方義慶

（安徽五維建筑規(guī)劃設計有限公司 合肥 231283）

1 工程概況

某超高層塔樓地上50 層，地下3 層，建筑高度為240 m，結構高度228 m。塔樓典型結構平面如圖1 所示，平面尺寸分別從F23、F40、F45 層開始沿豎向單側不對稱逐漸內(nèi)收；底層鋼筋混凝土核心筒位于結構正中，核心筒從F23、F37 層開始沿豎向單側不對稱逐漸內(nèi)收。塔樓結構采用型鋼混凝土柱+鋼梁+鋼筋混凝土核心筒結構體系。

圖1 典型結構平面Fig.1 Typical Plan of Structure

基本抗震設防烈度為7 度，設計地震分組為第一組，Ⅳ類場地，多遇地震設計反應譜的阻尼比取0.04，罕遇地震彈塑性分析阻尼比取0.05。

動力彈塑性時程分析是考察建筑結構能否達到預定抗震性能目標的主要分析方法［1～4］。為考察該塔樓在罕遇地震作用下的抗震性能及核心筒、外框架、收進位置樓板等關鍵構件的塑性開展和損傷情況，對該塔樓進行了罕遇地震作用下的彈塑性時程分析。

2 抗震性能目標與抗震性能評價標準

本工程塔樓結構總體抗震性能目標按《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程：JGJ 3—2010》［5］取為C 級，各主要抗側力構件的抗震性能目標如表1所示。

表1 抗震性能目標Tab.1 Seismic Fortification Performance Targets

基于損傷的抗震性能評價量化標準如表2所示［6-8］。

表2 構件損壞程度評價標準Tab.2 Evaluation Standard of Component Damage Degree

3 結構彈塑性計算模型

采用三維非線性有限元軟件SAUSAGE 建立三維非線性模型來模擬結構材料以及幾何非線性行為。

3.1 材料模型

混凝土采用彈塑性損傷模型，考慮材料的拉、壓強度差異，剛度、強度的退化和拉壓循環(huán)的剛度恢復，其軸心抗壓和抗拉強度標準值按照《混凝土結構設計規(guī)范：GB 50010—2010》［9］規(guī)定取值，材料本構關系的骨架曲線按照文獻［9］附錄C采用。

鋼材的非線性材料模型采用雙線性隨動硬化模型，在循環(huán)過程中考慮了包辛格效應。鋼材的強屈比設定為1.2，極限應力所對應的極限塑性應變?yōu)?.025。

3.2 構件模型

梁、柱、斜撐和桁架等一維構件采用纖維束模型。剪力墻、樓板采用彈塑性分層殼單元，該單元可采用二維混凝土彈塑性損傷模型本構關系（Plastic-Dam?age）；可疊加鋼筋層（rebar-layer）考慮多層分布鋼筋的作用；適合模擬剪力墻和樓板在大震作用下進入非線性的狀態(tài)。三維非線性分析模型如圖2所示。

圖2 結構彈塑性分析模型Fig.2 Structural Elastic-plastic Analysis Model

3.3 模型檢查

SAUSAGE 彈性模型與ETABS 彈性模型的結構總質(zhì)量及前3 階周期對比如表3所示。兩個模型對應的總重量及前3階周期基本吻合。

表3 彈性模型比較Tab.3 Comparison of Elastic Models

4 地震波選取

選取上?！督ㄖ拐鹪O計規(guī)程：DBJ 008-9—2013》［10］中的2 組天然罕遇地震波和1 組人工罕遇地震波，如表4所示。

表4 地震波分組Tab.4 Seismic Grouping

3 組地震波反應譜與規(guī)范反應譜對比如圖3 所示，3 組地震波加速度反應譜曲線與規(guī)范反應譜曲線對應結構主振型的周期點上相差不大于20%，滿足“在統(tǒng)計意義上相符”的要求［11］。3組地震波底部剪力及平均剪力與CQC 的對比如表5 所示，均滿足文獻［10-11］要求。

表5 時程波底部剪力與CQC比較Tab.5 Comparison between the Bottom Shear Force of Time Wave and CQC

圖3 地震波反應譜與規(guī)范反應譜對比Fig.3 Comparison of seismic Response Spectrum and Standard Response Spectrum

5 罕遇地震總體信息匯總

5.1 基底剪力

3 組地震波作用下結構的基底剪力最大值如表6所示，X、Y兩個主方向基底剪力最大值分別為97.0 MN和103.5 MN，對應的剪重比分別為6.40%和6.82%。彈塑性剪力與彈性剪力比值在0.60～0.82，初步判斷結構出現(xiàn)了一定損傷和剛度退化現(xiàn)象。

表6 每組地震波的最大基底剪力與相應的剪重比Tab.6 The Maximum Base Shear of Each Set of Seismic Waves and Shear Weight Ratio

5.2 層間位移角

3組地震波作用下結構的層間位移角及其對應的樓層號如表7 所示，3 組地震波對應的結構層間位移角曲線如圖4 所示。X方向和Y方向的最大層間位移角分別為1/107 和1/140，分別出現(xiàn)在38 層和45 層，均滿足小于1/100的限值要求。

