張 謙

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043)

1 概述

本項(xiàng)目為超高層住宅樓，建筑高度129.25 m；主樓地下2層，地上41層，層高均為3.15 m，1層含出戶大堂，16層及31層為避難層，其余層均為標(biāo)準(zhǔn)層，小區(qū)內(nèi)設(shè)1層地下車庫(kù)，層高3.8 m，覆土1.8 m，與主樓地下室2層相連。結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層平面圖如圖1所示。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及自然條件

本工程設(shè)計(jì)使用年限50年，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)二級(jí)，抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類(丙類)。

本場(chǎng)區(qū)抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.20g，抗震設(shè)防類別為丙類，地震設(shè)計(jì)分組為第二組，建筑場(chǎng)地類別為Ⅲ類，特征周期值0.55 s?；撅L(fēng)壓為0.40 kN/m2(50年一遇)，地面粗糙度為C類；基本雪壓為0.35 kN/m2(50年一遇)。

結(jié)構(gòu)的計(jì)算嵌固端定為地下室頂面，根據(jù)建筑功能要求并結(jié)合結(jié)構(gòu)受力的需要，選用剪力墻結(jié)構(gòu)體系，本棟建筑為B級(jí)高度高層建筑，為高度超限高層建筑。

多遇地震下結(jié)構(gòu)阻尼比取0.05，考慮到設(shè)防地震和罕遇地震下主體結(jié)構(gòu)次要構(gòu)件開裂，部分構(gòu)件進(jìn)入塑性耗能[1]，結(jié)構(gòu)阻尼比分別取為0.06和0.07?？紤]到非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，如填充墻，對(duì)結(jié)構(gòu)剛度貢獻(xiàn)的影響，在計(jì)算多遇地震作用時(shí)，周期折減系數(shù)取0.98；設(shè)防地震和罕遇地震時(shí)由于填充墻開裂或與主體結(jié)構(gòu)脫開，周期折減系數(shù)取為1.0。

2.2 地震作用下結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定及抗傾覆驗(yàn)算

本工程基礎(chǔ)的埋深7.7 m，大于結(jié)構(gòu)高度的1/18。地震作用下，結(jié)構(gòu)X向和Y向剛重比分別為11.0和8.0，滿足整體穩(wěn)定驗(yàn)算要求，且可不考慮重力二階效應(yīng)。結(jié)構(gòu)高寬比為8.9，遠(yuǎn)大于適用的最大高寬比5，屬于大高寬比高層建筑，寬度方向穩(wěn)定性及抗傾覆能力差[2]。

通過計(jì)算，若主樓基礎(chǔ)僅布置在主樓范圍內(nèi)，寬度方向傾覆力矩Mr與傾覆力矩Mov的比值(抗傾覆安全系數(shù))為2.01，基礎(chǔ)底面與地基之間零應(yīng)力區(qū)面積達(dá)到基礎(chǔ)底面積的24.5%，結(jié)構(gòu)抗傾覆安全儲(chǔ)備不滿足要求。

將主樓基礎(chǔ)寬度方向每側(cè)擴(kuò)大3.5 m，并使擴(kuò)大范圍內(nèi)的基礎(chǔ)與主樓下部基礎(chǔ)形成整體，增強(qiáng)抵抗傾覆力矩。在多遇地震作用下，不考慮基礎(chǔ)外圍周邊相連地庫(kù)和填土重量，抗傾覆安全系數(shù)為3.2，基礎(chǔ)底面沒有出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū)。設(shè)防及罕遇地震作用下，考慮基礎(chǔ)外側(cè)周邊一定范圍內(nèi)的相連地庫(kù)和填土重量，以及抗拔樁(單樁壓力、拉力不超過單樁豎向抗壓、抗拉承載力極限值的0.9倍)的作用，抗傾覆安全系數(shù)為2.38，基礎(chǔ)底部零應(yīng)力區(qū)最大為12.9%。高層建筑的抗傾覆能力具有足夠的安全儲(chǔ)備。

3 抗震性能設(shè)計(jì)

