成都某超限高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

馬志林, 彭 博, 伍小濤

(成都基準(zhǔn)方中建筑設(shè)計(jì)有限公司, 四川成都 610017)

1 工程概況

1.1 工程基本概況

成都某超限高層4號(hào)樓是以住宅為主局部帶2層裙房的住宅開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，結(jié)構(gòu)類型為剪力墻結(jié)構(gòu)，建筑面積5.8735×104m2，地上42層，總高度126.950 m，平面尺寸為38.4 m×26.1 m，地下3層，總高度15.7 m(圖1)。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)層平面、建筑剖面及PKPM模型三維模型

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50 a，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)；建筑設(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本加速度為0.1g，設(shè)計(jì)地震分組為第三組，場(chǎng)地類別為Ⅱ類；基本風(fēng)壓為0.3 kN/m2，地面粗糙度類別為C類。

1.2 超限情況

依據(jù)GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》、JGJ 3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(以下簡(jiǎn)稱《高規(guī)》)、建質(zhì)[2010]109號(hào)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》以及DB 51-T5058-2008《四川省抗震設(shè)防超限高層建筑工程界定標(biāo)準(zhǔn)》等的規(guī)定，本工程屬于超限高層建筑。超限內(nèi)容有：(1)高度超限，屬于超A級(jí)高度剪力墻結(jié)構(gòu)高層建筑；(2)Y向扭轉(zhuǎn)位移比為1.25，屬扭轉(zhuǎn)不規(guī)則；(3) 凹凸不規(guī)則。

1.3 抗震性能目標(biāo)

針對(duì)項(xiàng)目的超限情況，依據(jù)《高規(guī)》確定本結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)為D級(jí)，抗震性能目標(biāo)按表1控制。

表1 項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)性能設(shè)計(jì)目標(biāo)及震后性能狀態(tài)

2 計(jì)算模型

本工程結(jié)構(gòu)計(jì)算分析主要分彈性和彈塑性兩個(gè)階段。彈性階段采用振型分解反應(yīng)譜法對(duì)多遇地震作用進(jìn)行分析，使用軟件為PKPM2.2及MIDAS Building，并采用彈性時(shí)程分析法進(jìn)行了多遇地震下的補(bǔ)充計(jì)算;罕遇地震下采用SAUSAGE進(jìn)行了彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析，并采用等效彈性方法進(jìn)行大震不屈服設(shè)計(jì)，以檢驗(yàn)關(guān)鍵構(gòu)件是否滿足抗剪截面要求。

3 抗震性能設(shè)計(jì)分析

3.1 多遇地震下的抗震性能分析

采用SATWE 簡(jiǎn)化墻元模型和Midasbuilding 細(xì)分墻元模型兩種力學(xué)模型進(jìn)行了多遇地震下的空間結(jié)構(gòu)分析及靜力與彈性時(shí)程的計(jì)算。

3.1.1 靜力計(jì)算主要結(jié)果

多遇地震下兩種模型整體計(jì)算的主要結(jié)果見(jiàn)表2。從表中可以看出，兩種模型計(jì)算的主要指標(biāo)基本吻合，具有可比性，說(shuō)明模型及計(jì)算結(jié)果是合理且有效的，結(jié)果均滿足規(guī)范要求，可以作為工程設(shè)計(jì)的依據(jù)。

表2 彈性階段整體內(nèi)力、位移主要計(jì)算結(jié)果

3.1.2 彈性動(dòng)力時(shí)程分析

彈性動(dòng)力時(shí)程分析分別采用1條擬合目標(biāo)譜的人工地震波和2條天然地震波進(jìn)行計(jì)算。圖2～圖4的計(jì)算結(jié)果表明，單組地震波輸入計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力均在CQC反應(yīng)譜法的65 %～135 %之間，3組地震波計(jì)算結(jié)果的平均值也介于CQC反應(yīng)譜法結(jié)果的80 %～120 %之間，滿足規(guī)范與“統(tǒng)計(jì)意義相符”的要求。

(a) 0°主方向樓層剪力/kN

(b) 90°主方向樓層剪力/kN圖2 彈性時(shí)程分析與反應(yīng)譜樓層剪力對(duì)比

(a) 0°主方向?qū)娱g位移角/kN

(b) 90°主方向?qū)娱g位移角/kN圖3 彈性時(shí)程分析與反應(yīng)譜層間位移角對(duì)比

此外4號(hào)樓彈性時(shí)程分析時(shí)的位移角均小于振型分解反應(yīng)譜法的位移角，且都滿足規(guī)范1/1 000的要求。除天然波2外最大位移角出現(xiàn)的樓層也比較接近，說(shuō)明所選波在統(tǒng)計(jì)意義上符合規(guī)范要求。

