淺談超高層的計(jì)算與分析

單春紅

大連建筑設(shè)計(jì)研究所有限公司 遼寧大連 116011

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，超限結(jié)構(gòu)建筑愈來(lái)愈多。超限結(jié)構(gòu)是指超過(guò)規(guī)范要求限制的高層建筑。某工程中有超限結(jié)構(gòu)，以此超限結(jié)構(gòu)進(jìn)行淺談超高層的計(jì)算與分析。某超限結(jié)構(gòu)地上46層，結(jié)構(gòu)高度146.6米，采用鋼筋混凝土全落地剪力墻結(jié)構(gòu)，地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)嵌固端。塔樓結(jié)構(gòu)高度超過(guò)A級(jí)高度26.6米，為B級(jí)高度建筑[1]。剪力墻抗震等級(jí)為一級(jí)[2]。設(shè)計(jì)使用年限50年，建筑物抗震設(shè)防類(lèi)別丙類(lèi)，抗震設(shè)防烈度7度[3]。

1 地震作用

抗震設(shè)防目標(biāo)為“三個(gè)水準(zhǔn)”，即小震不壞，中震可修，大震不倒。

根據(jù)地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告，場(chǎng)地類(lèi)別屬于Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地。按超限審查要求，設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)：小震按“場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告”結(jié)果和規(guī)范的較大值確定，中震和大震按規(guī)范采用。本工程安評(píng)地震X、Y兩方向的基底剪力分別是規(guī)范小震的1.27、1.30倍，表明安評(píng)計(jì)算值大于規(guī)范計(jì)算的值，所以小震設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)按安評(píng)報(bào)告值取用，即結(jié)構(gòu)阻尼比0.05，特征周期0.35s，水平地震影響系數(shù)最大值0.1101。按規(guī)范，中震、大震場(chǎng)地特征周期分別為0.40s、0.50s，水平地震影響系數(shù)最大值分別為 0.23、0.50。

2 相關(guān)計(jì)算分析

2.1 多遇地震的計(jì)算分析

設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)按安評(píng)報(bào)告值取用后，進(jìn)行相關(guān)計(jì)算與分析。多遇地震的計(jì)算采用PKPM與MIDAS BUILDING進(jìn)行對(duì)比分析，經(jīng)計(jì)算，兩種軟件結(jié)果相近，符合小震不壞的抗震設(shè)防目標(biāo)。

多遇地震需要進(jìn)行彈性動(dòng)力時(shí)程分析，按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.1.2條要求，取三組加速度時(shí)程曲線(xiàn)輸入時(shí)，計(jì)算結(jié)果宜取時(shí)程法包絡(luò)值和振型分解反應(yīng)譜法的較大值。地震波取自PKPM地震波庫(kù)里人工加速度時(shí)程曲線(xiàn)RH1TG040、天然波TH1TG040和地震研究所提供的實(shí)際記錄天然波USER635a。

表1 彈性時(shí)程計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)底部剪力

表2 反應(yīng)譜法計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)底部剪力

每條波計(jì)算的底部剪力不小于振型分解反應(yīng)譜法求得的底部剪力的65%，且不大于130%。三條波計(jì)算的底部剪力平均值不小于振型分解反應(yīng)譜法求得的底部剪力的80%，且不大于120%。通過(guò)相關(guān)計(jì)算，需按包絡(luò)值對(duì)43層以上樓層的地震剪力進(jìn)行放大，放大系數(shù)為 1.12。

2.2 中震及大震計(jì)算

中震的抗震性能目標(biāo)，底部加強(qiáng)部位主要墻肢的偏拉、偏壓承載力需滿(mǎn)足中震不屈服，受剪承載力需滿(mǎn)足中震彈性；其余樓層主要墻肢的偏拉、偏壓和受剪承載力需滿(mǎn)足中震不屈服；連梁和框架梁的受剪承載力需滿(mǎn)足受剪截面控制條件。經(jīng)計(jì)算，中震不屈服計(jì)算時(shí)只有個(gè)別墻肢出現(xiàn)拉應(yīng)力，且拉應(yīng)力低于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，剪力墻中不需要配置抗拉型鋼。若出現(xiàn)拉應(yīng)力高于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，需配置抗拉型鋼。

大震計(jì)算分析主要有大震不屈服計(jì)算和彈塑性分析。大震不屈服墻肢需滿(mǎn)足大震時(shí)的受剪截面控制條件：VEK≦0.15fckbh0。彈塑性分析的構(gòu)件配筋直接讀取SATWE分析配筋結(jié)果，并對(duì)底部加強(qiáng)部位剪力墻配筋進(jìn)行人工調(diào)整，材料強(qiáng)度取標(biāo)準(zhǔn)值。桿件鉸判別條件為：截面剛度退化為初始截面剛度70%時(shí)，認(rèn)為出現(xiàn)塑性鉸；墻高斯點(diǎn)破壞條件為：墻高斯點(diǎn)的相對(duì)應(yīng)變超過(guò)0.9時(shí)，認(rèn)為高斯點(diǎn)破壞。

彈塑性分析時(shí)，X方向和Y方向分別在47步及30步達(dá)到性能點(diǎn)，所對(duì)應(yīng)的頂點(diǎn)位移分別為355.2、488.8mm，性能點(diǎn)對(duì)應(yīng)的最大層間位移角分別為1/287、1/269，分別在17～19層及27～31層；X方向和Y方向性能點(diǎn)的基底剪力分別為34666.9、33324.2KN，而規(guī)范小震的基底剪力分別為7393.0、7352.5KN，推覆基底剪力分別達(dá)到規(guī)范小震基底剪力的4.69、4.53倍。從以上結(jié)果可以看出，結(jié)構(gòu)在大震作用下能力曲線(xiàn)能夠穿越需求譜曲線(xiàn),說(shuō)明結(jié)構(gòu)在大震作用下是安全的。X、Y方向需求譜曲線(xiàn)和能力曲線(xiàn)的交點(diǎn)坐標(biāo)分別為（T，A）=2.990, 0.095、（T，A）=3.594, 0.091；對(duì)應(yīng)的層間位移角分別為1/287、1/269，滿(mǎn)足規(guī)范不大于1/120的要求。

從罕遇地震性能控制點(diǎn)對(duì)應(yīng)的層間位移角分布來(lái)看，結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段后剛度分布較為合理，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的薄弱層。在罕遇地震階段,層間位移角峰值下移,部分連梁進(jìn)入塑性。連梁作為結(jié)構(gòu)的主要耗能構(gòu)件,早于剪力墻破壞,達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期目標(biāo)。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)計(jì)算分析，結(jié)構(gòu)能夠滿(mǎn)足抗震性能目標(biāo)，可以通過(guò)構(gòu)件加強(qiáng)措施，進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。

（1）對(duì)小震彈性動(dòng)力時(shí)程分析地震剪力超過(guò)CQC法的上部樓層進(jìn)行地震剪力放大，并采取提高該部位主要豎向構(gòu)件延性的抗震構(gòu)造措施。（2）對(duì)樓板局部開(kāi)大洞處進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。（3）對(duì)底部墻肢在推覆時(shí)受力裂縫比較集中，拉應(yīng)力較大墻肢的端部節(jié)點(diǎn)提高配筋率,提高結(jié)構(gòu)的延性。（4）出現(xiàn)拉應(yīng)力的墻肢按特一級(jí)構(gòu)造。