陳小康， 余 洋

(南京理工大學(xué) 理學(xué)院，江蘇 南京 210094）

我國中西部是地震烈度較高地區(qū)，對其進(jìn)行地震響應(yīng)分析不僅有理論價值，更關(guān)系到人民生命財產(chǎn)安全，所以對高烈度區(qū)超高層建筑進(jìn)行地震響應(yīng)分析非常必要。傳統(tǒng)的“三水準(zhǔn)，兩階段”抗震設(shè)防思想已經(jīng)很難滿足現(xiàn)在超高層及各種復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)的需要，基于性能的抗震設(shè)計思想應(yīng)運而生。美國應(yīng)用技術(shù)委員會將罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的狀態(tài)分為立即入住、損失控制、生命安全、結(jié)構(gòu)失穩(wěn)四種狀態(tài)[1～2]，同時給出了不同結(jié)構(gòu)構(gòu)件在不同性能水準(zhǔn)下的彈塑性變形限值和結(jié)構(gòu)非線性地震分析方法與步驟；汪夢甫等[3]總結(jié)了性能化設(shè)計的內(nèi)容，給出了性能設(shè)計的整體流程圖以及各個設(shè)計中關(guān)鍵節(jié)點的分支圖，使讀者對基于性能的抗震設(shè)計思想有了整體上的了解；丁健[4]在研究分析現(xiàn)行基于力的抗震設(shè)計的基礎(chǔ)上，著重分析了基于位移及損傷抗震設(shè)計兩種方法的優(yōu)缺點，提出了直接基于損傷性能能力設(shè)計方法來實現(xiàn)性能化設(shè)計。

本文基于性能的抗震設(shè)計方法，以實際工程為例，判別了其結(jié)構(gòu)超限情況，針對具體的要求提出工程結(jié)構(gòu)的抗震性能目標(biāo)及采取的抗震設(shè)計分析方法；通過運用YJK 與PKPM 軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇地震下反應(yīng)譜分析，補充彈性時程分析，考察結(jié)構(gòu)指標(biāo)是否滿足規(guī)范要求；采用YJK 軟件進(jìn)行設(shè)防烈度下的中震彈性和中震不屈服分析，考察結(jié)構(gòu)是否滿足規(guī)范要求；采用Midas 軟件在罕遇地震作用下進(jìn)行靜力彈塑性分析，考察結(jié)構(gòu)屈服機制、出鉸順序及在大震下的結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞。

1 超限工程概況

甘肅某房屋主體結(jié)構(gòu)高143.1 m，標(biāo)準(zhǔn)層層高3.15 m，地上44 層，地下2 層，抗震設(shè)防烈度為8 度。地面以上2 層裙房首層層高5.700 m，二層層高5.100 m。主體為鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，見表1。

表1 結(jié)構(gòu)基本參數(shù)

續(xù)表1

1.1 結(jié)構(gòu)體系

為抵抗中震下剪力墻肢產(chǎn)生的拉力、增加剪力墻的延性，在底部加強部位比較重要的墻肢(外縱墻)增加型鋼。見表2。

表2 主要構(gòu)件尺寸mm

1.2 結(jié)構(gòu)超限情況

工程結(jié)構(gòu)高度143.10 m，超過了8 度區(qū)剪力墻結(jié)構(gòu)B 級高層130 m 的最大高度[5]；平面布置基本規(guī)則，首層頂板有效寬度＜30%，二層頂有局部框支，剛度比滿足要求。在規(guī)定水平力作用下位移比X 方向＜1.20。甘肅省地方規(guī)定高寬比＞5 即為超限建筑，本工程高寬比8.08，超過規(guī)定限值60.6%，為甘肅省超限項目。

2 超限高層抗震響應(yīng)分析

2.1 抗震設(shè)計性能目標(biāo)

分別采用不同力學(xué)模型的結(jié)構(gòu)分析軟件PKPM、YJK、和Midas Building 相互校核分析，確保結(jié)構(gòu)在小震作用下各項指標(biāo)符合規(guī)范要求，采用彈性時程分析法對結(jié)構(gòu)在小震作用下進(jìn)行補充計算。中震計算取GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》提供的地震動參數(shù)，適當(dāng)考慮偶然偏心（取3%），采用Midas 軟件進(jìn)行靜力彈塑性分析，觀察結(jié)構(gòu)在罕遇地震力作用下的塑性鉸發(fā)展趨勢，檢驗結(jié)構(gòu)是否滿足規(guī)范對彈塑性變形要求的限值。

