某超限高層基于性能的彈塑性靜力分析

唐華東

（廣東省電信規(guī)劃設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510630）

1 工程概況

該工程是位于海南省海口市海甸島的大型住宅項目，本超限高層建筑是該工程住宅群其中一棟，地上部分共31 層，結(jié)構(gòu)高度為93.95 m，建筑立面效果及計算模型如圖1、圖2 所示。

圖1 建筑立面效果

圖2 計算模型

本工程結(jié)構(gòu)使用年限為50 年，建筑的設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類（丙類），地區(qū)的設(shè)防烈度根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范（2016 年版）》（GB 50011—2010）（以下簡稱《抗規(guī)》）取Ⅷ度（0.3g），地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類。場地特征周期取0.45 s；基本風(fēng)壓值為0.75 kN/m2，地面粗糙度類別為B 類。

2 結(jié)構(gòu)地基基礎(chǔ)設(shè)計

根據(jù)地勘、結(jié)構(gòu)方案體系及現(xiàn)場施工條件等資料，本工程基礎(chǔ)采用高強(qiáng)混凝土預(yù)應(yīng)力管樁，樁端持力層為第⑤層粉砂或第⑥層粉質(zhì)黏土，樁極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值為4500 kPa，樁側(cè)土為粉砂層及粉質(zhì)黏土層。樁徑選用500 mm，單樁豎向承載力特征值為2000 kN。

抗浮措施：為滿足地下室整體抗浮要求，地下室部分樁基礎(chǔ)采用抗拔樁，單樁抗拔承載力特征值為500 kN。

嚴(yán)重液化土層說明：本場地存在嚴(yán)重液化土層，為第③層粉砂層，根據(jù)《抗規(guī)》要求，宜全部消除液化沉陷。本工程采用高強(qiáng)混凝土預(yù)應(yīng)力管樁，樁端持力層為第⑤層粉砂或第⑥層粉質(zhì)黏土，均為非液化土層；工程樁有效樁長大于25 m，樁端入非液化土層深度大于15 m，可全部消除地基液化沉陷。

3 上部主體結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 結(jié)構(gòu)方案體系

本文分析的工程設(shè)計選用剪力墻結(jié)構(gòu)作為結(jié)構(gòu)體系，剪力墻厚度200 mm～500 mm，標(biāo)準(zhǔn)層梁截面主要為200 mm×500 mm 和200 mm×400 mm，地下室頂板為嵌固端，地下室頂板板厚為h=250 mm，標(biāo)準(zhǔn)層板厚為h=100 mm，屋面層板厚為h=120 mm，混凝土強(qiáng)度等級為C30～C60。

3.2 嵌固層的設(shè)置

本超限高層地下室頂板沒有存在大開洞的情況，設(shè)計時，此層樓面作為嵌固端，采用現(xiàn)澆梁板樓蓋結(jié)構(gòu)，首層樓板厚為250 mm，采用雙層雙向配筋，且每層每個方向的配筋率大于0.25%；地下一層與首層等效剪切剛度比均大于2，如表1 所示。

表1 地下一層與首層等效剪切剛度比

3.3 結(jié)構(gòu)超限情況及性能目標(biāo)

3.3.1 結(jié)構(gòu)超限情況

針對該超限高層建筑進(jìn)行多遇地震下的彈性分析，根據(jù)多遇地震的分析成果對結(jié)構(gòu)的超限情況判斷如下[1]。

（1）高度超限。本工程結(jié)構(gòu)高度超過《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3—2010）[2]規(guī)定的最大適用高度，屬于B 級高度。

（2）扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。X 向位移比為1.31，大于1.20，屬于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。

（3）凹凸不規(guī)則。本工程長寬與寬度之比為0.56，大于0.3，屬于凹凸不規(guī)則。

3.3.2 性能目標(biāo)

根據(jù)《抗規(guī)》要求[3]，建筑物的結(jié)構(gòu)應(yīng)將“三個水準(zhǔn)”的目標(biāo)作為抗震的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，即“小震不壞、中震可修、大震不倒”。建筑物抗震的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)要求如表2所示。

表2 建筑物抗震的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)要求

根據(jù)本高層建筑超限的實際情況，結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計按性能目標(biāo)D，核算方法根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（JGJ 3—2010）》中3.11 條所列各水準(zhǔn)的驗算公式核算。選取的抗震性能標(biāo)準(zhǔn)如下。

