某超限高層結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)與分析

胡 恩,施法科

(1.中鐵二局集團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，四川成都610031；2.成都博城建筑師事務(wù)所有限公司，四川成都610000)

1 工程概況

本工程位于貴州省貴陽(yáng)市南明區(qū)五里沖片區(qū)，為五里沖棚戶區(qū)、危舊房、城中村改造工程。本文所研究的對(duì)象為其中的一棟獨(dú)立辦公樓，位于延安南路和中山中路交匯處，建筑面積約110 000 m2，建筑主要功能為辦公、商業(yè)和停車。建筑周邊場(chǎng)地為坡地，地面最低點(diǎn)標(biāo)高平負(fù)二層樓面，自此標(biāo)高處算至結(jié)構(gòu)大屋面共57層。塔樓結(jié)構(gòu)高度208.8 m，為B級(jí)高度。負(fù)二層至地上二層層高分別為4.8 m、5.7 m、5.6 m、5.1 m，二層以上標(biāo)準(zhǔn)層層高3.5 m。其中第13、27、41層為建筑避難層兼做設(shè)備層，層高4.2 m。另自負(fù)二層以下設(shè)2層全埋地下室。

工程場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度為6度，建筑場(chǎng)地類別為Ⅱ類，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，特征周期為0.35 s?？拐鹪O(shè)防分類為重點(diǎn)設(shè)防類，安全等級(jí)二級(jí)，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)周期50年，設(shè)計(jì)使用年限50年。

2 結(jié)構(gòu)選項(xiàng)及布置

本工程采用鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)，樓蓋采用鋼筋混凝土梁板式樓蓋。利用豎向交通的樓、電梯的位置設(shè)置鋼筋混凝土核心筒，核心筒結(jié)構(gòu)布置豎向分為低、中、高區(qū)，由低到高核心筒有部分收進(jìn)，低區(qū)核心筒平面尺寸為19.1 m×19.1 m，中區(qū)核心筒左側(cè)收進(jìn)2.85 m，高區(qū)核心筒右側(cè)收進(jìn)2.85 m。核心筒剪力墻最大厚度X向?yàn)?00 mm，Y向?yàn)?00 mm。為有效控制柱截面尺寸，且保證結(jié)構(gòu)具有良好的剛度和延性，基頂?shù)?8層以下框架柱內(nèi)設(shè)置型鋼，柱內(nèi)含鋼率控制在5%左右。

本工程建筑面積較大，110 000 m2>80 000 m2，根據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》第6.0.11條款，抗震設(shè)防類別應(yīng)為重點(diǎn)設(shè)防類(即乙類)，應(yīng)按高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度提高1度的要求加強(qiáng)其抗震措施，因此本工程的框架及核心筒的抗震等級(jí)均為一級(jí)。

3 抗震性能目標(biāo)設(shè)計(jì)

綜合考慮抗震設(shè)防類別、設(shè)防烈度、場(chǎng)地條件、建筑物功能、結(jié)構(gòu)的特征、構(gòu)件的部位和重要程度以及開(kāi)發(fā)商的需求，依據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》和《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)選定為C級(jí)。針對(duì)抗震性能目標(biāo)的不同抗震性能水準(zhǔn)，設(shè)計(jì)時(shí)的具體計(jì)算控制指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算控制指標(biāo)

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析概述

結(jié)構(gòu)計(jì)算分析主要從彈性和彈塑性兩個(gè)階段進(jìn)行，彈性階段的計(jì)算分析針對(duì)多遇地震下的設(shè)計(jì)與抗震設(shè)防地震下豎向構(gòu)件的估算，手段主要采用了振型分解反應(yīng)譜法(CQC)，使用軟件為SATWE及ETABS，另外采用SATWE彈性時(shí)程分析法進(jìn)行了多遇地震下的補(bǔ)充計(jì)算。

彈塑性階段的計(jì)算分析針對(duì)抗震設(shè)防地震與罕遇地震下的計(jì)算分析，其中抗震設(shè)防烈度下采用SATWE程序針對(duì)不同關(guān)鍵構(gòu)件分別作中震不屈服和中震彈性計(jì)算。罕遇地震下采用midas building進(jìn)行了動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析。