根據(jù)建筑的功能重要性以及所在地區(qū)，擬定抗震性能目標(biāo)為D級[5]。見表3。

表3 主要構(gòu)件的性能目標(biāo)

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 多遇地震反應(yīng)譜

多遇地震下的計算見表4。

表4 多遇地震主要計算結(jié)果

2.2.2 彈性時程

GB 50011—2010 規(guī)定，抗震設(shè)防烈度8 度區(qū)且高度超過80 m 的高層建筑應(yīng)采用時程分析法進(jìn)行多遇地震的補充計算。

本工程彈性時程計算采用YJK 軟件，阻尼比為0.05，計算時共選用7 條波，其中5 條天然波和2 條人 工波，時程分析結(jié)果見表5。

表5 時程分析結(jié)果

2.2.3 中震結(jié)果分析

由于工程高度超限，為提高結(jié)構(gòu)安全水平，對底部加強區(qū)剪力墻和框架柱的抗剪承載力按中震彈性設(shè)計，對于底部加強區(qū)剪力墻和框架柱的抗彎承載力按中震不屈服設(shè)計。見表6。

表6 中震設(shè)計參數(shù)

計算程序采用YJK軟件，結(jié)果表明：剪力墻抗剪承載力滿足中震彈性設(shè)防目標(biāo)，少量連梁和樓面梁超配筋；剪力墻抗彎承載力達(dá)到了中震不屈服的設(shè)防目標(biāo)。

2.2.4 大震結(jié)果分析

1）截面控制。采用Midas軟件進(jìn)行了大震作用下靜力彈塑性分析，判斷大震作用下建筑物是否倒塌，找到大震作用下的薄弱部位并采取構(gòu)造加強措施，保證抗震性能目標(biāo)的實現(xiàn)。見表7。

表7 大震分析參數(shù)

抗剪承載力根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》11.7.3 節(jié)計算，結(jié)果表明：墻肢大震下受剪截面控制能夠保證。

2）靜力彈塑性。非線性地震反應(yīng)分析采用的是靜力彈塑性分析方法并結(jié)合了以性能為基本的抗震設(shè)計理論。采用Midas 軟件進(jìn)行Pushover 分析，分別在各框架梁的梁端、柱端以及剪力墻體中設(shè)置彎矩鉸，在鋼筋混凝土墻體中設(shè)置軸力彎矩鉸。定義各鉸的性能骨架曲線。見圖1。

圖1 性能狀態(tài)曲線

圖1中，兩條譜的交點也稱之為性能目標(biāo)點，若處在目標(biāo)性能范圍內(nèi)，即可表明結(jié)構(gòu)為達(dá)到了預(yù)定目標(biāo)要求。

水平荷載分布模式按加速度常量，根據(jù)pushover分析，第一振型形式為X 向的平動，第二振型形式為Y向的平動。見圖2。

圖2 結(jié)構(gòu)振型

在側(cè)向推覆中，考慮1.0×恒載標(biāo)準(zhǔn)值+0.5×活載標(biāo)準(zhǔn)值豎向荷載組合作為初始工況，材料強度取用標(biāo)準(zhǔn)值。見圖3。

圖3 結(jié)構(gòu)能力曲線

在X 向推覆的情況下，目標(biāo)性能控制點所對應(yīng)的基底剪力約為96 690 kN，此時結(jié)構(gòu)的頂點位移約為0.235 9 m，最大層間位移角為1/415；在Y 向推覆的情況下，目標(biāo)性能控制點所對應(yīng)的基底剪力約為119 000 kN，此時結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)頂點位移約為0.291 2 m，最大層間位移角為1/388。見圖4。

圖4 性能控制點對應(yīng)的結(jié)構(gòu)位移角

3 結(jié)論

小震反應(yīng)譜及彈性時程分析計算分析結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)的平面較規(guī)則，豎向剛度較均勻，變形滿足要求。中震作用下，底部加強部位剪力墻抗剪保持彈性狀態(tài)，其余豎向構(gòu)件允許部分進(jìn)入屈服狀態(tài)。主體結(jié)構(gòu)無明顯的薄弱環(huán)節(jié)，整個結(jié)構(gòu)具有良好的空間效應(yīng)。在罕遇地震作用，結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出良好的耗能性和延性。總體上結(jié)構(gòu)具有良好的結(jié)構(gòu)剛度以及耗能性，能夠達(dá)到抗震性能水準(zhǔn)D級的要求。