馮喜軍，周 磊，楊 杰，齊 欣

（1.甘肅建總置業(yè)發(fā)展有限公司，甘肅 蘭州 730050；2.甘肅建投科技研發(fā)有限公司，甘肅 蘭州 730050）

0 引言

對(duì)高層建筑而言，一般按照 GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》［1］的“三水準(zhǔn)，兩階段”進(jìn)行高層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，而超限復(fù)雜高層建筑還需要進(jìn)行專門的論證分析及研究。本文針對(duì)甘肅省一典型超限復(fù)雜高層項(xiàng)目——甘肅建投地產(chǎn)·百酈灣項(xiàng)目，進(jìn)行罕遇地震作用下的動(dòng)力彈塑性分析。采用 PERFORM 3D 軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)的非線性彈塑性分析，選取一組人工波和兩組天然波在大震作用下主要受力構(gòu)件的力學(xué)性能，研究關(guān)鍵構(gòu)件的受力變形特點(diǎn)，并提出有效的加強(qiáng)措施及建議，保證結(jié)構(gòu)在大震下的安全可靠。

1 工程簡(jiǎn)介

本項(xiàng)目位于蘭州市七里河區(qū)大灘村，南濱河路以南，T088# 規(guī)劃路以東，B097# 規(guī)劃路以北。本項(xiàng)目擬建一棟高層酒店辦公樓，總建筑面積約為 7.98 萬(wàn) m2。其中地上 25 層，地下 2 層，建筑面積約 5.83 萬(wàn) m2，結(jié)構(gòu)高度 99.0 m。裙房為 6 層，高 28.1 m，建筑功能為辦公大堂及酒店大堂、商業(yè)、宴會(huì)廳及餐廳等。5F～13F 建筑功能為辦公，14F 為設(shè)備轉(zhuǎn)換層，15F～25F 建筑功能為酒店，其中在 23F 有一個(gè)兩層通高的室內(nèi)泳池。其中 1 層高為 5.10 m，2 層至 4 層層高為 5.0 m，5F～13F 層高為 4.0 m，14F 設(shè)備層層高為 2.1 m，15F～22F 層高為 3.6 m，23F 層高為 4.1 m，24F 層高為 4.3 m，25F 層高為 3.6 m。建筑效果圖如圖 1 所示。

圖1 建筑效果圖

2 主要設(shè)計(jì)參數(shù)及荷載取值

本工程設(shè)計(jì)使用年限及耐久性均為 50 年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，γ0=1.0，設(shè)防分類為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類（丙類），本工程與巖土直接接觸的基礎(chǔ)（含連系梁）、地下室底板兩側(cè)、側(cè)壁兩側(cè)、頂板外側(cè)、屋面及室外露天構(gòu)件（含混凝土雨篷構(gòu)件等）以及水池的環(huán)境類別為二 b 類，地下室內(nèi)部的其他構(gòu)件為二 a 類，其余構(gòu)件為一類。

根據(jù) GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防具體參數(shù)如表 1 所示。

表1 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防的設(shè)計(jì)基本參數(shù)

3 結(jié)構(gòu)體系及結(jié)構(gòu)布置

本結(jié)構(gòu)采用部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)（轉(zhuǎn)換層設(shè)置在 5F），其地下部分為兩層完整的全埋地下室，故結(jié)構(gòu)嵌固端取在地下室頂板。結(jié)構(gòu)整體三維模型如圖 2 所示。

圖2 結(jié)構(gòu)整體三維計(jì)算模型圖

轉(zhuǎn)換柱為十工勁型鋼混凝土柱，截面尺寸為1 700 mm×1 700 mm（H1000×700×30×30），轉(zhuǎn)換梁為工形勁型鋼混凝土梁，截面尺寸為 1 700 mm×2 300 mm（H 1 800×700×30×30）上托 600 mm 厚鋼板剪力墻，鋼板厚 20 mm，轉(zhuǎn)換層樓板厚 180 mm，主要構(gòu)件截面信息如表 2 所示。

表2 結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件截面信息

根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》（建質(zhì)〔2015〕67 號(hào)）［2］，本建筑結(jié)構(gòu)存在以下超限情況：

1）樓層總高度超部分框支剪力墻結(jié)構(gòu) A 級(jí)最大適用高度［3］；

2）裙房頂角部位移比＞1.3且＜1.4，塔樓位移比＜1.25，個(gè)別樓層質(zhì)心存在偏心；

3）2F 酒店大堂上空和 5F 右側(cè)宴會(huì)廳上空樓板不連續(xù)；

4）剛度突變（13F，14F 設(shè)備層層高 2.1 m），豎向體型收進(jìn)；

5）構(gòu)件間斷（局部剪力墻不連續(xù)，在 5F 頂轉(zhuǎn)換）；

6）局部穿層柱、局部斜柱；

7）塔樓偏置；

8）局部高位托墻轉(zhuǎn)換（轉(zhuǎn)換層處于 5F）。

4 罕遇地震作用下動(dòng)力彈塑性分析

本項(xiàng)目存在局部樓層質(zhì)心偏心、酒店大堂及宴會(huì)廳樓板不連續(xù)等 8 項(xiàng)超限情況，屬于復(fù)雜超限高層建筑，應(yīng)對(duì)其在大震作用下的動(dòng)力彈塑性進(jìn)行研究分析。

