超限高層抗震性能設計方法總結

張達明，杜嘉斌（廣州市住宅建筑設計院有限公司，廣東　廣州　510623）

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超限高層抗震性能設計方法總結

張達明，杜嘉斌（廣州市住宅建筑設計院有限公司，廣東廣州510623）

超限高層抗震性能設計的一般過程如下：①設置合適的性能目標；②小震常規設計；③小震彈性時程分析；④中、大震等效彈性分析；⑤中、大震彈塑性靜力推覆分析；⑥大震彈塑性時程分析；⑦根據分析結果設置抗震加強措施。本文以廣州獵德天盈廣場C1棟辦公樓為例，詳細介紹了上述各個過程和方法，供設計人員參考。

超限高層；抗震；性能設計；抗震加強措施

引言

超高層建筑的抗震性能設計方法有一定的規律和章法可循。本文以廣州獵德天盈廣場C1棟辦公樓（總高175m，鋼管混凝土柱框架-筒體結構，平面如圖1所示）為例，詳細闡述超限高層抗震性能設計全過程。

圖1　結構平面圖

1　設置合適的性能目標

高規［1］中指出，在選用性能目標時，需考慮各種因素。筆者認為，設計人員除滿足規范的基本要求外，應在不增加或者少增加造價的情況下盡可能的挖掘結構本身的能力，這樣才到達到安全性與經濟性的平衡。

以C1棟辦公樓為例，總高175m，采用鋼管混凝土柱框架-筒體結構體系，超限情況為：超A級高度 （未超B級高度）；在6層有3根柱轉換，

屬于一類豎向構件不連續；由于設置轉換梁，造成6層剛度突變。按照規范，選取性能目標C或者D為宜。在綜合考慮多項因素后，將結構的性能目標設為D，但考慮到總高度接近B級高度，托柱轉換梁跨度較大（轉換柱距16m），故本工程特別要求轉換構件在設防地震下承載力仍能滿足彈性設計要求（無損壞）。綜上，結構各構件的性能目標如表1所示。

2　小震常規分析（譜分析）

設置了合適的性能目標后，可按規范進行小震的常規設計，保證結構的周期比、扭轉位移比、位移角、剪重比、側向剛度比、層間受剪承載力之比、剛重比、框架承擔傾覆力矩的比值等相關指標均滿足規范的要求；并使各構件的截面取值合理，滿足抗震延性的要求。此階段地震作用采取的是譜分析方法，這里需特別注意的是，應對比結構在規范譜與安評譜下，其基底剪力、傾覆彎矩、頂點位移、層間位移角等指標的大小，設計時應取兩者計算的包絡值。由于規范對該部分的說明較為詳細，此處不贅述。C1辦公樓的小震分析結果詳文獻［2］。

表1　

3　小震彈性時程分析

由于小震譜分析的方法為近似算法，為進一步了解結構體在小震作用下的實際響應，需對結構體進行小震彈性時程分析。

C1辦公樓的小震彈性分析的結果如下：①所選的各條時程波以及計算所得的基底剪力滿足規范要求 （每條波基底剪力不小于譜分析的65%）；②彈性時程分析的樓層內力平均值均小于安評反應譜結果（但不小于譜分析80%），安評反應譜分析結果在彈性階段對結構起控制作用；③彈性時程分析的位移角曲線，地震波0度時在6層處有明顯突變，反映X向在6層（轉換層）結構剛度有突變；地震波0度和90度時在10、24層處有輕微突變；反映X、Y向在10、24層（加強層）結構剛度有輕微突變。須按規范要求采取針對性的加強措施。

4　中、大震等效彈性分析

完成了小震彈性計算后，需要對結構中各個構件在中、大震下的性能水準做相應驗算。此時采用等效彈性計算法是最快速最便捷的。等效彈性法是實質也是彈性計算法，只是通過調整各種參數，用以模擬進入彈塑性后結構剛度的變化。

C1辦公樓按照表2的參數設置進行計算后，計算結果表2。

5　中、大震彈塑性靜力推覆分（PUSHOVER）

若結構體進入明顯進入塑性時，等效彈性分析結果與實際情況有一定偏差。這時應采用彈塑性計算分析，一般分為靜力和動力兩種，高規［1］規定，高度不超過 150m以及高度在150～200m之間，自振周期小于4s的高層建筑可采用靜力彈塑性分析（PUSHOVER）法。并可采用規定水平力的分布形式以適當考慮高振型的影響。

