劉明

摘要：本文基于工程實例，對超限高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計與分析方法進行探討，采用基于性能的抗震設(shè)計方法對結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。通過兩種計算軟件對結(jié)構(gòu)進行小震彈性設(shè)計和中震性能設(shè)計，最后對結(jié)構(gòu)進行罕遇地震下的靜力彈塑性分析，研究結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)和大震下屈服變形情況。

關(guān)鍵詞：高層建筑超限；抗震性能設(shè)計；靜力彈塑性

一、工程概況

本工程由三棟高層塔樓及相應(yīng)的裙樓、地下室組成。1#塔樓主要用作辦公，地上共24層，總高108m，標準層層高4.2m。2#塔樓主要用作酒店，地上共50層，總高198m，標準層層高分別為3.6m、4.2m。3#塔樓主要用作辦公，地上共33層，總高148m，標準層層高4.2m。裙樓，地上共4層，總高23.6m；地下室共4層，建筑底板標高約為-17.6m。

該工程建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，建筑抗震設(shè)防類別為丙類，工程抗震設(shè)防烈度為6度（0.05g），III類場地，設(shè)計地震分組為第三組，根據(jù)安評報告，場地特征周期為0.4s，多遇地震影響系數(shù)為0.063，基本風(fēng)壓為0.50kN/m2（采用100年重現(xiàn)期取值），地面粗糙度為B類。

本文主要介紹T2塔樓的結(jié)構(gòu)設(shè)計，其中主要包括小震彈性分析，中震彈性及中震不屈服分析，以及大震下的推覆分析。

二、結(jié)構(gòu)體系

（一）結(jié)構(gòu)形式

本項目T2塔樓地上50層，建筑高度200.15米（結(jié)構(gòu)主屋頂高度198米），屬于B級高度的超限結(jié)構(gòu)。塔樓采用由中央核心筒和外圍框架組成的框架-核心筒結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系，典型平面布置見圖2.1，整體模型見圖2.2。核心筒是比較有效的抗震、抗風(fēng)的抗側(cè)力體系，而外框架不僅能提供抗側(cè)力作用，同時能夠配合建筑復(fù)雜立面的要求。核心筒材料采用鋼筋混凝土，外框架柱在底部采用型鋼混凝土柱，上部鋼筋混凝土柱，外圍梁采用鋼筋混凝土梁，樓面為鋼筋混凝土梁板體系。

樓面采用混凝土梁板體系，外框架梁沿徑向搭到中部核心筒上，典型梁跨度為10.2米左右。

（二）主要超限內(nèi)容

本工程主要超限內(nèi)容有：

1.高度為198m，超過《高規(guī)》規(guī)定的A級建筑最大適用高度；

2.扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，考慮偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比大于1.2；

3.樓板不連續(xù)，有效寬度小于50%，開洞面積大于30%；

4.其他不規(guī)則；局部的穿層柱、斜柱。

（三）結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的預(yù)期目標

由于該結(jié)構(gòu)屬于抗震設(shè)防超限高層建筑，設(shè)計時采用了基于性能的抗震設(shè)計方法。設(shè)定的抗震設(shè)計的預(yù)期性能目標見表2.1，結(jié)構(gòu)抗震性能目標整體達到《抗規(guī)》性能3的要求。

三、結(jié)構(gòu)整體彈性分析計算

（一）結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析

建立了SATWE模型對結(jié)構(gòu)整體進行了分析計算，并建立了ETABS模型進行對比分析，經(jīng)過軟件分析，得到結(jié)構(gòu)周期的計算結(jié)果如表3.1所示。

（二）振型分解反應(yīng)譜法和彈性時程分析

整體彈性分析主要采用SATWE和ETABS兩個不同力學(xué)模型的程序進行比較計算。小震作用下根據(jù)振型分解反應(yīng)譜法計算得到的彈性分析結(jié)果如下表。

按照《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》的要求，彈性時程分析采用2條天然波和1條人工波進行多遇雙向地震分析，并與反應(yīng)譜分析進行對比，進一步驗證彈性分析結(jié)果的正確性、及結(jié)構(gòu)安全、可行性。在小震作用下，根據(jù)安全評估報告給出的三條地震波進行彈性時程分析，其中一條人工波，兩條天然波，三條波的峰值加速度取值均為25cm/s2。

從以上的計算分析，可以得出以下結(jié)論：

1.ETABS及SATWE兩種軟件分析的各項指標基本一致，表明使用的軟件是可行的，模型的計算結(jié)果是可信的

2.時程分析結(jié)果表明，每條時程曲線計算所得結(jié)構(gòu)底部剪力不小于振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的65%，多條時程曲線計算的結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值不小于振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的80%。從而說明時程波選取是合適、滿足規(guī)范的。

5.按反應(yīng)譜計算時，結(jié)構(gòu)X、Y向的最大層間位移角分別為1/1916和1/1106，小于規(guī)范框筒結(jié)構(gòu)最大層間位移角1/800的要求。小震作用下，結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范要求。

4.結(jié)構(gòu)X向、Y向的最大位移比分別為1.16和1.21，滿足規(guī)范要求。

5.各種計算結(jié)果表明，Y向結(jié)構(gòu)剛度相差較小，在該方向上風(fēng)力作用與地震作用相當，是結(jié)構(gòu)整體指標的控制因素。

