基于性能抗震設(shè)計的超限高層建筑結(jié)構(gòu)分析

盧登榜

(福建省萬博宇建設(shè)技術(shù)開發(fā)有限公司 福建廈門 361004)

基于性能抗震設(shè)計的超限高層建筑結(jié)構(gòu)分析

盧登榜

(福建省萬博宇建設(shè)技術(shù)開發(fā)有限公司 福建廈門 361004)

某工程具有B級高度、側(cè)向剛度不規(guī)則、豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)等超限問題。文章以其為案例，分析其結(jié)構(gòu)抗震性能及不規(guī)則程度，并運用基于性能抗震設(shè)計的方法，從宏觀上提出結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)。通過彈塑性時程分析研究結(jié)構(gòu)在大震下的塑性鉸出現(xiàn)順序和各構(gòu)件的破壞情況，進而研究結(jié)構(gòu)的耗能機構(gòu)和破壞機制，判定薄弱部位并采取有效的抗震措施，以達到預(yù)期的性能目標(biāo)和性能水準(zhǔn)。結(jié)構(gòu)分析結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)各項指標(biāo)均符合國家規(guī)范要求，具有良好的抗震性能，基于性能的抗震設(shè)計方法是合理有效的。

超限高層；性能抗震設(shè)計；彈塑性時程分析；塑性鉸

1 工程概況

該工程位于成都市龍泉驛區(qū)世紀(jì)廣場的東北方向，占地面積約1.33hm2，地塊呈較規(guī)則的矩形；地上36層，地下2層，建筑總高度169m,總建筑面積約為88 018m2。

大樓使用功能設(shè)定為甲級寫字樓，其中地下一層、二層為汽車庫及設(shè)備用房、廚房；地上一層為大樓門廳、管理用房等；二～三層為餐廳；四～六層為茶房、健身、會議；七～三十三層均為辦公(十四、二十六為避難層，二十五層為會議層)；三十四層為避難層和設(shè)備層;三十五層為會所層;三十六層為會所夾層。地下室底板頂面埋深-10.800m。房屋層高：地下室為5.4m，七層及以下為 5.4m、4.5m,上部塔樓主要為4.0m，個別樓層為4.5m、5.4m。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

丙類建筑，安全等級為二級，設(shè)計使用年限為50年。設(shè)防烈度7度(0.10g)，設(shè)計地震分組為第三組，場地類別為Ⅱ類，場地特征周期取0.45s，多遇地震影響系數(shù)最大值取αmax=0.094(根據(jù)安評報告)；地面粗糙類別為B類，基本風(fēng)壓取為0.35kN/m2(按100年重現(xiàn)期的風(fēng)壓值)。

2.1 塔樓

該工程建筑總高度為169m，為B級高度的高層建筑。塔樓采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)，地面以上框架柱大多數(shù)為凸字形，框架柱截面從1 300mm×1 300mm逐漸變到1 300mm×600mm，核心筒外圍剪力墻厚度由800mm變到400mm。核心筒內(nèi)部剪力墻厚度為200mm～300mm?？蚣苤凹袅炷翉姸鹊燃墳镃60-C30。

上部塔樓結(jié)構(gòu)布置采用單向梁體系，梁間距2 250mm，梁兩端分別支承于核心筒和外圍框架梁、柱上，角部為雙向梁。辦公區(qū)的建筑空間凈空要求梁高不大于800mm，外圍框架梁截面為400mm×750mm，內(nèi)部框架梁截面為300mm×750mm。塔樓內(nèi)樓板厚度100mm，會所及夾層樓板厚120mm，根據(jù)建筑功能要求，一層局部抽柱，采用型鋼混凝土梁柱轉(zhuǎn)換。

2.2 地下室

該工程塔樓與地下室連成整體，地下室采用框架結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆梁板體系。柱混凝土強度等級為C60，梁板混凝土強度等級為C30。地下一層板厚120mm；一層作為塔樓的嵌固層，板厚180mm。

2.3 結(jié)構(gòu)抗震等級

該工程塔樓及塔樓地下室框架的抗震等級為一級、剪力墻為一級；塔樓外地下框架抗震等級為三級。

2.4 地基基礎(chǔ)

