基于抗震性能分析的超限高層設計

劉 震

(上海中梁地產集團有限公司，上海 200331)

1 性能目標及性能水準

針對不同抗震設防要求、場地條件以及建筑的重要性，采用不同的性能目標[1,2]和抗震措施。根據《高層建筑混凝土結構技術規范》[3]結構抗震性能目標分為A,B,C,D四個等級，結構抗震性能分為五個水準。

2 本工程性能目標的確定

本工程擬采用抗震性能目標C對超限高層進行分析設計，具體表述如下：

1)7度多遇地震下，結構完好，進行彈性設計，豎向構件無損壞，耗能構件無損壞，不需修理即可繼續使用；

2)7度設防烈度下，輕微損壞，進行不屈服計算，結構薄弱部位或重要部位構件不屈服，不考慮地震內力調整；抗震承載力滿足強度標準值，材料分項系數、作用分項系數取1.0；允許部分選定的部位進入屈服階段，但不得發生脆性破壞(如剪切等)；一般修理后可繼續使用；

3)7度大震下中等損壞，進入限定屈服狀態，模擬非線性分析，滿足既定的變形要求，重要部位構件允許達到屈服但滿足既定的變形要求(混凝土的層間變形控制在1/50)，豎向構件不發生脆性破壞；修復或加固后可繼續使用。

3 工程實例

3.1 工程概況

本工程為高層五星級酒店，地上建筑面積為62 940 m2，共10層，建筑高度42.6 m。建筑首層為商業用房及酒店配套用房，層高6 m；2層為宴會廳、會議室等酒店配套用房，層高5 m；3層、4層為酒店配套用房及客房，層高3.5 m；5層以上為酒店客房，層高3.5 m。鋼筋混凝土框架結構，標準層平面呈圓弧形，標準柱網尺寸為8.7 m×9.8(10.3)m。

3.2 超限判定

本工程建筑高度為A級高度限值，滿足(建質[2010]109號)規定表一的要求；結構規則性判斷結果如下：

一項不規則項超限：

第3項：本層側向剛度小于相鄰上層的50%。

X向地上2層與地上3層側向剛度之比為0.477。

Y向地上2層與地上3層側向剛度之比為0.362。

三項不規則項超限：

第1a(1b)項：考慮偶然偏心的扭轉位移比大于1.2。

相鄰層質心相差大于相應邊長15%。

第4a(4b)項：相鄰層剛度變化大于70%或連續3層變化大于80%。

豎向構件位置縮進大于25%。

第7項：斜柱(78.7°)。

3.3 各項不規則超限具體情況

1)根據計算結果，偶然偏心下的扭轉位移比：X方向最大值為1.34>1.2；Y方向最大值為1.23>1.2，但均小于1.4;

2)根據計算結果，標準層偏心率自2層向上逐漸減?。篨方向最大值為12.5%<15%，Y方向最大值為5.7%<15%；

3)根據計算結果，本工程3層處X向,Y向層剛度比值(本層側移剛度與上一層相應側移剛度70%的比值或上三層平均側移剛度80%的比值中之較小者)分別為0.79,0.64，不滿足規范要求；

4)主樓部分帶有2層裙房，裙房結構高度為H1=13+0.5=13.5 m，結構總高H=41.5 m，H1/H=0.325>0.2，需考慮豎向縮進的影響，縮進的豎向位置在3層樓面處。豎向縮進百分比：A—A剖面處為35%>25%；B—B剖面處為47%>25%，且大于35%(見圖1)；

5)主體結構兩側兩端兩排8根柱子在4層以上向同一方向傾斜向上，斜柱與水平面角度為78.7°;

6)根據計算結果，塔樓與底盤的質心偏心率：X方向為4.5%<20%；Y方向為8.1%<20%(見圖1)；

7)根據計算結果，本工程受剪承載力比值均滿足規范要求。

總結：以上不規則項中，第1)項、2)項不重復計入，第6)項，7)項均滿足規范要求，故存在1項平面不規則、3項豎向不規則，應屬于超限高層建筑。

3.4 計算分析內容

1)整體結構多遇地震作用下彈性分析。

首先進行結構多遇地震作用下彈性分析，各項指標滿足現有規范的基本要求。

2)重要結構構件的中震和大震下的彈塑性分析。

對結構受力關鍵部位(豎向構件)以及斜柱(主要為兩端頭4層以上8根斜柱)，進行詳細的計算分析，確保相應部位結構構件在相應烈度地震下的受力性能。

3.5 重要構件的中震和大震下的彈塑性分析

3.5.1重要構件抗震性能目標和抗震性能水準的設定

本工程4層至屋面兩端兩排8根柱子為向同一方向同一角度傾斜而上的斜柱，這8根框架柱為本工程的關鍵及薄弱構件。為確保整體結構的安全，對上述結構構件提出具體的抗震性能目標。具體按以下規定進行設計：