6.從線彈性分析結(jié)果來看，結(jié)構(gòu)具有合適的剛度，滿足規(guī)范各種指標的控制要求。兩種計算軟件分析結(jié)果，兩種程序的反應(yīng)譜分析結(jié)果之間具有一致性和規(guī)律性，符合工程經(jīng)驗及力學(xué)概念所做的判斷，結(jié)構(gòu)是合理的，計算結(jié)果均滿足現(xiàn)行國家規(guī)范及規(guī)程的要求。

四、中震彈性分析和中震不屈服分析計算

中震彈性即結(jié)構(gòu)在中震作用下，結(jié)構(gòu)承載力滿足彈性設(shè)計要求，計算時不考慮地震內(nèi)力調(diào)整，采用與小震時相同的作用分項系數(shù)、材料分項系數(shù)和抗震承載力調(diào)整系數(shù)，不考慮風(fēng)荷載作用。中震不屈服、不屈曲即結(jié)構(gòu)在中震作用下，結(jié)構(gòu)承載力滿足不屈服、不屈曲設(shè)計要求，計算時不考慮地震組合內(nèi)力調(diào)整，荷載作用分項系數(shù)取1.0，材料強度取標準值，抗震承載力調(diào)整系數(shù)取1.0，不考慮風(fēng)荷載作用。

根據(jù)設(shè)定的抗震設(shè)計性能的預(yù)期目標， 不同構(gòu)件需按不同抗震性能水準復(fù)核承載力， 除進行多遇地震彈性分析外， 部分構(gòu)件尚需進行中震彈性、中震不屈服設(shè)計和驗算。經(jīng)復(fù)核驗算， 相應(yīng)的構(gòu)件滿足其設(shè)定的預(yù)期性能目標。

剪力墻在中震作用下抗剪彈性及抗彎不屈服驗算：

底部加強區(qū)剪力墻滿足V/Vu≤1.0時，剪力墻在中震作用下保持抗剪彈性；非加強區(qū)剪力墻滿足V/Vuk≤1.0時，剪力墻在中震作用下保持抗剪不屈服。endprint

壓彎破壞判別：剪力墻在中震作用下的P-M-M包絡(luò)線應(yīng)小于所對應(yīng)的截面承載力包絡(luò)圖Pu-Mu1-Mu2。如下式：

（P-M-M）/（ Pu-Mu1-Mu2）≤1.0

剪力墻在中震作用下抗剪彈性及不屈服驗算如下表：

計算結(jié)果表明，加強區(qū)剪力墻在中震作用下滿足抗剪彈性的要求，非加強區(qū)剪力墻在中震作用下滿足抗剪不屈服的要求。

剪力墻在中震作用下抗彎不屈服驗算如圖所示，計算結(jié)果表明，剪力墻在中震作用下能滿足抗彎不屈服的要求。

中震作用下剪力墻N-M曲線圖如下：

通過中震分析和判斷可以得出結(jié)論：

加強區(qū)剪力墻抗剪滿足彈性要求，其余剪力墻滿足中震抗剪不屈服要求，加強區(qū)和非加強區(qū)剪力墻均滿足中震抗彎不屈服的要求。

五、靜力彈塑性分析

（一）單元模型和分析方法

本工程中對X ， Y 兩個方向分別進行了Pushover 分析。注意到結(jié)構(gòu)分別沿X 向、Y 向的第一、二振型的振型參與質(zhì)量成分很大，而且結(jié)構(gòu)沿豎向分布均勻，因此，在進行Pushover 分析時，采用層剪力加載方式進行側(cè)推，同時進行水平目標位移控制的位移控制法。

（二）分析結(jié)果

靜力彈塑性分析反映塑性鉸的開展情況，對于大震下的構(gòu)件驗算是個很好的參考和補充。在大震性能點步驟下，兩個方向的彈塑性層間位移角均小于規(guī)范要求限值1/100，說明結(jié)構(gòu)具有足夠變形能力儲備和內(nèi)力重分布的能力，而不至于被破壞到臨界倒塌極限狀態(tài)。因此，結(jié)構(gòu)整體抗震性能滿足大震不倒塌的抗震性能目標，故可判斷為結(jié)構(gòu)“大震不倒”。

塔樓在罕遇地震作用下，在性能點處層間位移角如表5.2所示。

大震下，部分連梁開裂，出現(xiàn)塑性鉸；框架梁在兩個方向出現(xiàn)少量塑性鉸；柱和墻體沒有出現(xiàn)塑性鉸。在施工圖階段有針對性的對出鉸部位進行加強。通過結(jié)構(gòu)在大震下的變形和塑性鉸出現(xiàn)位置及發(fā)展狀態(tài)，可以確定設(shè)計是安全的。

六、結(jié)語

該工程屬于超限高層結(jié)構(gòu)，框架-核心筒結(jié)構(gòu)是一種很好的抗側(cè)力構(gòu)件體系，設(shè)計中采用了基于性能的抗震設(shè)計方法，通過對超高層進行彈性、彈塑性分析，實現(xiàn)了預(yù)期的性能目標和規(guī)范要求，并且對重要構(gòu)件作了適當加強， 對受力復(fù)雜的部位進行了補充驗算分析，實現(xiàn)了“小震不壞，中震可修，大震不倒”的設(shè)計思想。

參考文獻

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[2]. 呂西林，超限高層建筑工程抗震設(shè)計指南（第2版），上海：同濟大學(xué)出版社2009endprint