某超限高層建筑結構彈塑性動力時程分析實例

李 忻

(天津濱海新區公共產業建設投資有限公司建設管理分公司，天津 300457)

·結構·抗震·

某超限高層建筑結構彈塑性動力時程分析實例

李 忻

(天津濱海新區公共產業建設投資有限公司建設管理分公司，天津 300457)

以實際工程為例，通過分析工程的基本設計條件，對超限高層建筑進行罕遇地震作用下結構彈塑性動力時程分析，并提出切實可行的設計方法及抗震加強措施，以滿足建筑抗震性能目標要求。

超限高層建筑，彈塑性時程分析，性能目標，罕遇地震

0 引言

隨著城市發展對建筑的功能及造型要求越來越高，涌現出大批的超限高層建筑[1]，如何正確對其進行結構計算分析，這是廣大結構設計人員必須要面對的問題。現以實際工程為例，對其結構進行罕遇地震作用下彈塑性動力時程分析，并提出相應抗震加強措施以滿足性能目標要求。

1 工程概況及結構體系

本住宅工程位于繁華市中心，地上54層，地下設2層地下室，長33 m，寬27 m，總高度172.55 m，為超高建筑。根據建筑功能要求并結合結構受力的需要，采用剪力墻結構，剪力墻抗震等級一級。剪力墻混凝土強度等級C55～C30，剪力墻截面變化與混凝土強度變化沿高度錯開布置。

2 基本設計條件

本工程超限類型為超高建筑，設計使用年限為50年，建筑結構安全等級為二級，結構重要性系數Y0=1.0，抗震設防類別為丙類，抗震設防烈度為7度，設計地震分組為第三組，基本加速度值為0.10g。抗震設計性能目標為C[2，3]，性能目標C是指多遇地震下滿足性能水準1的要求，設防烈度地震下滿足性能水準3的要求，預估的罕遇地震下滿足性能水準4的要求。其他荷載嚴格按照GB 50009—2012建筑結構荷載規范要求取值。

結構計算采用中國建筑科學研究院編制的多高層建筑結構彈塑性靜力、動力分析軟件PUSH&EPDA。

3 罕遇地震作用下結構彈塑性動力時程分析

3.1 罕遇地震作用計算

根據既定的性能目標，本工程在預估的罕遇地震作用下，關鍵構件的抗震承載力滿足罕遇地震不屈服，部分豎向構件以及大部分耗能構件進入屈服階段，但鋼筋混凝土豎向構件的受剪應符合下式規定：

罕遇地震下的阻尼比取0.07。

例如，我們可選取二層一片墻體進行驗算。墻體截面為400×4 350，混凝土強度等級為C55。罕遇地震作用下計算結果中讀出結構的受力為:VGE8=120 kN;VEK=5 831 kN;VGE8+VEK=5 951 kN;0.15fckbh0=0.15×35.5×400×(4 350-220)=8 796 kN>5 831 kN。

此墻體截面滿足要求。類似的，可以按此方法復核其他墻體。

3.2 罕遇地震作用下彈塑性動力時程分析

1)地震波選取。選取3組地震波，1組為場地人工波USER021，另2組為天然波USER4和USER5。

2)各組地震波分析結果匯總。

a.基底剪力。每組地震波作用下結構的基底剪力最大值如表1所示。

表1 最大基底剪力

由表1可以看出，3組地震波作用下結構在X,Y兩個方向的基底剪力最大值分別為41 334 kN和41 874 kN，對應的剪重比分別為7.29%和7.38%；均是在USER021這組人工波的作用下最大，因此，主要針對響應較大的人工波USER021的結果進行詳細分析。

b.最大層間位移角和最大層間有害位移角。每組地震波作用下結構的最大層間位移角、最大層間有害位移角及對應的樓層見表2。

表2 最大層間位移角和最大層間有害位移角

由表2可以看到，結構在X向最大層間位移角為1/198(36層)；Y向最大層間位移角為1/149(48層)。可知結構在罕遇地震作用下的彈塑性層間位移角最大值滿足既定的目標。

c.X，Y方向地震波作用下結構損傷情況。剪力墻受壓超過屈服極限裂縫、受拉裂縫均出現在3層～7層和頂部3層區域。

3.3 罕遇地震下結構彈塑性結果分析

1)不同的地震波會對彈塑性動力時程分析的計算結果產生一定的影響，對應所選取的三組地震波響應的樓層剪力和樓層彎矩相差均不大，X向樓層剪力較平均值最大偏差17%，Y向最大偏差22%；樓層剪力均不超過大震剪力，這說明地震波的選取是基本合理的。