5 多遇地震彈性分析

5.1 振型分解反應(yīng)譜法

安評(píng)報(bào)告提供的地震影響系數(shù)曲線與規(guī)范曲線存在差異，多遇地震下，兩者的最大地震影響系數(shù)αmax和特征周期Tg取值不同，安評(píng)報(bào)告為0.0411(50年重現(xiàn)期)和0.30，規(guī)范為0.04(50年重現(xiàn)期)和0.35。通過(guò)安評(píng)報(bào)告和規(guī)范的反應(yīng)譜比較發(fā)現(xiàn)在長(zhǎng)周期段，安評(píng)報(bào)告所提的地震影響系數(shù)小于規(guī)范值。我們對(duì)安評(píng)報(bào)告和規(guī)范反應(yīng)譜進(jìn)行了小震CQC計(jì)算對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖1。可見(jiàn)按規(guī)范反應(yīng)譜計(jì)算是偏于安全的。另外對(duì)于罕遇地震，安評(píng)報(bào)告所提αmax=0.2672也略小于規(guī)范值。因此本工程地震反應(yīng)譜計(jì)算部分按規(guī)范參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

兩種有限元計(jì)算軟件的計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表2。

圖1 安評(píng)譜和規(guī)范譜的多遇地震剪力計(jì)算對(duì)比

表2 多遇地震計(jì)算結(jié)果

從表中計(jì)算結(jié)果對(duì)比可以看出，兩種不同軟件計(jì)算得出的結(jié)構(gòu)整體參數(shù)指標(biāo)均比較接近，控制指標(biāo)出現(xiàn)樓層位置也比較接近；各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

5.2 彈性動(dòng)力時(shí)程分析

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3-2010)第5.1.13條規(guī)定，B級(jí)高度高層建筑結(jié)構(gòu)和復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)，應(yīng)進(jìn)行彈性動(dòng)力時(shí)程分析。以找出結(jié)構(gòu)薄弱層和側(cè)向剛度突變層，并對(duì)反應(yīng)譜法樓層剪力小于彈性時(shí)程分析結(jié)果的部位進(jìn)行地震力放大。分析采用SATWE程序進(jìn)行，建立分層模型，將各樓層的質(zhì)量集中于樓層處，形成彈性多質(zhì)點(diǎn)體系，然后輸入地震波進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析，得到結(jié)構(gòu)各點(diǎn)的位移、速度和加速度反應(yīng)，由位移反應(yīng)進(jìn)而計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力。根據(jù)場(chǎng)地的頻譜特性、加速度的有效峰值和時(shí)程曲線的有效持續(xù)時(shí)間這三要素，選用了兩組雙向天然波USER_1、USER_2和一組雙向人工波RH4TG035，3組地震波的反應(yīng)譜與“規(guī)范”反應(yīng)譜基本吻合。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。每條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)基底剪力與CQC法基底剪力的比值均大于65%且均小于100%，三條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)基底剪力的平均值均大于CQC法的80%；CQC法的層剪力曲線基本能包絡(luò)所選的三條地震波對(duì)應(yīng)的平均層剪力曲線，但在結(jié)構(gòu)頂部少數(shù)樓層，CQC法的地震剪力略小，因此采用規(guī)范反應(yīng)譜的CQC法計(jì)算結(jié)果可以作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù),但是應(yīng)對(duì)頂部幾層地震剪力進(jìn)行適當(dāng)放大。

表3 彈性時(shí)程分析結(jié)果與CQC法結(jié)果對(duì)比表

6 設(shè)防地震作用下結(jié)構(gòu)性能分析

根據(jù)性能目標(biāo)要求，采用SATWE程序分別進(jìn)行中震彈性分析和中震不屈服分析，計(jì)算模型均和多遇地震計(jì)算模型相同。

中震彈性分析用于驗(yàn)算底部加強(qiáng)區(qū)框架柱和剪力墻，驗(yàn)算中不考慮內(nèi)力調(diào)整，荷載取基本組合但風(fēng)荷載不參與內(nèi)力組合，材料強(qiáng)度取標(biāo)準(zhǔn)值，抗震承載力調(diào)整系數(shù)同多遇地震計(jì)算。驗(yàn)算結(jié)果表明中震彈性計(jì)算得出的底部加強(qiáng)部位剪力墻和框架柱的配筋值均為構(gòu)造配筋，其配筋值與小震配筋計(jì)算的結(jié)果是一致的，說(shuō)明結(jié)構(gòu)能滿足性能目標(biāo)要求。

中震不屈服分析用于驗(yàn)算非加強(qiáng)區(qū)框架柱和剪力墻，并驗(yàn)算中震不屈服位移角是否滿足C級(jí)性能目標(biāo)最大層間位移角限值1/400。驗(yàn)算中不考慮內(nèi)力調(diào)整，荷載取標(biāo)準(zhǔn)組合但風(fēng)荷載不參與內(nèi)力組合，材料強(qiáng)度取標(biāo)準(zhǔn)值，不考慮抗震承載力調(diào)整。驗(yàn)算結(jié)果表明中震不屈服設(shè)計(jì)得出的非底部加強(qiáng)部位剪力墻和框架柱的配筋值均為構(gòu)造配筋，其配筋值與小震配筋計(jì)算的的結(jié)果是一致的。X、Y兩方向最大層間位移角分別為1/667(X)、 1/550(Y)，均小于最大層間位移角限值1/400。說(shuō)明結(jié)構(gòu)能滿足性能目標(biāo)要求。

