孔德坤

(CM CU·中聯(lián)建筑，重慶400039)

重慶某超高層建筑結(jié)構(gòu)彈性抗震性能分析

孔德坤

(CM CU·中聯(lián)建筑，重慶400039)

1 前言

重慶某超高層結(jié)構(gòu)總建筑面積170354.6m2，其中地上總建筑面積112089m2，地下建筑面積54218.94m2。建筑地下部分8層，高度35.95m，地上塔樓層數(shù)58層，共計(jì)282.3m。平面布置如圖1、圖2，剖面圖見(jiàn)圖3。

圖1 裙房典型平面圖

圖2 一層塔樓平面圖

圖3 塔樓剖面圖

1.1 分析軟件與計(jì)算模型

依據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）第5.1.12，5.1.13條的要求，該工程需要采用兩種不同力學(xué)模型的結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體計(jì)算，并應(yīng)采用彈性時(shí)程分析進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算。因此，該工程采用了如下軟件分別進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體彈性計(jì)算和時(shí)程分析：

（1）SATW E（2011.3月版）。

（2）ETABS（9.7.4）。

（3）M IDAS-Building（Ver.112.R3）。

計(jì)算模型中定義了豎向荷載和水平荷載工況，其中豎向荷載工況包括結(jié)構(gòu)自重，附加恒荷載以及活荷載，水平荷載工況包括地震作用和風(fēng)荷載。對(duì)于小震的水平地震作用考慮雙向地震以及偶然偏心的影響；考慮不同方向的地震作用；計(jì)算了豎向地震作用。地震作用的計(jì)算采取振型分解反應(yīng)譜法，并采用了時(shí)程分析法進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算。計(jì)算中考慮了結(jié)構(gòu)的重力二階效應(yīng)。

1.2 計(jì)算參數(shù)

抗震設(shè)防烈度：6度。抗震設(shè)防類別：乙類。設(shè)計(jì)地震分組：第一組。場(chǎng)地類別：Ⅰ1類。風(fēng)壓：0.45kN/m2(結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)算)；0.40kN/m2(層間變形驗(yàn)算)。

根據(jù)規(guī)范及安評(píng)報(bào)告，所取的地震加速度為小震：20cm/ s2。

2 結(jié)構(gòu)抗震性能分析

2.1 周期和振型信息

采用SATW E、ETABS和M IDAS計(jì)算，取前5階振型進(jìn)行對(duì)比分析，具體信息如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)前9個(gè)振型周期

由上表可見(jiàn)三種軟件輸出的周期和振型較為吻合，可初步判定模型的分析結(jié)果準(zhǔn)確、可信；三種軟件計(jì)算的振型質(zhì)量參與系數(shù)均滿足規(guī)規(guī)定大于90%的要求[4]、[5]；第一扭轉(zhuǎn)周期和第一平動(dòng)周期的比值均小于規(guī)范0.85的限值[4]。

2.2 風(fēng)荷載和地震作用下結(jié)構(gòu)樓層剪力與傾覆力矩比較

圖4、圖5對(duì)小震、中震及風(fēng)荷載作用下的樓層剪力及傾覆力矩進(jìn)行比較。各種工況下的底層剪力和傾覆力矩值見(jiàn)表2和表3。

圖4 風(fēng)荷載和小震樓層剪力比較

圖5 風(fēng)荷載和小震樓層傾覆力矩比較

從以上圖表得出，在彈性設(shè)計(jì)階段，風(fēng)荷載引起底層剪力、傾覆力矩大于小震作用工況，風(fēng)荷載起控制作用。

2.3 結(jié)構(gòu)彈性設(shè)計(jì)控制參數(shù)驗(yàn)算

2.3.1 層間位移角

本節(jié)研究多遇地震、設(shè)防地震和50年風(fēng)荷作用下層間位移角的分布情況（圖6～圖10），并將最大樓層層間位移角與抗震性能目標(biāo)進(jìn)行對(duì)比（表3）。

由以上圖表可見(jiàn)，小震和50年基準(zhǔn)期風(fēng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)最大層間位移角小于1/500[4]，底層最大層間位移角小于1/2000，在小震、50年基準(zhǔn)期風(fēng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)層間位移角滿足既定抗震性能目標(biāo)。

2.3.2 扭轉(zhuǎn)位移比[4]