2)對應三組地震波響應的X向最大層間位移角為1/198，Y向最大層間位移角為1/149，滿足既定的結構在罕遇地震作用下的彈塑性層間位移角不大于1/120規定。

3)彈塑性動力時程分析三組地震波顯示的梁鉸、剪力墻裂縫的分布基本相同。首先部分剪力墻出現裂縫，然后連梁出現鉸，最后部分連梁、框架梁出現屈服。

4)剪力墻出現裂縫的區域主要集中在3層～7層和頂部3層區域，尤以3層～7層為甚。在3層～7層剪力墻出現裂縫的形式多樣，有受拉、受壓裂縫，雖然有些墻肢出現屈服，但并沒有破壞，能滿足大震不倒的要求，設計時予以重點加強；在頂部3層區域剪力墻主要是受拉裂縫，設計時增大墻肢豎向分布筋配筋率予以加強。

5)樓、電梯筒位置墻體罕遇地震作用下彈塑性分析中發現出現較多裂縫，配筋率適當提高到0.6%。

6)罕遇地震下部分出現拉應力的剪力墻應提高配筋率或增設鋼板。

7)由上述結論可以確定結構在罕遇地震作用下能滿足既定的性能水準要求。

4 抗震加強措施

在罕遇地震作用下，結構主要采取以下措施：

1)對關鍵豎向構件其抗震承載力按大震不屈服及小震彈性包絡設計，并滿足性能4的相關要求。

2)根據罕遇地震的分析結果，為提高結構整體抗震性能采取以下加強措施：

a.底部加強區豎向構件構造按特一級控制。

b.剪力墻在第1層～第2層樓面標高墻身鋼筋配筋率0.5%。

c.剪力墻在第2層～第7層樓面標高(加強區)墻身鋼筋配筋率0.4%。

d.剪力墻在頂部3層墻身鋼筋配筋率0.3%。

e.樓電梯筒剪力墻0.6%。

f.底部加強區的部分剪力墻邊緣構件設置型鋼。

5 結語

1)在罕遇地震作用下采用中國建筑科學研究院編制的多高層建筑結構彈塑性靜力、動力分析軟件PUSH&EPDA進行彈塑性動力分析，得到結構的塑性鉸的分布和確定薄弱層的彈塑性變形，用以指導、優化結構設計。

2)對關鍵豎向構件其抗震承載力按大震不屈服及小震彈性包絡設計，并滿足相關性能要求。

3)提出相應的抗震加強措施，以滿足性能目標要求。

[1] 全國超限高層建筑工程抗震設防審查專家委員會.抗震設防專項審查辦法[DB/OL].建設部網站.

[2] 徐培福,戴國瑩.超限高層建筑結構基于性能抗震設計的研究[J].土木工程學報,2005(1)：57-58.

[3] 季 靜,黃 超,韓小雷，等.基于性能的設計方法在超限高層建筑結構設計中的應用研究[J].世界地震工程,2007(1)：34-35.

[4] JGJ 3—2010，高層建筑混凝土結構技術規程[S].

[5] GB 50011—2010，建筑抗震設計規范[S].

On analysis of elastic-plastic time-history of some super-high-rise building

Li Xin

(ConstructionAdministrativeBranch,PublicIndustrialConstructionInvestmentCo.,LtdofBinhaiNewRegionofTianjinCity,Tianjin300457,China)

Taking some project as the example, the paper undertakes the structural elastic-plastic time-history analysis under rare earthquake of the super-high-rise building, and points out feasible design methods and seismic improvement measures, so as to meet the demands for the seismic performance aim of buildings.

super-high-rise building, elastic-plastic time-history analysis, performance aim, rare earthquake

1009-6825(2015)16-0017-02

2015-03-29

李 忻(1968- )，男，高級工程師

TU973

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