1)在中震作用下：

2)在大震作用下：

3.5.2重要構件的抗震性能設計的實施

1)計算分析采用的程序和主要設計參數。

采用SATWE程序根據上述抗震性能設計目標進行相關結構構件的計算分析，中震及大震驗算均采用彈性分析(適當考慮結構彈塑性)。主要分析計算參數取值如下：

水平地震影響系數最大值取0.23(中震)、0.45(大震)；

結構的阻尼比取為0.06(中震)、0.07(大震)；

中震彈性計算時：荷載效應以及材料強度均采用設計值，承載力抗震調整系數γre按規范取值；

中震以及大震不屈服計算時：荷載效應以及材料強度均采用標準值，承載力抗震調整系數γre取1.0。

2)中震下斜柱正截面不屈服計算結果。

計算結果表明，在中震作用下，斜柱的計算配筋值比小震彈性下的計算配筋值大，施工圖斜柱縱筋配筋擬采用中震不屈服計算結果。

3)中震下斜柱受剪彈性計算結果。

計算結果表明，在中震作用下，斜柱的箍筋配筋值未超過小震彈性下的計算配筋值。

4)大震下斜柱抗剪截面限值條件驗算。

計算結果表明：大震作用下，4層及以上層斜柱最大計算剪力值為3 090 kN，4層以上斜柱截面為900×900，混凝土的等級為C40，0.15fckbh0=0.15×26.8×900×870=3 147.7 kN,斜柱受剪截面滿足規范要求；均未出現不滿足剪壓比限值的情況，滿足大震下抗剪截面限值條件。

3.6 罕遇地震彈塑性靜力推覆分析(PUSH)

3.6.1彈塑性分析的目的

1)了解結構在罕遇地震下的彈塑性性能，根據彈塑性變形驗算，判斷結構在罕遇地震下的抗倒塌能力；

2)了解框架的損傷和塑性變形情況，著重發現結構的薄弱樓層以及薄弱構件；

3)根據上述分析結果，針對薄弱部位和薄弱構件提出切實可行的構造措施。

分析計算采用中國建筑科學研究院PKPMCAD工程部編制的“PUSH&EPDA”。

3.6.2計算結果分析

1)最不利方向的能力曲線、需求曲線及抗倒塌驗算簡圖如圖2所示。

根據圖2中顯示，最不利方向的需求層間位移角為1/124<1/50，可滿足“大震不倒”的最低性能目標要求。

2)最不利方向第44加載步結構位移曲線及層間位移角曲線見圖3。

根據圖中顯示，罕遇地震下層間位移角曲線呈折線型，在2層和5層樓面處存在較大幅度的彎折，主體結構存在明顯的薄弱樓層。圖中顯示，最大層間位移角樓層為第5層。

3)最不利方向第39加載步結構塑性鉸及彈塑性狀態見圖4。

根據結構彈塑性狀態簡圖可知，在罕遇地震作用下，大部分塑性鉸都出現在框架梁上，框架柱中僅在兩端斜柱有塑性鉸出現，基本可以實現“強柱弱梁”的設計原則。

根據上述情況，兩端斜柱為本工程的相對薄弱構件，施工圖設計時擬采取提高斜柱縱筋及箍筋的配筋率等措施進行加強處理。

3.7 抗震設計結論

1)兩種軟件的計算結果比較接近，結構構件在多遇地震下均處于彈性工作狀態，層間位移角滿足規范要求，可保證小震完好、無損壞。

2)通過對某些重要構件進行中震彈性分析(主要為斜柱)，重要構件結構的抗震性能目標達到預定目標。在中震作用下，構件的宏觀破壞程度可以滿足輕度損壞級別，在大震作用下，構件的宏觀破壞程度介于中度損壞～比較嚴重破壞之間。

綜上所述，本工程抗震設計基本可以達到預期的性能目標，在規范規定的地震作用下，結構是安全的。

4 結語

通過以上工程實例以及理論闡述，可以得到以下結論：

1)通過基于性能的抗震設計方法應用于實際工程的分析設計，可將工程切實可行的推行下去，這種抗震設計理念是未來結構抗震設計的必然趨勢；

2)抗震性能分析計算過程的復雜性，必須具有行之有效的計算軟件以達到業主和使用者對建筑功能要求。

參考文獻：

[1] 張毅剛，楊大彬.基于性能的空間抗震設計研究現狀與關鍵問題[J].建筑結構學報，2010，31(6):145-152.

[2] 馬宏旺，呂西林.建筑結構基于性能抗震設計的幾個問題[J].同濟大學學報，2002,30(12):1429-1434.

[3] JGJ 3—2001,高層建筑混凝土結構技術規程[S].