7 罕遇地震作用結(jié)構(gòu)性能分析

7.1 彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析

選用2條場(chǎng)地記錄天然波和1條人工模擬地震波，配筋數(shù)據(jù)采用基于多遇地震及風(fēng)荷載分析的實(shí)際配筋，利用Midas Building軟件進(jìn)行罕遇地震作用下的動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析。

7.1.1 結(jié)構(gòu)整體反應(yīng)指標(biāo)

結(jié)構(gòu)罕遇地震動(dòng)力彈塑性分析的最大層間位移角為：1/265(X)、1/243(Y),滿足C級(jí)性能目標(biāo)罕遇地震最大層間位移角限值1/200要求。三條波計(jì)算的罕遇地震下X、Y向基底剪力平均值分別為38 033 kN和39 113 kN，分別為多遇地震作用下CQC法計(jì)算所得基底剪力的4.39和4.29倍。

7.1.2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷性能分析

結(jié)構(gòu)在3條地震波彈塑性分析中表現(xiàn)出同樣的塑性發(fā)展特點(diǎn)。

(1)首先是部分連梁和框架梁進(jìn)入塑性，然后大部分連梁進(jìn)入塑性，圖2和圖3分別為天然波2在時(shí)程點(diǎn)8 s和24 s的框架鉸分布。

圖2 8 s時(shí)框架鉸狀態(tài)

圖3 24 s時(shí)框架鉸狀態(tài)

(2)框架柱在整個(gè)地震時(shí)程中始終保持了不屈服狀態(tài)。

(3)剪力墻混凝土和鋼筋纖維應(yīng)力都在其材料的抗力范圍內(nèi)。

MIDAS BUILDING用纖維模型模擬墻的非線性行為。對(duì)墻的非線性態(tài)輸出分為混凝土纖維、鋼筋纖維和鋼筋混凝土剪應(yīng)變。由圖4和5可見(jiàn)剪力墻的混凝土和鋼筋豎向纖維延性系數(shù)均小于1.0，表示整個(gè)結(jié)構(gòu)沒(méi)有剪力墻拉壓屈服。在核心筒的底部四角以及筒體收進(jìn)部位，延續(xù)系數(shù)相對(duì)較大，但均小于1。

圖4 墻鉸-混凝土εz

圖5 墻鉸-鋼筋εz

圖6 筒體收進(jìn)處墻鉸-混凝土εz

圖6和圖7為低區(qū)核心筒收進(jìn)處的豎向鋼筋和混凝土纖維延性系數(shù)，可見(jiàn)在核心筒收進(jìn)處以上數(shù)層，靠近核心筒收進(jìn)側(cè)的筒體邊緣剪力墻豎向鋼筋混凝土和鋼筋纖維應(yīng)力都較高。在施工圖設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該加強(qiáng)墻身配筋，并設(shè)置約束邊緣構(gòu)件。在高區(qū)核心筒收進(jìn)位置，采取相同的加強(qiáng)措施。

圖7 筒體收進(jìn)處墻鉸-鋼筋εz

8 結(jié)論

通過(guò)相關(guān)性能分析研究，結(jié)構(gòu)整體反應(yīng)、結(jié)構(gòu)耗能損傷情況滿足所設(shè)定的C級(jí)性能目標(biāo)要求，能達(dá)到“小震不壞、中震可修、大震不倒”的三水準(zhǔn)目標(biāo)。根據(jù)分析結(jié)果，建議在下一步設(shè)計(jì)中采取以下措施。

(1)根據(jù)彈性時(shí)程分析結(jié)果，對(duì)頂部1/3樓層地震剪力放大1.2倍；

(2)在核心筒收進(jìn)樓層及以下3層，加強(qiáng)被收進(jìn)墻的配筋，在被收進(jìn)的墻頂設(shè)置暗梁，墻內(nèi)設(shè)置交叉暗撐，以提高該部分墻體的抗剪承載能力；

(3)在核心筒收進(jìn)以上數(shù)層，在靠近被收進(jìn)側(cè)的核心筒邊緣墻體內(nèi)設(shè)置約束邊緣構(gòu)件，并加大墻身配筋；

(4)加強(qiáng)底部加強(qiáng)部位核心筒配筋構(gòu)造，并重點(diǎn)加強(qiáng)核心筒的四個(gè)角部。

[1] JGJ 3-2010 高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S]

[2] GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[3] GB 50223-2008建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)[S]

[4] 北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司. 結(jié)構(gòu)大師非線性分析手冊(cè)[M].北京：北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司，2010

[5] 方鄂華. 高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004