某超限高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

張麗媛

（廣東博意建筑設(shè)計(jì)院有限公司）

1 結(jié)構(gòu)概況

本項(xiàng)目為剪力墻結(jié)構(gòu)高層住宅，地面以上共45 層，地面以下1 層。建筑總高度為133.58m，建筑總面積為22320m2。根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》【建質(zhì)（2015）67 號(hào)】，本樓棟屬于B 級(jí)高度的超限高層建筑。

本單體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限為50 年，重要性系數(shù)為1.0，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)?？拐鹪O(shè)防烈度為7 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g，設(shè)防分組為第一組，抗震設(shè)防類別為丙類，抗震等級(jí)為一級(jí)。基本風(fēng)壓為0.50KN/m2，風(fēng)荷載體型系數(shù)1.4。場(chǎng)地類別為二類，場(chǎng)地地震動(dòng)反應(yīng)特征周期為0.35s。地面粗糙度類別為B類，結(jié)構(gòu)阻尼比為0.05。

通過綜合考慮抗震設(shè)防烈度、設(shè)防類別、場(chǎng)地條件、建造費(fèi)用以及結(jié)構(gòu)本身特點(diǎn)等因素，根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010），該單體結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)定為C 級(jí)。

2 結(jié)構(gòu)分析

2.1 小震結(jié)構(gòu)整體計(jì)算指標(biāo)

小震下通過振型分解反譜法進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，通過采用YJK 和Midas Building 進(jìn)行整體計(jì)算分析及比較來確保力學(xué)分析結(jié)構(gòu)的可靠性。

表1 結(jié)果表明，YJK 和Midas Building 的前6 階周期值和振動(dòng)方向相近，振型有效質(zhì)量參與系數(shù)均大于90%，第一扭轉(zhuǎn)周期與第一平動(dòng)周期的比值均小于規(guī)范限值。結(jié)構(gòu)的第一、第二振型以平動(dòng)為主，第三振型為扭轉(zhuǎn)。兩種計(jì)算模型結(jié)果是一致的。

表1 動(dòng)力特性比較

表2 結(jié)果表明，在水平荷載作用下YJK 和Midas Building 計(jì)算結(jié)果相近。在考慮偶然偏心影響的規(guī)定水平地震力作用下，兩種計(jì)算模型均能滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）第3.4.5 條在X、Y方向的樓層最大位移比限值要求。部分樓層位移比在1.2 至1.4 之間，屬扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。

表2 小震作用下結(jié)構(gòu)主要計(jì)算結(jié)果

2.2 小震彈性時(shí)程分析

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）第5.1.2 條，該單體應(yīng)采用彈性時(shí)程分析方法進(jìn)行小震下的補(bǔ)充計(jì)算。地震加速度最大值取35cm/s2，地震波振型阻尼比為0.05，選取5 條天然波和2 條人工波，分別沿X 向和Y 向加載并保證有效持續(xù)時(shí)間均大于5T1。

表3 結(jié)果表明，每條時(shí)程曲線計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力均大于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的65%，但小于135%；七條時(shí)程曲線計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力平均值大于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的80%，但小于120%，該結(jié)果滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）第4.3.5 條的規(guī)定。因此，結(jié)構(gòu)地震作用效應(yīng)取振型分解反應(yīng)譜法的計(jì)算結(jié)果是合理準(zhǔn)確的。

表3 彈性時(shí)程分析主要結(jié)果

2.3 中震分析

根據(jù)中震作用下的抗震性能目標(biāo)的要求，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行中震彈性或不屈服計(jì)算分析。在中震彈性計(jì)算模型下采用YJK 程序進(jìn)行分析，對(duì)剪力墻、框架柱受剪性能進(jìn)行彈性判別；在中震不屈服計(jì)算模型下，對(duì)框架柱、剪力墻的受彎以及框架梁、連梁的受彎與受剪進(jìn)行判別。

表4 結(jié)果表明，中震作用下結(jié)構(gòu)底部剪力約為小震結(jié)構(gòu)底部剪力的2.5 倍。通過比較樓層剪力與樓層抗剪承載力，可知結(jié)構(gòu)整體抗剪承載能力較富余。同時(shí)計(jì)算結(jié)果滿足：