該工程塔樓采用樁筏基礎(chǔ)，筏板厚3.0m，樁為人工挖孔樁，樁長20m，樁身直徑1.5m，樁底擴大頭4m，以中風(fēng)化～微風(fēng)化泥巖為樁端持力層，單樁承載力23 950kN,間距5.5m梅花型滿堂布置。純地下室采用柱下獨立基礎(chǔ)加防水板，置于粘土層上，地基承載力特值fak不小于220kPa。

3 超限情況[1]

(1)該工程屬于B級高度的框架核心筒結(jié)構(gòu)。

(2)不滿足規(guī)范“相鄰層剛度變化不大于70%或連續(xù)三層變化不大于80%”的要求，但很接近。

(3)豎向構(gòu)件不連續(xù)，在二層抽了兩根柱，采用型鋼桁架，型鋼柱轉(zhuǎn)換。

4 抗震性能目標(biāo)

該工程的超限情況主要為高度超限，沿建筑外圍設(shè)較密的框架柱，雖不滿足筒中筒的條件，但近似筒中筒的工作機理?？拐鹦阅茌^好，故將抗震性能目標(biāo)預(yù)定為D級[3]。

(1)小震：主體結(jié)構(gòu)震后不受損壞，允許個別延性構(gòu)件出現(xiàn)輕微裂縫，不需修理即可繼續(xù)使用。

(2)中震：主體結(jié)構(gòu)震后產(chǎn)生一定的損壞，重要構(gòu)件輕微損壞，連梁及框架梁等耗能構(gòu)件出現(xiàn)中等程度損壞，有明顯的裂縫；經(jīng)過一般性修理后仍可繼續(xù)使用。

(3)大震：主體結(jié)構(gòu)震后發(fā)生明顯損壞，大部分構(gòu)件進入屈服，有明顯的裂縫；連梁及框架梁等耗能構(gòu)件嚴(yán)重?fù)p壞；結(jié)構(gòu)不發(fā)生倒塌，人員生命安全可以得到保證。

5 結(jié)構(gòu)計算分析

5.1 整體計算結(jié)果

采用SATWE和PMSAP兩種軟件進行結(jié)構(gòu)彈性階段的計算分析，并將兩者計算結(jié)果進行對比分析，采用合理值進行設(shè)計如表1所示。

表1 SATWE和PMSAP結(jié)構(gòu)彈性計算結(jié)果

5.2 彈性計算分析

(1)扭轉(zhuǎn)周期比為0.69，說明結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)不大，結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件布置較合理。

(2)最大扭轉(zhuǎn)位移比為1.19，說明結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)剛度較好，結(jié)構(gòu)平面布置較好。

(3)結(jié)構(gòu)前兩個周期均為平動周期，振型分布合理，衰減較快，達到了較理想的效果。

(4)層間位移角曲線平滑，無突變，結(jié)構(gòu)豎向剛度均勻，無明顯薄弱層。

(5)柱的最大軸壓比為0.73，剪力墻的最大軸壓比為0.50，如圖2所示。軸壓比控制較好，可以保證在大震下結(jié)構(gòu)的延性。

(6)從SATWE和PMSAP兩種不同力學(xué)計算模型的彈性計算結(jié)果可以看出，其主要計算指標(biāo)比較吻合，無明顯差異，構(gòu)件的配筋基本一致。計算結(jié)果與概念設(shè)計的預(yù)期基本一致，證明計算結(jié)果的正確性。

5.3 時程分析

(1)采用SATWE的彈性動力時程分析程序進行多遇地震下彈性時程分析，按建筑場地類別和設(shè)計地震分組選用了SATWE地震波庫中的兩組實際地震記錄(TH1TG045和TH2TG045)和《場地地震安評報告》提供的擬建場地的兩組場地人工模擬加速度時程曲線(P5063-1和P5063-2)。由于實際地震記錄偏小，對兩組實際地震記錄的地震力取放大系數(shù)2。

多遇地震彈性時程分析結(jié)果表明：每條時程曲線計算所得結(jié)構(gòu)底部剪力不小于振型分解反應(yīng)譜法的65%，多條時程曲線計算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值不小于振型分解反應(yīng)譜法的80%，計算結(jié)果滿足“高規(guī)”4.3.5條的要求。

(2)采用EPDA軟件進行了整體結(jié)構(gòu)的中震動力時程分析，選取一條人工波(P5010-1)和一條天然波(TH1TG045)，時間步長0.02s，阻尼比為0.05。分析結(jié)果表明，框架柱完好無損，核心筒剪力墻頂部出現(xiàn)裂縫，但不嚴(yán)重；部分構(gòu)架及框架梁端有明顯的裂縫，進入屈服階段，如圖4所示,可以實現(xiàn)中震可修的目標(biāo)。