表2　等效彈性計算參數設置

表3　轉換構件中震彈性驗算結果

C1辦公樓靜力推覆的結果如下。從整體結果上看：①在大震性能點時，X、Y向最大層間位移角分別為1/269、1/147，小于規范最大值1/100；最大的頂點位移分別為530.8mm、862.4mm，結構可以做到大震不倒。②對比小、中、大震對應性能點的基底剪力，中震性能點對應的X、Y向基底剪力分別為小震性能點的2.71、2.25倍，大震性能點對應的X、Y向基底剪力分別為小震性能點的5.4、4.5倍，說明在推覆過程中，X向結構整體剛度退化不明顯，特別在中震下幾乎沒有剛度損失，而Y向整體剛度在推覆退化明顯。

從局部構件上看（如圖2所示），大震下，關鍵構件中底部加強部位剪力墻出現輕度損壞（參照FEMA［3］標準中的LS點），轉換構件均未出現塑性鉸，由于轉換框架均為于X向，這可能也是X向整體剛度退化不明顯的原因之一。普通豎向構件中外框鋼管混凝土柱未出現塑性鉸，非底部加強部位的剪力墻在底部加強部位以上約4～5層范圍內，以及頂部1～2層范圍內也出現不同程度損壞。框架梁和連梁部分出現塑性鉸，起到了很好的耗能作用。

綜上，根據靜力推覆的結果，整體結構可以達到高規中第5甚至第4性能水準的要求。

6　大震彈塑性時程分析

圖2　大震性能點處剪力墻破壞示意圖

動力彈塑性分析是最接近實際情況的彈塑性分析法。高規明確規定：高度超過200m，以及高度界于150～200m，但自振周期大于4s的建筑應采用彈塑性時程分析法。

C1辦公樓雖然總高度未超過200m，但其周期大于4s，可采用動力彈塑性法進行補充分析。選取多條波計算最響應結果如下。從整體結果上看：①X、Y向最大層間位移角分別為1/170、1/110，小于規范最大值1/100；最大的頂點位移分別為543.1mm、1175mm，結構可以做到大震不倒。②大震彈塑性時程分析X、Y向基底剪力分別為小震譜分析的3.69、4.6倍。說明在彈塑性時程分析下X向結構整體剛度退化明顯，這與靜力推覆的結果差異較大，而Y向整體剛度退化情況與靜力推覆分析結果較為吻合。說明靜力推覆分析法在分析高層建筑的地震彈塑性上還是存在一定的不足。

從局部構件上看，核心筒墻體均未出現明顯損傷，但X向墻肢由于開洞原因形成的連梁上出現較多受壓損傷，并且分布于轉換層以上約2/3樓層高度范圍內，轉換層由于層高較高所形成的跨高比較小連梁也出現較多受壓損傷，起到了很好的耗能作用；而Y向墻體較為完整，墻體也沒有出現明顯受壓損傷。這與整體指標中X向的剛度退化明顯而Y向的剛度退化不明顯是非常吻合的。而關鍵構件中轉換構件均未出現明顯的受壓損傷，鋼筋和鋼管的塑性應變也小于0.006［3］。框架梁除局部梁端出現塑性鉸外也未出現明顯損傷。

綜合分析，結構在大震下的性能應該界于規范規定的C 和D之間。

圖3　筒體墻體的損傷情況

7　根據分析結果設置抗震加強措施

在完成上述的各項分析后，可以有針對性的對結構采取相應的抗震加強措施。

以該項目為例，其加強措施如下：①轉換構件采用型鋼混凝土構件，柱型鋼含鋼率6%，梁型鋼含鋼率4%，并將其抗震等級定為特一級。②圓鋼管混凝土柱，控制一級部位套箍指標θ≥1.0，保證其進入屈服階段的延性。③轉換層及其以下落地剪力墻約束邊緣構件設置芯柱（1%配筋率）。④底部加強部位剪力墻抗震等級定為特一級，其豎向分布筋的配筋率提高至1%，水平鋼筋構造配筋率提高為0.6%；底部加強部位以上設置三層過渡層，其豎向分布筋的配筋率提高至0.6%，水平鋼筋構造配筋率提高為0.4%。⑤轉換層樓板厚度為200mm，雙層雙向拉通配筋，配筋率0.25%。

［1］《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ3-2010）［S］.

［2］張達明，林敏波，等.獵德西區綜合發展項目C區地塊C1辦公樓建筑結構超限設計可行性報告，2012，12，20.

［3］Federal Emergency Management Agency.美國聯邦緊急事務管理署標準，對構件的損傷與其塑性應變的關系有量化指標.

所獲榮譽及獎勵：

2014年度廣州市優秀工程勘察設計二等獎、三等獎；2015年度廣東省優秀工程勘察設計“建筑結構專項”三等獎。

張達明（1983-），男，建筑結構師，國家一級注冊結構工師，碩士研究生，主要從事建筑結構設計相關工作。

TU973+.31

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2095-2066（2016）14-0131-03

2016-5-1