圖4 層間位移角曲線Fig.4 Interlayer Displacement Angle Curve

表7 每組地震波對應的結構層間位移角最大值Tab.7 The maximum Value of the Interlayer Displacement Angle of the Structure Corresponding to Each Group of Seismic Waves

5.3 能量耗散時程曲線

以NR1.1-4 為例，該塔樓結構在NR1.1-4 地震波作用下地震輸入總能量與各種能量耗散隨時間的變化情況如圖5所示，由圖5可知，前期結構進入塑性階段尚淺，以阻尼耗能為主，隨著時間增加，結構的塑性耗能占比例逐漸增加，反映了結構在大震下逐漸進入塑性的過程。

圖5 NR1.1-4能量耗散時程曲線Fig.5 Energy Dissipation of NR1.1-4 Time History Curve

6 構件抗震性能性能分析

以天然波NR1.1-4 為例，分析核心筒、外框柱、收進樓層樓板的塑性開展、損傷情況，考察是否可以達到預期的抗震性能目標。

6.1 核心筒

6.1.1 剪力墻及連梁受壓損傷情況

NR1.1-4 地震波作用下核心筒損失云圖如圖6 所示，由圖6 可知，核心筒的大部分連梁有較大損傷，另豎向收進樓層位置的剪力墻、底部樓層位置的剪力墻位置也有一定損傷。

圖6 核心剪力墻受壓損傷Fig.6 Damage of Core Shear Wall in Compression

豎向收進樓層位置的剪力墻，由于抗側剛度和豎向傳力路徑的突變，導致在該位置剪力墻出現(xiàn)較大損傷，局部受壓損傷因子達到0.75，施工圖設計時對損傷較大的墻肢設置了鋼板墻，予以加強。底部樓層位置的大部分剪力墻損傷因子小于0.2，輕度損壞。

6.1.2 剪力墻及連梁的鋼筋、鋼骨塑性開展情況

NR1.1-4地震波X向作用下剪力墻及連梁鋼筋應變與屈服應變比值云圖如圖7所示?？梢?，剪力墻墻身鋼筋基本均未進入塑性狀態(tài)；部分連梁縱向鋼筋進入塑性狀態(tài)，塑性應變小于0.006。剪力墻邊緣構件僅在底部加強區(qū)的部分位置進入塑性狀態(tài)，塑性應變小于0.002。

圖7 剪力墻鋼筋應變與屈服應變比Fig.7 Ratio of Reinforcement Strain to Yield Strain of Shear Wall

6.2 框架柱

6.2.1 框架柱受壓損傷情況NR1.1-X 地震波X向作用下的框架柱混凝土受壓損傷云圖如圖8?所示，可見在罕遇地震作用下，框架柱絕大部分處于無損傷；個別斜柱損傷因子達到0.16，達到輕微損壞水平。

6.2.2 框架柱鋼骨、鋼筋應變

NR1.1-5 地震波X向作用下，框架柱鋼筋應變與屈服應變比值如圖8?所示，所有框架柱的鋼骨及鋼筋均未進入塑性變形，個別斜柱鋼筋應變與屈服應變比值達到0.6?？梢云鸬健暗诙揽拐鸱谰€”的作用。

圖8 框架柱受壓損傷及框架柱鋼筋應變與屈服應變比Fig.8 Frame Column Compression Damage，Ratio of Reinforcement Strain to Yield Strain of Frame Column

6.3 樓板

NR1.1-5地震波X向作用下，墻肢收進層（F23）處樓板受壓及鋼筋應變與屈服應變比值云圖如圖9 所示。大部分損傷因子小于0.2，鋼筋均未進入塑性狀態(tài)；斜柱連接位置的樓板損傷因子達到0.7，鋼筋也未進入塑性狀態(tài)，鋼筋應變與屈服應變比值達到0.8；施工圖設計時針對性地加強配筋。

圖9 F23樓板受壓損傷及鋼筋應變與屈服應變比Fig.9 Compression Damage of F23 Floor Slab and Ratio of Reinforcement Strain to Yield Strain

7 結論

⑴結構在X方向的層間位移角最大值為1/107；Y方向的層間位移角最大值為1/140，均滿足鋼筋混凝土框架-核心筒層間位移角不大于1/100的要求。

⑵核心筒墻體在罕遇地震下性能良好。核心筒連梁出現(xiàn)了損傷，形成耗能機制，保護了核心筒墻肢；核心筒墻肢在剪力墻收進處受壓損傷明顯，個別墻肢達到了嚴重破壞水平，設計時需針對這些部位剪力墻做進一步加強，其它絕大部分區(qū)域處于輕微損傷水平；底部跨層處剪力墻損傷較小，只出現(xiàn)了輕度損傷。

⑶豎向收進位置的剪力墻和樓板與其他位置相比，損傷程度明顯增加，設計時應重點關注。

⑷框架柱在罕遇地震下性能良好，絕大部分處于輕微損壞水平，個別構件達到中度損壞水平。

⑸滿足“大震不倒”的抗震設防目標，可達到預期的抗震性能目標。