某超限高層結構抗震設計與分析

朱忠漫

安徽省建筑設計研究總院股份有限公司 安徽 合肥 230601

1 工程概況

該項目地處合肥市廬陽區，鋼筋混凝土框架-核心筒結構，結構高度149.45m，地下兩層，地上36層，其中1至2層被用作大堂和餐廳，層高分別為4.7m和4.1m；13F和25F為避難層，層高均為4.5m；其余樓層主要為辦公，層高均為4.1m。

該項目設計使用年限50年，所處區域地面粗糙度屬于B類，50年重現期的基本風壓取0.35kN/m2，阻尼比取0.05；抗震設防有關參數如下：設防烈度為7度（0.10g），地震分組是第一組，場地類別是 Ⅱ 類，標準設防類。按照《高層建筑混凝土結構技術規程》即《高規》相關規定，剪力墻的抗震等級-2層為二級，-1層及以上為一級；框架的抗震等級-2層為二級；-1層及以上為一級[1]。

2 超限情況和抗震性能目標

2.1 超限判別

本項目結構高度大于130m但小于180m，豎向無收進，高寬比4.43小于7；考慮偶然偏心影響的扭轉位移比大于1.2且小于1.4，樓板開洞面積占同層樓面面積的35%。依據《高規》和建質〔2015〕67號《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》，可判斷本工程屬于B級高度且有兩項一般不規則項的超限高層建筑。

2.2 抗震性能目標

根據《高規》規定并結合各種因素，確定了該項目的抗震性能目標為D+級（介于C至D級之間）。為使該項目中各類構件均能滿足其相應抗震性能目標需達到的具體設計要求如下表1所示[2]。

表1 滿足抗震性能目標具體設計要求

3 地震作用計算與分析

3.1 多遇地震作用下彈性反應譜分析

該項目選取SATWE和MIDAS Building兩個軟件，對多遇地震下結構整體抗震指標及各部位構件受力情況進行計算并復核包絡。在考慮偶然偏心和雙向地震的影響下，兩種軟件的計算結果見表2，說明：

表2 多遇地震下的CQC法計算結果對比

3.1.1 該結構在多遇地震作用下的整體處于彈性階段，所有構件的承載力及變形都符合設計要求；

3.1.2 兩個軟件在計算過程中所得到的主要控制指標相差不大，都達到了規范的要求，從而說明了兩個軟件所得到的結果是合理和可靠的[3]；

3.1.3 前兩個周期都是平動周期（T2/T1＞0.8)，第三個周期是扭轉周期（T3/T1＜0.85），扭轉位移比小于1.4，這表明了結構在兩個方向上的動力特性比較接近，而且抗扭剛度也比較好。

3.2 多遇地震作用下彈性時程分析

根據《抗規》第5.1.2條，選用的2條人工波和5條天然波進行彈性時程分析補充計算。計算結果如下圖1顯示，地震波平均譜曲線和規范譜曲線在T1、T2和T3前三大振型周期點的誤差分別是-7.98%、-7.51%、5.20%，都小于20%，說明地震波的選取符合規范要求。

圖1 多遇地震時程分析與規范譜對比圖

對彈性時程計算的結果和反應譜法的分析結果進行了比較。從結構反應特征和變化規律兩方面來說，兩種分析方法所計算出的結果吻合較好，在單條地震波作用下，底部剪力及層間位移角均位于CQC計算結果的65%～135%之間，在多條地震波作用下的底部剪力及層間位移角的平均值位于CQC計算結果的80%～120%之內，并且層間位移角最大值均小于1/767。該項目依據規范規定取振型分解反應譜法計算結果與七條時程曲線分析結果平均值兩者的較大值進行地震作用計算[4]。

3.3 設防烈度及罕遇地震作用下等效彈性反應譜分析

根據上述抗震性能設計的要求，結構使用SATWE程序進行“中震彈性”、“中震不屈服”和“大震不屈服”分析。從結果可以看出：

3.3.1 在設防烈度地震作用下，結構的底部剪力是眾值烈度地震作用下的2.57～2.64倍；在罕遇地震作用下，結構的底部剪力是眾值烈度地震作用下的5.67～5.69倍，說明計算結果可信。

