某高層鋼筋混凝土結構抗震性能分析

摘 要：本文以武漢市某新建大型高檔住宅社區項目為例，利用ETABS軟件和SATWE軟件分別計算結構在多遇地震作用下的反應，對結構在地震作用下的位移和反應進行分析，判斷結構在多遇地震作用時安全可靠。

關鍵詞：高層；鋼筋混凝土結構；多遇地震

1 概述

武漢某新建大型高檔住宅社區項目的1號樓的1-3單元層數為56層，平面呈現為“T”型，最大的長度為33米，最大寬度為20米，該樓41層處（標高為128.45米）沿長度方向逐漸縮進，建筑高度為180米。結構平面如圖1所示。

根據《超限高層建筑工程抗震設防管理規定》、《高層建筑混凝土結構技術規程》、《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》的要求，該社區1號樓屬于超限高層建筑。同時，由于該樓的結構平面和立面布置不規則，結構有偏心現象，受力復雜，應當對其進行地震模擬計算分析，為結構設計采取合理的抗震措施提供依據。

2 工程概況

本文以該小區1號樓的1-3單元為研究對象，該結構的地下部分為兩層，地上部分為56層，在本次的計算分析當中，我們以地上部分為主要研究對象，進行多遇地震下結構內力與變形的彈性分析。

該結構為全部落地的鋼筋混凝土剪力墻結構，混凝土強度等級沿高度逐漸變化，混凝土強度等級沿高度變化見下表1。由上圖1可以看出，結構在豎向管井、電梯間筒體、樓面外墻和部分內隔墻處設置有剪力墻，樓蓋全部采用現澆鋼筋混凝土梁板結構剪力墻的厚度為300毫米。該結構的地上首層層高為5.5米，2-20層層高為3.1米，21-55層層高為3.2米，頂層層高為3.25米。根據地質勘探報告，該結構的設計地震分組為第一組，抗震設防烈度為6度，場地類型為Ⅲ類，建筑場地特征周期Tg為0.45s，結構的彈性阻尼比ξ為0.05，結構水平地震影響系數最大值 見下表2。

3 建模計算

本文利用SATWE和ETABS對結構進行眾值烈度地震下反應譜的分析，在進行內力建模分析時，梁柱采用框架單元進行模擬，現澆鋼筋混凝土樓板采用殼單元進行模擬，為了考慮剪力墻進行塑性時的性能，使用模擬框架來代替剪力墻。對于截面高度是h，寬度是b，厚度是t的剪力墻，模擬框架的計算見圖如圖2所示。

根據等效原則，使模擬框架和原有剪力墻的抗剪剛度、抗彎剛度及軸壓剛度相等，求出模擬框架柱子的慣性矩和面積、斜支撐及鏈桿的面積等結構特征值。

4 計算結果分析

4.1 結構的質量和周期參與系數

根據SATWE軟件的計算結果，可以得出考慮結構扭轉耦聯時的周期、結構在X和Y方向的平動系數、扭轉系數表，見表3。由表可以看出，結構在X方向的有效質量系數是98.97%，在Y方向的有效質量系數是98.51%，都能夠滿足《高層建筑混凝土結構技術規程》的關于陣型參與質量不小于結構總質量的90%的規定，同時也可以說明，計算結果選用的結構陣型數目足夠。

根據ETABS軟件的計算結果，可以得出結構自振周期及結構各模態（陣型）參與質量比，見表3。

4.2 結構位移計算結果

利用ETABS軟件和SATWE軟件分別計算結構在地震作用下的反應，得出結構的位移。

利用ETABS計算得到的結構在X方向地震作用下時，最大層間位移角為1/3289，最大位移角發生在結構計算樓層的第39層，樓層的最大水平位移為40.5毫米，朝Y方向；結構在Y方向地震作用下時，最大層間位移角為1/2173，最大位移角發生在結構計算樓層的第47層，樓層的最大水平位移為60.1毫米，朝Y方向。

利用SATWE計算得到的結構在X方向地震作用下時，最大層間位移角為1/3317，最大位移角發生在結構計算樓層的第44層，樓層的最大水平位移為37.2毫米；結構在Y方向地震作用下時，最大層間位移角為1/2225，最大位移角發生在結構計算樓層的第47層，樓層的最大水平位移為56.1毫米；兩個方向地震同時作用時，結構在X方向的最大層間位移角為1/3287，最大位移角發生在結構計算樓層的第44層，樓層的最大水平位移為36.5毫米，結構在Y方向的最大層間位移角為1/2167，最大位移角發生在結構計算樓層的第47層，樓層的最大水平位移為56.2毫米。

4.3 地震反應譜分析

根據SATWE軟件對結構進行多遇地震下的反應譜分析結果發現，結構在X方向的最大反應力為220.4kN，在Y方向的最大反應力為236.2kN；在X方向的最大樓層剪力為3322.1kN，最大樓層位移為36.9mm，在Y方向的最大樓層剪力為3423.2kN，最大樓層位移為55.9mm；X方向的最大層間位移角為1/3317rad，Y方向的最大層間位移角為1/2204rad；X方向的最大樓層彎矩為315738.6kN·m，Y方向的最大樓層彎矩為288971.7 kN·m。

對比計算結果和結構配筋，及《高層建筑混凝土結構技術規程》后發現結構在多遇地震作用下處于彈性變形的階段，結構的位移和變形都能滿足要求。

5 結論

本文以武漢市某高層鋼筋混凝土住宅為例，介紹了工程結構的基本情況，利用ETABS軟件和SATWE軟件分別計算結構在地震作用下的反應，對該工程在多遇地震作用時的內力和變形進行了分析。從計算結果可以看出，這一高層鋼筋混凝土結構在多遇地震時最大的層間位移角是1/2167，能夠滿足《高層建筑混凝土結構技術規程》的1/800限值的要求，結構仍然處于彈性狀態，表明結構在多遇地震下是安全可靠的。

參考文獻

[1]GB 50011-2001，建筑抗震設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社.

[2]多層及高層建筑結構彈塑性動力、靜力分析軟件用戶手冊編制原理.中國建筑科學研究院.

作者信息：鐘福平，男，福建武平人，1971年8月生，畢業于山東礦業學院工民建專業，本科學歷，高級工程師，現在中煤科工集團武漢設計研究院從事結構設計及研究工作。