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）第3.4.5條規(guī)定，在考慮偶然偏心影響的規(guī)定水平地震力作用下，樓層豎向構(gòu)件最大的水平位移和層間位移，B級(jí)高度高層建筑不宜大于該樓層平均值的1.2倍，不應(yīng)大于該樓層平均值的1.4倍。當(dāng)樓層的最大層間位移角不大于規(guī)范規(guī)定的限值的40%，該層豎向構(gòu)件的最大水平位移和層間位移與該層平均值的比值可適當(dāng)放松，但不應(yīng)大于1.60。

表2 底層剪力及傾覆力矩表（kN，kN·m）

表3 樓層最大層間位移角

圖6 SATWE層間位移角圖（小震和50年風(fēng)）

圖7 MIDAS層間位移角圖（小震和50年風(fēng)）

圖8 ETABS層間位移角圖（小震和50年風(fēng)）

表4 樓層最大位移比

從表4、圖9、圖10可以看出，由于塔樓結(jié)構(gòu)平面布置比較規(guī)則，樓層位移比和層間位移比均小于1.2；裙房部分由于結(jié)構(gòu)體型相對(duì)較為復(fù)雜，位移比相對(duì)較大，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮雙向地震作用扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

圖9 樓層位移比圖

圖10 層間位移比圖

2.3.3 樓層側(cè)向剛度比（表5）倍，滿足嵌固端設(shè)計(jì)要求。

表5 樓層側(cè)向剛度本層與相鄰上層的比值（不規(guī)則層）

（2）結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度分別在第6、15、16、30、31、41、43層出現(xiàn)一定程度的突變。其中第6層為裙房以上第一層，第15、30、41層抗側(cè)剛度較其相鄰上層偏大，其原因是該部分樓層相鄰上層均為層高較大層，抗側(cè)剛度相對(duì)較弱。ETABS計(jì)算結(jié)果突變最為明顯，而M IDAS和SATW E計(jì)算結(jié)果變化不大，因此應(yīng)適當(dāng)加大層高較大層抗側(cè)力構(gòu)件剛度予以改善。

（3）第16、31、43層由于層高大于相鄰上層，抗側(cè)剛度相對(duì)其上一層偏小，尤其第16層三種軟件結(jié)果均小于規(guī)范要求限值，屬軟弱層，設(shè)計(jì)中通過(guò)地震力放大系數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度進(jìn)行調(diào)整[4]（圖11）。

圖11 樓層與相鄰上層側(cè)向剛度的90%、110%或150%的比值圖

表6 樓層抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的層間受剪承載力與相鄰上一層的比值（不規(guī)則層）

圖12 樓層與相鄰上層抗剪承載力比圖

2.3.5 樓層剪重比

依據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）第4.3.12條要求，多遇水平地震作用下，對(duì)于6度區(qū)基本周期大于5s的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)各樓層的最小地震剪力系數(shù)為0.6%[1，2，4]。

表7 樓層最小剪重比

圖13 樓層剪重比圖

從表7、圖13中可以看出，SATWE、M IDAS、ETABS計(jì)算的樓層剪重比均大于或者等于規(guī)范規(guī)定限值。

2.3.6 結(jié)構(gòu)沿樓層質(zhì)量分布

依據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）第3.5.6 條要求，樓層質(zhì)量沿高度宜均勻分布，樓層質(zhì)量不宜大于相鄰下部樓層質(zhì)量的1.5倍。

表8 不同模型結(jié)構(gòu)總質(zhì)量表

圖14 質(zhì)量沿樓層分布及質(zhì)量比圖

從表8、圖14可見(jiàn)，三種軟件模型的總質(zhì)量和樓層質(zhì)量分布十分接近，塔樓樓層質(zhì)量比除頂層設(shè)備層外均滿足規(guī)范要求，建議適當(dāng)減少或優(yōu)化頂層設(shè)備質(zhì)量或者增加其下一層的樓層質(zhì)量。

2.3.7 結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性（剛重比）

圖15 懸臂桿模型

圖16 樓層重力荷載設(shè)計(jì)值累計(jì)

表9 修正后結(jié)構(gòu)剛重比表

從圖15、圖16、表9可見(jiàn)，在對(duì)剛重比限值進(jìn)行修正后[3-4]，三種軟件計(jì)算結(jié)果均表明該工程結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性滿足要求。

2.4 結(jié)構(gòu)彈性時(shí)程驗(yàn)算

依據(jù)中國(guó)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）和《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）的有關(guān)規(guī)定，該工程選取5條天然波和2條人工波[4]（表10）。

2.4.1 底部剪力

彈性時(shí)程分析所得的底部剪力如表11所示，上述7組時(shí)程曲線主方向作用下的底部剪力大于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的65%，且平均值為反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果的80%以上，滿足規(guī)范的要求。