3.3.2 在設防烈度地震下，結構的層間位移角為1/400～1/267；在罕遇地震作用下，結構的層間位移角不超過1/100，分析結果滿足規范對該結構的整體抗震性能目標定位為C至D級的要求。

3.3.3 配筋結果表明：在設防烈度地震作用下，核心筒墻肢和框架柱處于“抗剪彈性、抗彎不屈服”狀態，框架梁和連梁滿足“抗剪不屈服”要求；在罕遇地震作用下，關鍵構件處于“抗剪不屈服”狀態，普通豎向構件滿足“抗剪截面剪壓比”要求，所有結構構件均能滿足抗震性能設計目標的要求[5]。

3.3.4 在中震雙向水平地震作用下，部分剪力墻墻肢出現拉應力，依據《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》（2015版）要求，將出現拉應力的剪力墻的抗震構造措施提升1級，按照特一級設計，并且在底部加強區1至4層高度范圍內對筒體六個角部布置型鋼。

3.4 罕遇地震作用下動力彈塑性時程分析

為了解結構在罕遇地震作用下的破壞情況，并對結構的彈塑性變形進行復核，本項目擬以SAUSAGE為計算工具，選擇1組人工波（R1波）與2組天然波（T1、T2波）雙向輸入，進行動態彈塑性分析。

在對三種地震波作用下的結構彈塑性層間位移角進行分析，可以得出：地震波作用下的結構大震彈塑性層間位移角的最大值均出現在結構的中下部區域，與CQC法的計算結果基本吻合。在考慮了重力二階效應和大變形的情況下，該結構在地震作用下的最大位移為0.441m，X向和Y向的彈塑性層間位移角最大值分別為1/258和1/273，都小于1/100，符合規范中對彈塑性層間位移角的限制要求，達到了“大震不倒”的抗震設防標準。

構件損傷情況分析結果顯示：

3.4.1 包括底部加強區在內的各層剪力墻、框架柱的破損程度都很輕，僅有少數部位的墻肢處于輕微～輕度損壞。在罕遇地震作用下，結構的整體抗震性能基本維持良好，各構件抗震承載力都達到了前述設定的抗震性能目標要求。

3.4.2 根據構件的鋼筋屈服情況和破損程度說明，在罕遇地震作用下，關鍵構件和普通豎向構件的縱筋應力都小于其相應的屈服強度，并且沒有發現剪力墻存在剪切破壞，水平鋼筋的應力也沒有達到其相應的屈服強度，也就是說剪力墻和柱都處于未屈服狀態。

3.4.3 墻體的破壞以連梁為主，在罕遇地震作用下，大部分樓層的連梁都受到了較為嚴重的破壞，即承擔了主要的耗能功能。

3.4.4 在罕遇地震作用下框架梁的整體破壞程度為輕微～輕度破壞，僅有極少樓層的框架梁出現比較嚴重的破壞，但所有梁鋼筋均未進入屈服狀態[6]。

4 結束語

通過采用 Building與SATWE兩種計算程序分析結構在小震作用下的反應，計算結果各項指標基本吻合，這表明計算程序的選用是適用的、假設是正確的，且計算結果是可靠的。

通過對設防地震、罕遇地震的等效彈性反應譜分析及罕遇地震的動力彈塑性分析，表明該結構層間位移角均符合規范規定，所有構件的性能水平均能達到預先設定的抗震性能目標。

從各構件的破壞形態上看，該結構具有“強柱弱梁”的特點，耗能構件首當其沖的消耗了主要的地震作用，避免關鍵構件及普通豎向構件過早過量發現破壞，是雙重抗側力體系，符合抗震概念設計要求。

通過補充小震下的彈性時程計算，并與設防烈度、罕遇地震作用下的性能化分析結果包絡設計，不僅確保結構在平時持久設計狀況下的能正常使用且安全可靠，同時也達到了多遇地震作用下結構不破壞、設防地震作用下關鍵構件不屈服并且修復后可繼續使用、罕遇地震作用下結構可發生部分破壞但不倒塌等抗震設防目標。