某超限高層的抗震性能化設計要點

李靜浪 胡 健

(1.浙江交工集團股份有限公司設計分公司，浙江 杭州 310053； 2.杭州汽輪工程股份有限公司，浙江 杭州 310015)

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某超限高層的抗震性能化設計要點

李靜浪1胡 健2

(1.浙江交工集團股份有限公司設計分公司，浙江 杭州 310053； 2.杭州汽輪工程股份有限公司，浙江 杭州 310015)

結合某高層建筑的結構體系和超限情況，確定了該建筑的抗震性能目標，闡述了其超限抗震設計方案，并通過彈塑性靜力分析，驗證了方案的可行性，滿足小震不壞、中震可修、大震不倒的要求。

高層建筑，結構體系，抗震措施，彈塑性分析

1 工程概況

某公司擬建一科研大樓，地下3層，地上11層。1層中部設置通高大廳，2層相應位置開設大洞。1層大廳對應位置，在3層結合4，5層設置通高空間的報告大廳。5層相應位置設置了一轉換層，采用了型鋼混凝土桁架進行了豎向構件轉換。其余樓層為辦公及會議等功能空間。地下1層層高5.1 m，地下2層4.6 m，地下3層3.6 m；1，2層層高4.79 m，3層～10層層高3.7 m，11層層高4.2 m，總高度43.4 m。抗震設防類別：丙類；抗震設防烈度：6度，設計基本地震加速度0.05g，設計地震分組為第一組，場地土類別Ⅱ類。

2 結構體系和超限情況

本工程采用框架—剪力墻結構，地下室頂板為嵌固端，剪力墻及框架抗震等級均為二級。圖1為該結構的三維模型。

因建筑功能需要，2層，4層樓板均開設大洞口(見圖2)，導致有效樓板寬度小于該層樓板典型寬度的50%；6層中部(對應4層中部大洞口處)部分框柱通過5層的桁架轉換構件向下傳遞，屬豎向抗側力構件不連續，同時，這又造成了樓層抗剪承載力突變。已有三項不規則類型。經驗算，發現在裙房以上的較多樓層，考慮偶然偏心的扭轉位移比大于1.4，屬于扭轉偏大。不規則指標達到了四項(為減少扭轉，曾嘗試在兩側的核心筒周圍增設剪力墻，為減小樓層抗剪承載力突變，嘗試加大轉換層以下各層的剪力墻厚度以增加底部幾層的側向剛度，雖然上述兩種嘗試有一定效果，但同時又會導致扭轉剛度弱，扭轉周期比大于0.9，不規則指標依舊超限。經過方案比較，保留了原結構布置方案，以規避扭轉剛度弱這一不規則類型)。須對該高層進行專門研究和論證，針對超限情況進行性能化設計。

3 抗震性能設計目標定為“C”類

在滿足現行規范的同時，根據抗震性能化設計的概念，針對本工程的超限情況，綜合考慮本工程的抗震設防類別、設防烈度、場地條件以及工程造價、震后損失和修復難易程度等因素，最終本項目性能目標定為“C”類：

1)結構遇小震后，完好無損傷，一般不需修理可以繼續使用(性能水準1)；

2)結構遇中震后，耗能構件輕度損壞、部分中度損壞，普通豎向構件輕度損壞，但關鍵部位的構件屬輕微損傷。宏觀上屬于輕度損壞，震后經一般性修理可繼續使用(性能水準3)；

3)在罕遇地震下，耗能構件中度損壞、部分比較嚴重損壞，普通豎向構件部分中度損壞，但關鍵部位的構件屬輕度損傷。整體中度損壞，須經修理或加固后方才可繼續使用(性能水準4)。

4 超限抗震措施

1)針對扭轉不規則和扭轉偏大，在小震計算時須考慮雙向地震作用。

2)對于開設大洞口的樓層，計算時周邊樓板設置彈性板，考慮大開洞帶來的不利影響。大洞口周邊加大板厚，加強樓板配筋。

3)確保剪力墻墻肢正截面承載力及斜截面抗剪承載力均滿足中震彈性的性能要求。

4)控制剪力墻墻肢的剪應力水平，確保在大震作用下墻肢不發生剪切破壞、滿足抗剪截面控制條件。

5)在大震作用下轉換桁架的桿件滿足大震不屈的性能要求。

6)框架柱、轉換桁架桿件正截面承載力及斜截面抗剪承載力均滿足中震彈性的要求。

7)本工程轉換桁架與相鄰豎向構件采用剛性連接，支撐桁架的框柱設置鋼骨，與桁架的斜腹桿焊接，確保桁架與剪力墻的剛性連接。將轉換層設為薄弱層。

8)對轉換桁架上弦桿所在樓層，加大樓板板厚并加強配筋，并進行樓板抗剪承載力驗算。

9)補充靜力彈塑性分析(Pushover驗算)，復核結構彈塑性層間位移，觀察結構的薄弱部位出鉸機制和出鉸順序及屈服程度，根據結果對關鍵部位(或構件)進行有針對性的加強，確保大震安全。大震作用下的彈塑性位移角應不大于1/100。