本項(xiàng)目采用 PERFORM 3D 軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)的非線性彈塑性分析，選取一組人工波和兩組天然波，分析結(jié)構(gòu)在大震作用下，結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件的力學(xué)性能、塑性發(fā)展分布及趨勢(shì)，考察整體結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn)及塑性發(fā)展機(jī)制，研究關(guān)鍵構(gòu)件的受力變形特點(diǎn)，提出設(shè)計(jì)加強(qiáng)措施及建議，保證結(jié)構(gòu)在大震下的安全可靠。

4.1 結(jié)構(gòu)分析模型

在 PERFORM 3D 中建立空間三維非線性分析模型，需滿足如下條件：

1）剪力墻單元為 4 節(jié)點(diǎn)單元，具有平面內(nèi)的彎曲、豎向拉壓和剪切行為，平面外則僅考慮受彎剛度；

2）墻單元截面采用含鋼筋纖維和混凝土纖維的纖維截面及非彈性剪切纖維來(lái)模擬，并通過(guò)這兩種纖維的軸向拉壓和彎曲來(lái)反應(yīng)整片墻的平面內(nèi)行為，可以模擬軸力P和彎矩M的相互作用以及中性軸的偏移，剪力墻中鋼筋的屈服利用鋼筋纖維材料的屈服來(lái)實(shí)現(xiàn)，剪力墻中混凝土的開裂及壓碎需要通過(guò)混凝土纖維材料的變形來(lái)模擬，而剪切行為的模擬則需要利用非彈性剪切材料來(lái)實(shí)現(xiàn)；

3）連梁采用跨中設(shè)置剪切鉸的桿單元模擬，框架梁、柱均采用集中塑性鉸模型，樓板采用剛度樓板假定；

4）結(jié)構(gòu)荷載（恒載及活載）考慮為點(diǎn)、線荷載；

5）質(zhì)量源按下式進(jìn)行計(jì)算：W=1.0DL +0.5 LL。

4.2 罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的層間位移角

本工程在大震作用條件下，輸入地震波主方向加速度值 400 cm/s2，選取一組人工波和兩組天然波分析結(jié)構(gòu)的最大層間位移角是否超過(guò)規(guī)范限值，地震加載方式為主次波分別加載，并考慮三向地震作用。

結(jié)果表明，最大彈性位移角出現(xiàn)在輸入人工波 1 時(shí)，且以Y向?yàn)橹鞣较蜉斎霑r(shí)地震反應(yīng)大于以X方向?yàn)橹鞣较颍Y(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角如圖 3、圖 4 所示。

圖3 人工波 1（主波以 X 向?yàn)橹鳎娱g位移角

圖4 人工波 1（主波以 Y 向?yàn)橹鳎娱g位移角

4.3 罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能

根據(jù)結(jié)構(gòu)模型在人工波 1（主波以Y方向?yàn)橹鳎┑姆治鼋Y(jié)果，結(jié)構(gòu)在人工波 1（主波以Y向?yàn)橹鳎┖庇龅卣鹱饔孟?，框梁考?LS 極限狀態(tài)（使用安全狀態(tài)），連梁考察 CP 極限狀態(tài)（防止倒塌狀態(tài)），主體結(jié)構(gòu)中僅有部分框架梁、多數(shù)的連梁以及個(gè)別的剪力墻達(dá)到設(shè)定的變形和極限承載力狀態(tài)，滿足罕遇地震不倒的設(shè)計(jì)要求。其中轉(zhuǎn)換梁的受拉及受壓應(yīng)變均處于較小狀態(tài)；轉(zhuǎn)換梁上一層的剪力墻處于設(shè)定的彈性剪切強(qiáng)度的 2 倍范圍內(nèi)，需加 20 mm 厚鋼板以提高剪力墻的抗剪承載力并滿足剪力墻抗剪不屈服；框柱考察 IO 極限狀態(tài)（直接居住狀態(tài)），底層轉(zhuǎn)換柱鋼筋受拉應(yīng)變超過(guò)屈服拉應(yīng)變，故需加強(qiáng)轉(zhuǎn)換柱的配筋以滿足轉(zhuǎn)換柱在罕遇地震作用下不屈服。

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)超限復(fù)雜高層項(xiàng)目-甘肅建投地產(chǎn)·百酈灣項(xiàng)目進(jìn)行大震下的動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析，結(jié)合結(jié)構(gòu)層間位移角的對(duì)比和結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能狀態(tài)的研究，得到以下結(jié)論：

1）結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下，最大彈性位移角出現(xiàn)在輸入人工波 1 時(shí)，且以Y向?yàn)橹鞣较蜉斎霑r(shí)地震反應(yīng)大于以 X 方向?yàn)橹鞣较颉?/p>

2）在人工波 1（主波以Y方向?yàn)橹鳎┑姆治鼋Y(jié)果中可以看出，剪力墻大部分連梁均出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的受壓損傷，最大層間位移角出現(xiàn)在 24 層，滿足大震下層間位移角限值。

3）結(jié)構(gòu)在人工波 1（主波以Y向?yàn)橹鳎┖庇龅卣鹱饔孟拢黧w結(jié)構(gòu)中僅有部分框架梁、多數(shù)的連梁以及個(gè)別的剪力墻達(dá)到設(shè)定的變形和極限承載力狀態(tài)，滿足罕遇地震不倒的設(shè)計(jì)要求。Q