圖2 P5010-1(中震)加速度時程

圖3 P502-1(大震)加速度時程

(3)采用EPDA軟件進行了整體結(jié)構(gòu)的大震動力時程分析，選取一條人工波( P502-1)和一條天然波(TH4TG045)，時間步長0.02s，阻尼比為0.05，如圖3所示。分析結(jié)果表明，大震下結(jié)構(gòu)塑性層間位移角滿足規(guī)范要求，核心筒剪力墻出現(xiàn)一定數(shù)量的裂縫，但不嚴(yán)重，塑性鉸主要出現(xiàn)在剪力墻連梁或框架梁端上，如圖3所示，為理想的“梁鉸”機構(gòu)，具有良好的耗能能力，達到性能設(shè)計的目標(biāo)。

5.4 性能抗震設(shè)計分析

(1)通過大震下的塑性鉸分布圖，并結(jié)合圖4和圖5可以看出，隨著時程分析的進行，頂部混凝土構(gòu)架梁端首先出現(xiàn)塑性鉸，接著頂部剪力墻出現(xiàn)受拉裂縫，而后框架梁端和核心筒連梁大量出鉸，最后底部剪力墻部分出現(xiàn)受壓裂縫。

中震彈塑性動力時程分析結(jié)果 大震彈塑性動力時程分析結(jié)果圖4 最大位移角時刻的塑性區(qū)域分布圖

10s時刻 20s時刻圖5 X向地震作用不同時刻刻的塑性區(qū)域分布圖

(2)梁的塑性鉸主要出現(xiàn)在外圍框架梁和核心筒連梁處,出現(xiàn)大量破壞。墻體有受壓(結(jié)構(gòu)底部)，受拉破壞(結(jié)構(gòu)頂部),但未出現(xiàn)大量破壞?？蚣苤旰?，未出現(xiàn)破壞。

(3)以上分析可見，框架梁和核心筒連梁作為結(jié)構(gòu)的第一道抗震防線，出現(xiàn)大量破壞，吸收和消耗掉大部分地震能量，為合理的“梁鉸”耗能機構(gòu)和破壞機制。剪力墻作為結(jié)構(gòu)的第二道抗震防線，墻體頂部和底部出現(xiàn)裂縫，但未出現(xiàn)大量破壞，可判定為結(jié)構(gòu)的“薄弱部位”，設(shè)計時對該部分采取有效的加強措施。框架柱完好，分析原因為嚴(yán)格控制了柱的軸壓比，安全儲備較多。

5.5 性能抗震設(shè)計目標(biāo)實現(xiàn)情況

(1)小震：彈性時程分析的結(jié)果與振型分解法的結(jié)果基本一致，結(jié)構(gòu)完好損傷，不需修理即可繼續(xù)使用，能夠?qū)崿F(xiàn)小震的設(shè)計性能目標(biāo)。

(2)中震：核心筒剪力墻頂部出現(xiàn)了輕微的損壞，連梁及框架梁等耗能構(gòu)件發(fā)生中等損壞，進入屈服階段，整體結(jié)構(gòu)基本完好，經(jīng)修理后可繼續(xù)使用。設(shè)計時，按中震不屈服和小震彈性計算結(jié)果的較大值進行剪力墻薄弱部位的設(shè)計，進一步提高整體結(jié)構(gòu)的抗震性能，以滿足中震的性能設(shè)計目標(biāo)。

(3)大震：核心筒剪力墻底部和頂部出現(xiàn)部分裂縫，但不嚴(yán)重。連梁及框架梁大量出現(xiàn)塑性鉸，形成了良好的耗能機構(gòu)。對剪力墻薄弱部位采取加強措施后的墻體塑性區(qū)域明顯較少，且通過從嚴(yán)執(zhí)行《高規(guī)》第7.2.16條關(guān)于B級高度結(jié)構(gòu)剪力墻的相關(guān)規(guī)定[2]，使得整體結(jié)構(gòu)的延性得到一定的提高，具有更好的抗震能力，保證了大震下“壞而不倒”的性能目標(biāo)D的要求，且結(jié)構(gòu)的實際抗震性能目標(biāo)接近C級。