5 小震作用下轉換層驗算

在不考慮樓板傳遞水平力的假定條件下驗算轉換桁架傳遞水平荷載的承載能力(即轉換層“零樓板”驗算)。在計算模型中將轉換層的桁架區域樓板設為彈性膜，即不考慮樓板剛度作用(見圖3)，取桁架桿件的最不利內力組合，根據《混規》第6.2.25條及《型鋼混凝土組合結構技術規程》第6章進行驗算。經驗算，桁架所有桿件均能滿足要求。

轉換層樓板應按《高規》第10.2.24條進行抗剪承載力驗算。轉換層上部的框柱柱底剪力設計值由Satwe計算而得，經驗算，樓板受剪承載力滿足要求。

6 中震設計

在設防烈度地震作用下，本工程結構豎向構件的性能目標是“中震彈性”，根據《高規》3.11.3條的規定，在中震作用下，結構構件抗震承載力應符合下式的規定：

經驗算，中震作用下結構豎向構件均能實現“彈性”的性能目標。

7 大震設計

預估的罕遇地震作用下，本工程各類關鍵豎向構件的主要構件的性能目標分別是:

1)剪力墻及框柱：主要墻肢滿足截面控制條件。

2)轉換桁架桿件及轉換柱：不屈。

7.1 首層墻肢截面大震作用下抗剪承載力計算

根據性能水準4，大震作用下鋼筋混凝土豎向構件的受剪截面應符合下式要求：

7.2 轉換層桁架大震作用不屈計算

根據《高規》第3.11.3條，大震作用下關鍵構件的承載力應符合下式要求：

經驗算，大震作用下，剪力墻主要墻肢、轉換桁架、轉換柱能滿足相應的性能目標要求。

8 彈塑性靜力分析

根據《高規》第5.1.13條的規定“……和本規程第10章規定的復雜高層建筑結構，尚應……”，本工程為帶轉換層的高層，宜采用彈塑性靜力分析方法(Pushover分析)補充計算。主要可以實現以下目標：

1)通過小震性能點下的結構響應分析，可校核小震作用下結構的受力與變形狀況。

2)通過分析得到結構能力曲線，并與需求譜曲線比較，可判斷結構是否能夠找到性能點、整體上滿足預定的大震需求性能目標。

3)判斷在性能點狀態下的最大層間位移角是否滿足層間彈塑性位移角限值。

4)模擬地震作用不斷加大水平力，觀察加載過程中構件的破壞順序(塑性鉸的發展)是否與概念設計預期相符；結構構件的變形，是否超過某一性能水準下的允許變形。

5)對大震作用下結構的薄弱部位以及各構件的塑性發展程度有個定性的考察，對須加強設計的構件提供理論依據。

靜力彈塑性分析(即Pushover分析)采用中國建研院的PUSH&EPDA軟件進行計算，由計算結果可知，建筑物的需求譜與能力譜曲線在X向和Y向均可以得到交點(X主方向性能點對應的最大層間位移角為1/826，Y主方向性能點對應的最大層間位移角為1/830)，結構滿足在大震作用下預定性能水準的要求。另外，由于剪力墻的延性較好并且框柱起到了第二道防線的作用，結構在達到性能點后仍能繼續承載。

9 結語

針對超限情況，綜合考慮結構特殊性、抗震設防烈度、建造費用等因素，確定抗震性能目標，再根據性能目標的各性能水準，采用相應的計算方法和抗震措施，為本工程的設計思路。隨著社會經濟的發展，人民對建筑功能有了更多的要求，超限項目會不斷增加，本超限高層采用的設計方法和抗震措施能為今后類似項目提供一定的借鑒。

[1] GB 50011—2010，建筑抗震設計規范[S].

[2] JGJ 3—2010，高層建筑混凝土結構技術規程[S].

[3] GB 50010—2010，混凝土結構設計規范[S].

[4] JGJ 138—2001，型鋼混凝土組合結構技術規程[S].

The seismic performance design key points for a super high-rise building

Li Jinglang1Hu Jian2

(1.DesignBranch,ZhejiangJiaogongGroupLimitedCompanybyShare,Hangzhou310053,China; 2.HangzhouTurbineEngineeringLimitedCompanybyShare,Hangzhou310015,China)

Combining with the structural system and overrun situation of a high-rise building, this paper determined the seismic performance target of the building, elaborated its overrun anti seismic design scheme, and through the elastic-plastic static analysis, verified the feasibility of the scheme, meet the requirements for viscous dampers.

high-rise building, structural system, seismic measure, elastic-plastic analysis

1009-6825(2017)09-0031-02

2017-01-15

李靜浪(1978- )，男，工程師； 胡 健(1974- )，男，工程師

TU352

A