抗震性能是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的問題之一，結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)是以結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)為基準(zhǔn)的抗震設(shè)計(jì)方法，與傳統(tǒng)的“三水準(zhǔn)兩階段”設(shè)計(jì)方法相比，具有更加具體和量化的設(shè)防目標(biāo)和設(shè)計(jì)水準(zhǔn)[3,4]。

3.1 抗震性能目標(biāo)

根據(jù)工程的場(chǎng)地條件、社會(huì)效益、結(jié)構(gòu)的功能和構(gòu)件重要性，并考慮經(jīng)濟(jì)因素，結(jié)合概念設(shè)計(jì)中的“強(qiáng)柱弱梁”“強(qiáng)剪弱彎”“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的基本理念，綜合考慮設(shè)計(jì)要求，本工程主樓的結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)確定為性能目標(biāo)D，多遇地震達(dá)到性能水準(zhǔn)1、設(shè)防地震達(dá)到第4水準(zhǔn)，罕遇地震達(dá)到第5水準(zhǔn)[5]。

3.2 多遇地震下的振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算

采用YJK1.9.3及Midasbuilding結(jié)構(gòu)大師模塊(細(xì)分墻元模型，2015版)兩個(gè)軟件分別建模進(jìn)行多遇地震下的振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 多遇地震靜力彈性分析主要計(jì)算結(jié)果

由表1可見，各項(xiàng)計(jì)算指標(biāo)滿足規(guī)范要求，對(duì)比分析可知：建立的Midasbuilding分析模型與YJK模型分析結(jié)果吻合較好，計(jì)算結(jié)果基本合理有效，計(jì)算模型符合結(jié)構(gòu)實(shí)際工作狀況，可以作為工程設(shè)計(jì)的依據(jù)。

3.3 多遇地震下的彈性時(shí)程分析

除了基于加速度反應(yīng)譜的振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行抗震計(jì)算外，本工程采用時(shí)程分析法進(jìn)行多遇地震下的補(bǔ)充計(jì)算。計(jì)算選用5條天然地震波和2條人工波，地震波持續(xù)時(shí)間均大于5倍結(jié)構(gòu)基本周期，基于空間三維模型進(jìn)行雙向輸入，其中主次兩個(gè)分量峰值加速度的比值為1.0∶0.85。時(shí)程分析的平均地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應(yīng)譜法所采用的地震影響系數(shù)在統(tǒng)計(jì)意義上相符，見圖2。

圖3和圖4分別為樓層X向和Y向地震剪力分布圖，結(jié)構(gòu)底部剪力的計(jì)算結(jié)果符合規(guī)定；由于結(jié)構(gòu)受到高階振型響應(yīng)的影響，結(jié)構(gòu)上部部分樓層地震剪力普遍大于規(guī)范反應(yīng)譜相應(yīng)樓層地震剪力，通過X,Y向彈性時(shí)程分析與CQC法地震效應(yīng)對(duì)比，對(duì)相關(guān)樓層地震剪力加以調(diào)整放大，綜合取調(diào)整系數(shù)為1.01，據(jù)此對(duì)相關(guān)部位的設(shè)計(jì)內(nèi)力和配筋作出調(diào)整。

3.4 等效彈性計(jì)算分析(性能化設(shè)計(jì))

采用等效彈性方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)防地震與罕遇地震計(jì)算，針對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能目標(biāo)進(jìn)行初步分析[6]。

計(jì)算結(jié)果表明，在設(shè)防地震作用下，結(jié)構(gòu)各層構(gòu)件在滿足相應(yīng)的性能目標(biāo)條件下，沒有出現(xiàn)超筋情況，結(jié)構(gòu)底部加強(qiáng)區(qū)關(guān)鍵構(gòu)件均滿足抗剪和抗彎不屈服；普通豎向構(gòu)件滿足最小剪壓比要求，大部分抗彎不屈服；耗能構(gòu)件滿足抗剪不屈服條件。結(jié)構(gòu)X向和Y向的最大彈塑性位移角分別為1/515和1/377，變形小于3倍彈性位移限值1/333。整體結(jié)構(gòu)在設(shè)防地震作用下達(dá)到中度損壞，滿足第4抗震性能水準(zhǔn)的要求。