表4 中震作用下結(jié)構(gòu)整體反應(yīng)指標(biāo)

⑴整體層面的樓層層間位移角分布具有規(guī)律性、無異常突變，結(jié)構(gòu)整體抗剪承載能力較富余。

⑵剪力墻、框架柱按小震和中震包絡(luò)配筋，可滿足中震下受剪彈性、受彎不屈服性能目標(biāo)。

⑶連梁、框架梁配箍按小震和中震包絡(luò)可滿足受剪不屈服性能目標(biāo)，縱筋按小震結(jié)果僅有少部分出現(xiàn)受彎屈服，滿足中震受彎部分屈服性能。

綜上可知，中震作用下各項(xiàng)設(shè)計(jì)控制指標(biāo)均滿足性能水準(zhǔn)3 的抗震性能目標(biāo)。

2.4 大震作用下結(jié)構(gòu)動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析

廣州建研數(shù)力研發(fā)的SAUSAGE 軟件通過大量的實(shí)際工程案例表明具備結(jié)果準(zhǔn)確、計(jì)算效率高、建模便利的特點(diǎn)，可應(yīng)用于實(shí)際工程罕遇地震下的性能評(píng)估。

表5 大震彈塑性分析樓層位移角

該單體大震動(dòng)力彈塑性分析表明：彈塑性結(jié)構(gòu)底部剪力約為彈性結(jié)構(gòu)底部剪力的78%～102%之間，地震能量得到有效的消散。最大樓層層間位移角為1/133，小于1/120 的限值要求；彈塑性頂部位移約為彈性位移的94%～139%倍，在地震動(dòng)結(jié)束時(shí)刻，位移明顯衰減，塔樓能夠完成地震動(dòng)全過程而屹立不倒，滿足“大震不倒”的抗震性能。地震動(dòng)結(jié)束時(shí)刻，剪力墻主體結(jié)構(gòu)受壓損壞主要集中在連梁，墻肢未出現(xiàn)明顯的受壓損傷，墻肢鋼筋未屈服。罕遇地震作用下，底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻滿足受彎不屈服的性能，其它剪力墻滿足部分受彎屈服的性能，剪力墻受剪截面均可滿足要求，連梁滿足多數(shù)受彎屈服的性能。地震動(dòng)結(jié)束時(shí)刻，底部加強(qiáng)區(qū)框架柱滿足不屈服的性能，其它框架柱滿足部分屈服的性能；框架梁能滿足部分受彎屈服的性能。地震動(dòng)結(jié)束時(shí)刻，樓板受壓損傷較小，滿足受剪截面限制條件。

綜上所述，該結(jié)構(gòu)具有較好的抗震性能，能夠滿足預(yù)定的抗震性能目標(biāo)，滿足性能水準(zhǔn)4 的基本要求。

3 結(jié)語

綜合以上結(jié)構(gòu)計(jì)算分析結(jié)果，可得以下結(jié)論：

⑴在多遇地震作用及風(fēng)荷載作用下，YJK 和Midas Building 兩種軟件的各項(xiàng)分析指標(biāo)基本一致；結(jié)構(gòu)構(gòu)件處于彈性階段，承載能力和變形能力均能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。時(shí)程分析與反應(yīng)譜之間具有一致性和規(guī)律性，可滿足“小震不壞”的抗震性能目標(biāo)。

⑵在設(shè)防烈度地震作用下，底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻均滿足受彎不屈服、受剪彈性；其他部位剪力墻及框架柱均滿足受彎不屈服、受剪彈性；框架梁及連梁僅有少量出現(xiàn)受彎屈服，但受剪不屈服，可滿足“中震可修”的抗震性能目標(biāo)。

⑶在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)層間彈塑性位移及層間位移角均滿足規(guī)范限值要求，結(jié)構(gòu)主要抗側(cè)力構(gòu)件沒有發(fā)生嚴(yán)重破壞，可滿足“大震不倒”的抗震性能目標(biāo)。

⑷該結(jié)構(gòu)滿足抗震性能目標(biāo)C 的各項(xiàng)抗震性能水準(zhǔn)要求，是安全、可靠、合理且滿足規(guī)范要求的。