彈性時(shí)程法分析結(jié)果與振型分解反應(yīng)譜法的分析結(jié)果具有一致性，但彈性時(shí)程分析結(jié)果的樓層剪力和底部剪力有大于CQC法情況。根據(jù)規(guī)范，結(jié)構(gòu)地震作用效應(yīng)取時(shí)程法計(jì)算結(jié)果的包絡(luò)值與CQC反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的較大值進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(a) 0°主方向樓層位移/kN

(b) 90°主方向樓層位移/kN圖4 彈性時(shí)程分析與反應(yīng)譜樓層位移對(duì)比

綜上所述，在多遇地震水準(zhǔn)作用下，振型分解反應(yīng)譜法和時(shí)程分析法的分析結(jié)果均表明，結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)控制指標(biāo)滿足規(guī)范要求。結(jié)構(gòu)構(gòu)件在多遇地震下處于彈性狀態(tài)，說(shuō)明結(jié)構(gòu)選型可靠，布置可行，各構(gòu)件的截面尺寸適宜，整體結(jié)構(gòu)的變形不會(huì)導(dǎo)致非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞，多遇地震下結(jié)構(gòu)的承載力和變形能夠滿足性能水準(zhǔn)1的要求。

3.2 罕遇地震彈塑性時(shí)程分析

3.2.1 模型建立

本工程混凝土本構(gòu)關(guān)系選用彈塑性損傷模型，該模型可較為準(zhǔn)確地反映混凝土材料在各向拉壓條件下的屈服準(zhǔn)則、受拉軟化行為、受壓硬化及軟化行為、剛度及強(qiáng)度退化等力學(xué)特征。

一維桿件彈塑性模型采用纖維束模型，纖維束可以是鋼材也可以是混凝土材料，根據(jù)材料本構(gòu)關(guān)系推得纖維力。二維剪力墻和樓板彈塑性模型采用SAUSAGE彈塑性殼單元。為提高剪力墻在地震作用下的延性，通常在剪力墻的端部設(shè)置暗柱甚至暗撐，暗柱或暗撐由一維單元模擬。該單元是一個(gè)二節(jié)點(diǎn)的線性插值單元，與剪力墻單元的節(jié)點(diǎn)耦合。

結(jié)構(gòu)動(dòng)力時(shí)程分析過(guò)程中，阻尼對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)的幅值有比較大的影響。本工程采用擬模態(tài)阻尼體系，該方法基于Cauchy阻尼形式變化，合理性優(yōu)于通常采用的瑞雷阻尼形式，并考慮前10階模態(tài)阻尼比為5 %。

模型中構(gòu)件損壞的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)主要是混凝土的受壓損傷因子及鋼材的塑性應(yīng)變程度，與《高規(guī)》中構(gòu)件的損壞程度對(duì)應(yīng)關(guān)系詳表3。

3.2.2 整體計(jì)算結(jié)果

罕遇地震彈塑性時(shí)程分析采用SAUSAGE，輸入了3組三向地震波(人工波、天然波1和天然波2)進(jìn)行分析。各組地震波下的X、Y向最大層間位移角和結(jié)構(gòu)底部剪力如表4和表5所示。

表3 結(jié)構(gòu)損傷判斷依據(jù)

其中X向最大層間位移角為1/153，Y向最大層間位移角為1/201，均滿足規(guī)范限值[1/120]。樓層位移在罕遇地震作用下最大頂點(diǎn)位移X向?yàn)?.608 m、Y向?yàn)?.421 m，均發(fā)生在天然波2作用下，滿足“大震不倒”的設(shè)防要求。 罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)底部剪力值與相應(yīng)的大震彈性地震作用下結(jié)構(gòu)底部剪力值之比均在0.5～0.75之間，表明結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下塑性發(fā)展程度較為顯著，結(jié)構(gòu)整體剛度下降較多，地震能量較多被進(jìn)入塑性階段的構(gòu)件耗散(大部分連梁和部分框架梁屈服而退出工作)，從而減小了豎向構(gòu)件在大震下的損傷，有利于實(shí)現(xiàn)大震不倒的要求。

3.2.3 結(jié)構(gòu)損傷情況

選擇4號(hào)樓損傷比較嚴(yán)重的地震波進(jìn)行分析，由圖5可知在此地震波作用下連梁已經(jīng)達(dá)到嚴(yán)重破壞的程度，與連梁相連的墻肢和底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻均出現(xiàn)了局部損傷，非底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻損傷不明顯，直至?xí)r程發(fā)展到最后時(shí)刻，整體剪力墻仍然沒(méi)有出現(xiàn)比較嚴(yán)重的損傷，表現(xiàn)出了較好的抗震性能。