在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)底部加強(qiáng)區(qū)關(guān)鍵構(gòu)件在滿足抗彎和抗剪不屈服條件下沒有超筋情況；部分普通豎向構(gòu)件進(jìn)入屈服階段，但抗剪截面滿足要求；底層部分耗能構(gòu)件破壞退出工作。層間最大位移角X向?yàn)?/235，Y向?yàn)?/180，變形小于0.9倍塑性變形限值1/135。整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了明顯的塑性變形，在預(yù)估罕遇地震作用下能夠達(dá)到性能水準(zhǔn)5。

3.5 靜力彈塑性分析

采用靜力彈塑性分析方法(Push Over)對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行分析。這種分析方法基于ATC-40(1996)和FEMA-273(1997)的能力譜法對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行評(píng)價(jià)[7]。水平推覆力采用“規(guī)定水平地震力”分布，通過Pushover分析建立能力譜曲線，按照規(guī)范反應(yīng)譜建立結(jié)構(gòu)在多遇地震、設(shè)防地震及罕遇地震作用下的需求譜曲線，確定性能點(diǎn)。

圖5為結(jié)構(gòu)的基底剪力—頂點(diǎn)位移曲線。經(jīng)計(jì)算，多遇地震下，X向性能點(diǎn)柱頂側(cè)移為71.7 mm，基底剪力為24 184.6 kN；Y向性能點(diǎn)柱頂側(cè)移為99.6 mm，基底剪力為21 161.6 kN。計(jì)算結(jié)果與振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果基本相當(dāng)，在此狀態(tài)下，各桿件沒有產(chǎn)生塑性鉸。罕遇地震作用下，X向與Y向基底剪力分別為99 761.6 kN與98 600.1 kN，與等效彈性計(jì)算結(jié)果相當(dāng)，可以采用等效彈性計(jì)算進(jìn)行截面配筋設(shè)計(jì)。

罕遇地震對(duì)應(yīng)的性能點(diǎn)與結(jié)構(gòu)推覆極限點(diǎn)相比，位移仍有較大發(fā)展空間，說明結(jié)構(gòu)有較大位移安全儲(chǔ)備。

圖6是結(jié)構(gòu)最大樓層位移角曲線，可以看出，層間位移角沒有突變，整體結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)明顯的薄弱樓層。

設(shè)防地震作用下，結(jié)構(gòu)X向和Y向的最大彈塑性位移角分別為1/585和1/424，第一、二層剪力墻出現(xiàn)輕微損傷，部分耗能構(gòu)件出現(xiàn)明顯的塑性變形。

罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)X向和Y向的最大彈塑性位移角分別為1/274和1/202，小于等效彈性計(jì)算結(jié)果，部分下部樓層剪力墻在罕遇地震作用下發(fā)生輕微損傷，極少數(shù)發(fā)生中度損壞，部分耗能構(gòu)件有中等或較重的損傷，部分甚至已經(jīng)破壞退出工作。

罕遇地震加速度峰值是多遇地震加速度峰值的5.71倍，但罕遇地震下基底剪力為多遇地震下基底剪力的3.7倍～4.1倍，說明在罕遇地震作用下部分構(gòu)件累積損傷，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體剛度退化，進(jìn)入塑性狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

1)本工程建筑高寬比過大，結(jié)構(gòu)寬度方向的抗傾覆能力弱，通過將結(jié)構(gòu)寬度方向基礎(chǔ)擴(kuò)大，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的抗傾覆能力，使其在地震作用下滿足抗傾覆需求。

2)地震作用下，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及位移滿足國(guó)家現(xiàn)行規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力足夠，結(jié)構(gòu)承載力未發(fā)生明顯下降。通過對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)防地震及罕遇地震作用下的抗震性能設(shè)計(jì)及靜力彈塑性分析，結(jié)果表明本工程整體結(jié)構(gòu)可達(dá)到性能目標(biāo)D的要求，結(jié)構(gòu)抗震性能良好。