎng)地的頻譜特性、加速度的有效峰值和時(shí)程曲線的有效持續(xù)時(shí)間這三要素，選用了兩組天然波TH3TG045、TH4TG045和一條人工波—RH3TG045。地震波加速度峰值按場(chǎng)地安評(píng)報(bào)告取為27gal。按照規(guī)范要求進(jìn)行雙向地震波輸入，主、次方向峰值加速度最大值按1：0.85的比例調(diào)整。三條波計(jì)算下，塔樓底部剪力均大于CQC法的65%，三條地震波分析所得底部剪力平均值大于CQC法的80%，均滿足規(guī)范要求。從位移曲線來看，無明顯的拐點(diǎn)，結(jié)構(gòu)豎向剛度基本均勻。

6 設(shè)防地震作用下結(jié)構(gòu)性能分析

根據(jù)性能目標(biāo)要求，采用SATWE程序進(jìn)行中震彈性分析，計(jì)算模型和多遇地震計(jì)算模型相同。中震彈性分析用于驗(yàn)算底部加強(qiáng)區(qū)框架柱和剪力墻，驗(yàn)算中不考慮內(nèi)力調(diào)整，荷載組合為基本組合且風(fēng)荷載不參與內(nèi)力組合，材料強(qiáng)度取標(biāo)準(zhǔn)值，抗震承載力調(diào)整系數(shù)同多遇地震計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明中震彈性計(jì)算得出的底部加強(qiáng)部位剪力墻和框架柱的配筋值均滿足規(guī)范要求，其配筋值和小震配筋值的結(jié)算結(jié)果是一致的，說明結(jié)構(gòu)能滿足性能目標(biāo)要求。

中震不屈服分析用于驗(yàn)算非加強(qiáng)區(qū)框架柱和剪力墻，并驗(yàn)算中震不屈服位移角是否滿足C級(jí)性能目標(biāo)最大層間位移角限值 1/400.計(jì)算中不考慮內(nèi)力調(diào)整，荷載取標(biāo)準(zhǔn)組合但風(fēng)荷載不參與內(nèi)力組合，材料強(qiáng)度取標(biāo)準(zhǔn)值，不考慮抗震承載力調(diào)整。驗(yàn)算結(jié)果表明中震不屈服計(jì)算得出的最大層間位移角為1/786(X)、 1/956(Y)，均小于最大層間位移角限值1/400,說明結(jié)構(gòu)能滿足性能目標(biāo)要求。

7 罕遇地震作用結(jié)構(gòu)性能分析

為了解結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的層間彈塑性位移角是否滿足抗震規(guī)范要求以及塑性鉸的分布情況，在彈性分析的基礎(chǔ)上，采用Pushover程序進(jìn)行靜力推覆補(bǔ)充分析。經(jīng)計(jì)算結(jié)果得出層間彈塑性位移角限值分別為1/265(X)、1/316(Y),滿足抗震規(guī)范1/150的規(guī)定，達(dá)到“大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)。從對(duì)應(yīng)X、Y向需求的層間位移角時(shí)塑性鉸出現(xiàn)位置來看，塑性鉸主要出現(xiàn)在核心筒外圍的連梁上，主要剪力墻肢未出現(xiàn)大面積受壓損傷，其他位置也沒發(fā)現(xiàn)明顯薄弱部位，滿足罕遇地震下的抗震性能目標(biāo)。

8 結(jié)論

根據(jù)以上分析，本工程采用的兩種不同力學(xué)模型計(jì)算程序的計(jì)算結(jié)果比較吻合，對(duì)罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的彈塑性分析進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算，結(jié)構(gòu)整體反應(yīng)、結(jié)構(gòu)耗能損傷情況滿足C級(jí)性能目標(biāo)要求，能達(dá)到“小震不壞、中震可修、大震不倒”的三水準(zhǔn)目標(biāo)。根據(jù)分析結(jié)果，建議在下一步設(shè)計(jì)采取以下措施：

1）本工程底部加強(qiáng)區(qū)域按中震彈性要求進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)，以保證結(jié)構(gòu)達(dá)到預(yù)期的抗震性能目標(biāo)；

2）在柱子出現(xiàn)傾斜的樓層框梁以及樓板進(jìn)行加強(qiáng)，使水平力在柱及筒體間進(jìn)行重分配時(shí)樓板具有足夠的剛度和變形能力。

[1]徐培福。復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005

[2]高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（JGJ3-2010）。北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010

TU7

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1007-6344（2015）03-0142-01

唐家俊，工程師，山東菏澤人，出生于1981年5月，國(guó)家一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師。