表4 X向?qū)娱g位移角

表5 彈塑性分析底部剪力與大震不屈服及小震對(duì)比

圖5 罕遇地震下整體結(jié)構(gòu)損傷

3.2.3.1 底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻損傷

底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻損傷情況詳見(jiàn)圖6。從圖中可以看出，首層剪力墻在左下角出現(xiàn)局部受壓損傷大于0.5但寬度小于50 %的局部中度損傷，主要原因是二層該處墻肢截面由400 mm厚變?yōu)?00 mm厚。為了減小該處的影響，把二層該處的剪力墻厚度改為300 mm，以減小截面突變對(duì)受力的不利影響。墻肢加厚以后損傷明顯減小，而連梁的損傷有所增加，連梁耗散了地震能量從而保持了剪力墻完好，符合一般力學(xué)原則。三層及四層剪力墻損傷較小，均未達(dá)到0.5的損傷程度，說(shuō)明底部加強(qiáng)區(qū)有較好的抗震性能，能夠滿足大震的性能目標(biāo)。

3.2.3.2 鋼筋塑性應(yīng)變

從圖7可以看出，框架梁、連梁、剪力墻鋼筋在罕遇地震作用下未見(jiàn)塑性應(yīng)變，連梁混凝土受壓損傷時(shí)，鋼筋還能保持彈性階段。

3.2.3.3 大震不屈服剪力墻驗(yàn)算

通過(guò)讀取罕遇地震下的剪力進(jìn)行抗剪截面抗剪驗(yàn)算，材料均采用標(biāo)準(zhǔn)值，內(nèi)力采用SATWE大震不屈服結(jié)果，驗(yàn)算表明均能滿足高規(guī)性能水準(zhǔn)5對(duì)于關(guān)鍵構(gòu)件的要求。

綜上所述，罕遇地震下彈塑性分析的結(jié)果表明，連梁受壓損傷過(guò)程中很好的消耗了地震能量。由于連梁的屈服，結(jié)構(gòu)的剛度減小，結(jié)構(gòu)吸收的地震力減小，同時(shí)變形加大，但仍滿足規(guī)范限制要求，剪力墻在大震彈塑性分析時(shí)，除底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻局部出現(xiàn)損傷因子大于0.5受壓損傷之外，其它層剪力墻未發(fā)現(xiàn)受壓損傷。剪力墻及連梁鋼筋在彈塑性大震作用下未出現(xiàn)較大的塑性變形，表明結(jié)構(gòu)性能良好，達(dá)到了預(yù)期的抗震性能目標(biāo)的要求。

(a) 首層

(b) 二層

(c) 三層

(d) 四層

(e) 二層加厚圖6 一層～四層剪力墻損傷

(a) 框架梁鋼筋

(b) 剪力墻鋼筋

(c) 連梁鋼筋

4 抗震加強(qiáng)措施

(1)盡量減小結(jié)構(gòu)自重，采用高強(qiáng)度混凝土，輕質(zhì)隔墻，從而減小地震力。

(2)嚴(yán)格控制結(jié)構(gòu)底部加強(qiáng)區(qū)軸壓比，一層軸壓比均小于0.4，二層及以上軸壓比均小于0.5。

(3)一層樓板配筋率為0.25 %，采用雙層雙向。

(4)增大底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻分布筋配筋率，1～3層為0.4 %，首層建筑四大角配筋率局部提高至0.6 %，4層為0.3 %，底部加強(qiáng)區(qū)以上剪力墻分布筋配筋率0.25 %。

(5)首層樓梯開(kāi)洞較多的地方用剪力墻圍合。

(6)剪力墻底部加強(qiáng)區(qū)配筋采用中震不屈服和小震彈性大值配筋。

5 結(jié)論

依據(jù)《高規(guī)》，本工程抗震性能目標(biāo)為D級(jí)，通過(guò)三個(gè)設(shè) 防水準(zhǔn)的抗震計(jì)算分析表明：經(jīng)過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)在小震時(shí)能充分保證各構(gòu)件處于彈性狀態(tài)，中震時(shí)關(guān)鍵構(gòu)件及普通豎向構(gòu)件不屈服，大震時(shí)關(guān)鍵構(gòu)件基本完好，普通剪力墻基本完好，耗能構(gòu)件屈服，薄弱部位層間變形滿足規(guī)范要求。結(jié)合以上提出的對(duì)相對(duì)薄弱部位的加強(qiáng)措施，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的抗震性能目標(biāo)。