在眾值烈度作用下滿足第1 抗震性能水準(zhǔn)的要求，在基本烈度作用下滿足第4 抗震性能水準(zhǔn)的要求，在最大預(yù)估烈度作用下滿足第5 抗震性能水準(zhǔn)的條件。不同抗震性能標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力設(shè)計要求如表3 所示。其中，本次討論工程的關(guān)鍵構(gòu)件定為底部加強(qiáng)區(qū)部分剪力墻。

表3 不同抗震性能標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力設(shè)計要求

綜上所述，本工程為一般不規(guī)則結(jié)構(gòu)，屬于高度超限的高層建筑，采用YJK 軟件分析本工程在罕遇地震作用下的靜力彈塑性，結(jié)果顯示，各種指標(biāo)都顯示良好，大體上滿足規(guī)范性能目標(biāo)D 的相關(guān)條件。

4 靜力彈塑性分析

靜力彈塑性分析采用EPDA&PUSH 軟件。經(jīng)過對建筑物結(jié)構(gòu)的彈塑性推覆剖釋，認(rèn)識到在大震作用下，建筑物的結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)入塑性階段的水平以及結(jié)構(gòu)的全局抗震性能，從而找到結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵薄弱環(huán)節(jié)，同時采取一定的加強(qiáng)辦法[4]。靜力彈塑性剖釋核算結(jié)果如表4 所示，在罕遇地震作用下，X 向和Y 向?qū)娱g彈塑性位移角分別為1/123 和1/151，均滿足規(guī)范限值的規(guī)定。X 向的性能點曲線如圖3 所示，Y 向的性能點曲線如圖4 所示。

表4 靜力彈塑性剖釋核算結(jié)果

由圖3 中X 向性能點曲線可知：在達(dá)到性能點時，總加載步號為166.2 步，性能點基底剪力為37 085 kN，性能點頂點位移為581.9 mm，性能點對應(yīng)的最大層間位移角為1/123（＜1/100），滿足大震作用下規(guī)范規(guī)定的變形要求。

圖3 X 向性能點曲線

由圖4 中Y 向性能點曲線可知：在達(dá)到性能點時，總加載步號為124.7 步，性能點基底剪力為37 779 kN，性能點頂點位移為525.9 mm，性能點對應(yīng)的最大層間位移角為1/151（＜1/100），滿足大震作用下規(guī)范規(guī)定的變形要求。

圖4 Y 向性能點曲線

5 設(shè)計和抗震措施

為保證超限結(jié)構(gòu)安全，可采取以下3 種加強(qiáng)措施。

（1）對于剪力墻，本工程屬剪力墻結(jié)構(gòu)，其底部加強(qiáng)區(qū)滿足“中震抗彎部分屈服、抗剪不屈服”的要求，因此，在設(shè)計時，應(yīng)提高一級抗震等級要求，即特一級抗震等級要求，并參考設(shè)防烈度地震下計算結(jié)果配置剪力墻豎向鋼筋和型鋼，通過提高約束邊緣構(gòu)件的配筋率（大于1.4%）、豎向分布筋配筋率（大于0.4%）等措施提高底部加強(qiáng)區(qū)的剪力墻延性和承載能力。

（2）對于標(biāo)準(zhǔn)層平面凹凸不規(guī)則形成的樓板拐角區(qū)域等造成的樓板薄弱位置，可依據(jù)彈性樓板剖釋結(jié)論加強(qiáng)構(gòu)件配筋，同時對樓板的抗剪截面進(jìn)行驗算，確保樓板平面剪力的傳遞。

（3）扭轉(zhuǎn)不規(guī)則主要出現(xiàn)在塔樓的角部，設(shè)計時可采用減低角部部位上豎向構(gòu)件的軸壓比、提升配箍率和配筋率等辦法，提高建筑物構(gòu)件的延性，規(guī)避脆性損壞。

6 結(jié)語

本工程為一般不規(guī)則高度超限結(jié)構(gòu)，抗震性能化目標(biāo)為D。本文選用YJK 等幾種核算軟件對結(jié)構(gòu)實行了核算剖釋，除了可確保結(jié)構(gòu)在多遇地震下全部處于彈性狀態(tài)外，同時增加了關(guān)鍵部位的構(gòu)件在設(shè)防地震和罕遇地震下的核算。結(jié)果顯示，各種目標(biāo)都顯示良好，大體上滿足規(guī)范性能的相關(guān)條件。而且對關(guān)鍵性構(gòu)件采用了加強(qiáng)措施，保證在地震作用下結(jié)構(gòu)的延性并滿足了抗震性能目標(biāo)。綜上可知，本工程結(jié)構(gòu)是可行且安全的[5]。