6 超限的處理措施及對策

6.1 針對房屋高度的超限及薄弱部位，采取以下措施

(1)結(jié)合建筑造型，沿建筑外圍設(shè)較密的框架柱，從計算結(jié)果看，設(shè)外圍密柱后結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度較大，最大位移值和層間位移角均較小，有效提高了建筑的安全度和舒適性。

(2)加強核心筒底部加強區(qū)及頂部三層墻體的豎向構(gòu)件設(shè)計。

①該部位墻體最小配筋率提高到0.3%,約束邊緣構(gòu)件縱向鋼筋最小構(gòu)造配筋率提高到1.3%，配箍特征值放大1.1倍。

②塔樓底部加強區(qū)的框架柱全高采用井字復(fù)合箍，且不小于Φ12@100，以提高框架柱的延性。

柱全部縱向鋼筋最小構(gòu)造配筋百分率提高到1.2%；最小配箍特征值比規(guī)范規(guī)定值提高0.01。嚴(yán)格控制加強區(qū)框架柱的軸壓比不超過0.7[2]。

(3)其余位置的剪力墻從嚴(yán)執(zhí)行《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第7.2.16條關(guān)于B級高度結(jié)構(gòu)剪力墻的相關(guān)規(guī)定。

6.2 針對“相鄰層剛度變化不大于70%或連續(xù)三層變化不大于80%”的超限

(1)按規(guī)范要求薄弱層地震剪力放大為1.15倍。

(2)相關(guān)樓層的墻體最小配筋率提高到0.3%,約束邊緣構(gòu)件縱向鋼筋最小構(gòu)造配筋率提高到1.3%，配箍特征值放大1.1倍。

(3)相關(guān)樓層的框架柱全高采用井字復(fù)合箍，且不小于Φ12@100，以提高框架柱的延性。柱全部縱向鋼筋最小構(gòu)造配筋百分率提高到1.2%；最小配箍特征值比規(guī)范規(guī)定值提高0.01。

6.3 豎向構(gòu)件不連續(xù)，在二層抽了兩根柱

(1)采用型鋼桁架，型鋼柱轉(zhuǎn)換，增加構(gòu)件的延性。型鋼梁柱剛接，型鋼柱一直延伸至基礎(chǔ)，自成穩(wěn)定體系。

(2)加大與轉(zhuǎn)換桁架相接的框架梁配筋。

(3)加厚轉(zhuǎn)換桁架上下弦桿處樓板為150mm，且提高樓板的配筋率到0.5%，以加強對桁架的平面外約束。

7 結(jié)語

本文詳細(xì)論述了該項目的超限情況、結(jié)構(gòu)設(shè)計、彈性計算分析、彈塑性時程分析、基于性能的抗震設(shè)計分析，以及針對薄弱部位和超限情況所采取相對應(yīng)的抗震措施等內(nèi)容。結(jié)構(gòu)分析結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)各項指標(biāo)均符合國家規(guī)范要求，具有良好的抗震性能。本文基于性能抗震設(shè)計的分析應(yīng)用是合理有效的，可為同類超限工程提供一定的參考意義。

[1] 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[S].2015.

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

[3] 羅軍.某典型超限高層酒店基于性能的抗震設(shè)計方法應(yīng)用[J].福建建筑,2015(1):47-52.

The performance-based seismic design of an out-of-codes high-rise building

LUDengbang

(Fujian Province wanboyu Building A Technology Development Co. Ltd，Xiamen 361004)

Several out-of-codes characteristics were existed in this project, including B level height, irregular lateral stiffness, discontinuous lateral resistant members. Through the analysis of the seismic performance and the degree of structural irregularity, performance-based seismic design methods were used in this paper to propose structural macroscopic performance perspectives. Based on the elastic-plastic time history analysis, the plastic hinge order of the structure and the damage situation of each component could be seed ,then the energy dissipation mechanism and failure mechanism were studied, so the weak floors and parts were discovered to take effective seismic measures to achieve the desired performance objectives and performance standards. The results had showed that the structure could meet all of the code requirements and had a good seismic performance, and the application of performance-based seismic design were reasonable and effective.

Out-of-codes high-rise building；Performance-based seismic design；Elastic-plastic time-history analysis；Plastic hinge

盧登榜(1982.11- )，男，工程師。

E-mail:95479804@qq.com

2017-02-20

TU973

A

1004-6135(2017)06-0068-04