2.4.2 樓層剪力

圖17 時(shí)程分析與反應(yīng)譜分析樓層剪力比較(MIDAS)

圖18 時(shí)程分析與反應(yīng)譜分析樓層剪力比較(ETABS)

表10 地震波選用表

表11 ETABS基底剪力比較表

由圖17、圖18可以看出，反應(yīng)譜計(jì)算的樓層剪力小于7組時(shí)程分析的樓層剪力平均值。根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）4.3.5條，建議地震作用效應(yīng)取時(shí)程分析計(jì)算結(jié)果的平均值的進(jìn)行設(shè)計(jì)[4]。

2.4.3 層間位移角

圖19 時(shí)程分析與反應(yīng)譜分析層間位移角比較（MIDAS）

圖20時(shí)程分析與反應(yīng)譜分析層間位移角比較（ETABS）

圖19 、圖20表明，7組時(shí)程分析的最大層間位移角平均值總體略大于反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果，且均小于1/ 500的抗震性能目標(biāo)[4]。

3 結(jié)論

該工程為超限高層建筑工程，通過(guò)多個(gè)程序的詳細(xì)計(jì)算比較，該工程具有良好的彈性抗震性能，有如下幾個(gè)結(jié)論：

（1）建議適當(dāng)減少或優(yōu)化頂層設(shè)備質(zhì)量或者增加其下一層的樓層質(zhì)量，使塔樓各樓層質(zhì)量比均滿足規(guī)范的要求。

（2）在彈性設(shè)計(jì)階段，風(fēng)荷載引起底層剪力、傾覆力矩大于小震作用工況，風(fēng)荷載起控制作用。

（3）結(jié)構(gòu)的層間位移角、扭轉(zhuǎn)位移比、側(cè)向剛度比、層間受剪承載力比等指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

（4）反應(yīng)譜計(jì)算的樓層剪力小于7組時(shí)程分析的樓層剪力平均值建議地震作用效應(yīng)取時(shí)程分析計(jì)算結(jié)構(gòu)的平均值進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（5）該工程核心筒在16層、31層、43層處收進(jìn)，結(jié)構(gòu)整體剛度突變，因此在后期設(shè)計(jì)中應(yīng)加強(qiáng)這幾層結(jié)構(gòu)剛度，并適當(dāng)提高收進(jìn)部位剪力墻墻體配筋率和邊緣構(gòu)件配筋率。

[1]王亞勇.關(guān)于建筑抗震設(shè)計(jì)最小地震剪力系數(shù)的討論[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào).2013(2).

[2]任西京，吳喜珍.抗震設(shè)計(jì)中底部剪力系數(shù)與基本自振周期[J].建筑結(jié)構(gòu).2001(3).

[3]徐培福,肖從真.高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定設(shè)計(jì)[J].建筑結(jié)構(gòu).2001(8).

[4]中華人民共和國(guó)住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部.JGJ3-2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

[5]中國(guó)建筑科學(xué)研究院.GB50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[D].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

Analysison Elastic Seism ic Performance of A superHigh-rise Structure in Chongqing

重慶某超高層建筑共66層，建筑高度282.3m。針對(duì)此類復(fù)雜結(jié)構(gòu)的抗震分析，應(yīng)采用兩種及兩種以上的力學(xué)模型。該文利用PKPM、M IDAS、ETABS三種軟件對(duì)該超高層結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性分析，得出該結(jié)構(gòu)彈性抗震性能符合國(guó)家現(xiàn)行規(guī)范的要求。

樓層剪力；傾覆力矩；層間位移角；扭轉(zhuǎn)位移；樓層側(cè)向剛度；樓層質(zhì)量分布

The superhigh-rise structure in Chongqing has66 floorswith the totalheightof282.3meters.To analyze the seismic performance of a complicated structure like this one,two ormoremechanicalmodel are demanded.In this paper,three kinds of software,including PKPM,M IDAS and ETABS,are adopted to analyze the elastic seismic performance of this structure.The results show that the elastic seismic performance of the structure meets the currentnationalstandard requirements.

storey shear force;capsizingmoment;interlayer displacementangle;torsional displacement;lateral stiffness;Floorquality distribution

[TU355]

A

1671-9107（2013）11-0049-07

10.3969／j.issn.1671-9107.2013.11.049

2013-09-27

孔德坤（1983-），男，安徽亳州人，研究生，工程師，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。