基于性能抗震設計的超限高層建筑結構分析

盧登榜

(福建省萬博宇建設技術開發有限公司 福建廈門 361004)

基于性能抗震設計的超限高層建筑結構分析

盧登榜

(福建省萬博宇建設技術開發有限公司 福建廈門 361004)

某工程具有B級高度、側向剛度不規則、豎向抗側力構件不連續等超限問題。文章以其為案例，分析其結構抗震性能及不規則程度，并運用基于性能抗震設計的方法，從宏觀上提出結構抗震性能目標。通過彈塑性時程分析研究結構在大震下的塑性鉸出現順序和各構件的破壞情況，進而研究結構的耗能機構和破壞機制，判定薄弱部位并采取有效的抗震措施，以達到預期的性能目標和性能水準。結構分析結果表明，該結構各項指標均符合國家規范要求，具有良好的抗震性能，基于性能的抗震設計方法是合理有效的。

超限高層；性能抗震設計；彈塑性時程分析；塑性鉸

1 工程概況

該工程位于成都市龍泉驛區世紀廣場的東北方向，占地面積約1.33hm2，地塊呈較規則的矩形；地上36層，地下2層，建筑總高度169m,總建筑面積約為88 018m2。

大樓使用功能設定為甲級寫字樓，其中地下一層、二層為汽車庫及設備用房、廚房；地上一層為大樓門廳、管理用房等；二～三層為餐廳；四～六層為茶房、健身、會議；七～三十三層均為辦公(十四、二十六為避難層，二十五層為會議層)；三十四層為避難層和設備層;三十五層為會所層;三十六層為會所夾層。地下室底板頂面埋深-10.800m。房屋層高：地下室為5.4m，七層及以下為 5.4m、4.5m,上部塔樓主要為4.0m，個別樓層為4.5m、5.4m。

2 結構設計

丙類建筑，安全等級為二級，設計使用年限為50年。設防烈度7度(0.10g)，設計地震分組為第三組，場地類別為Ⅱ類，場地特征周期取0.45s，多遇地震影響系數最大值取αmax=0.094(根據安評報告)；地面粗糙類別為B類，基本風壓取為0.35kN/m2(按100年重現期的風壓值)。

2.1 塔樓

該工程建筑總高度為169m，為B級高度的高層建筑。塔樓采用框架-核心筒結構，地面以上框架柱大多數為凸字形，框架柱截面從1 300mm×1 300mm逐漸變到1 300mm×600mm，核心筒外圍剪力墻厚度由800mm變到400mm。核心筒內部剪力墻厚度為200mm～300mm?？蚣苤凹袅炷翉姸鹊燃墳镃60-C30。

上部塔樓結構布置采用單向梁體系，梁間距2 250mm，梁兩端分別支承于核心筒和外圍框架梁、柱上，角部為雙向梁。辦公區的建筑空間凈空要求梁高不大于800mm，外圍框架梁截面為400mm×750mm，內部框架梁截面為300mm×750mm。塔樓內樓板厚度100mm，會所及夾層樓板厚120mm，根據建筑功能要求，一層局部抽柱，采用型鋼混凝土梁柱轉換。

2.2 地下室

該工程塔樓與地下室連成整體，地下室采用框架結構現澆梁板體系。柱混凝土強度等級為C60，梁板混凝土強度等級為C30。地下一層板厚120mm；一層作為塔樓的嵌固層，板厚180mm。

2.3 結構抗震等級

該工程塔樓及塔樓地下室框架的抗震等級為一級、剪力墻為一級；塔樓外地下框架抗震等級為三級。

2.4 地基基礎

該工程塔樓采用樁筏基礎，筏板厚3.0m，樁為人工挖孔樁，樁長20m，樁身直徑1.5m，樁底擴大頭4m，以中風化～微風化泥巖為樁端持力層，單樁承載力23 950kN,間距5.5m梅花型滿堂布置。純地下室采用柱下獨立基礎加防水板，置于粘土層上，地基承載力特值fak不小于220kPa。

3 超限情況[1]

(1)該工程屬于B級高度的框架核心筒結構。

(2)不滿足規范“相鄰層剛度變化不大于70%或連續三層變化不大于80%”的要求，但很接近。

(3)豎向構件不連續，在二層抽了兩根柱，采用型鋼桁架，型鋼柱轉換。

4 抗震性能目標

該工程的超限情況主要為高度超限，沿建筑外圍設較密的框架柱，雖不滿足筒中筒的條件，但近似筒中筒的工作機理?？拐鹦阅茌^好，故將抗震性能目標預定為D級[3]。

(1)小震：主體結構震后不受損壞，允許個別延性構件出現輕微裂縫，不需修理即可繼續使用。

(2)中震：主體結構震后產生一定的損壞，重要構件輕微損壞，連梁及框架梁等耗能構件出現中等程度損壞，有明顯的裂縫；經過一般性修理后仍可繼續使用。

(3)大震：主體結構震后發生明顯損壞，大部分構件進入屈服，有明顯的裂縫；連梁及框架梁等耗能構件嚴重損壞；結構不發生倒塌，人員生命安全可以得到保證。

5 結構計算分析

5.1 整體計算結果

采用SATWE和PMSAP兩種軟件進行結構彈性階段的計算分析，并將兩者計算結果進行對比分析，采用合理值進行設計如表1所示。

表1 SATWE和PMSAP結構彈性計算結果

5.2 彈性計算分析

(1)扭轉周期比為0.69，說明結構扭轉效應不大，結構抗側力構件布置較合理。

(2)最大扭轉位移比為1.19，說明結構扭轉剛度較好，結構平面布置較好。

(3)結構前兩個周期均為平動周期，振型分布合理，衰減較快，達到了較理想的效果。

(4)層間位移角曲線平滑，無突變，結構豎向剛度均勻，無明顯薄弱層。

(5)柱的最大軸壓比為0.73，剪力墻的最大軸壓比為0.50，如圖2所示。軸壓比控制較好，可以保證在大震下結構的延性。

(6)從SATWE和PMSAP兩種不同力學計算模型的彈性計算結果可以看出，其主要計算指標比較吻合，無明顯差異，構件的配筋基本一致。計算結果與概念設計的預期基本一致，證明計算結果的正確性。

5.3 時程分析

(1)采用SATWE的彈性動力時程分析程序進行多遇地震下彈性時程分析，按建筑場地類別和設計地震分組選用了SATWE地震波庫中的兩組實際地震記錄(TH1TG045和TH2TG045)和《場地地震安評報告》提供的擬建場地的兩組場地人工模擬加速度時程曲線(P5063-1和P5063-2)。由于實際地震記錄偏小，對兩組實際地震記錄的地震力取放大系數2。

多遇地震彈性時程分析結果表明：每條時程曲線計算所得結構底部剪力不小于振型分解反應譜法的65%，多條時程曲線計算所得結構底部剪力的平均值不小于振型分解反應譜法的80%，計算結果滿足“高規”4.3.5條的要求。

(2)采用EPDA軟件進行了整體結構的中震動力時程分析，選取一條人工波(P5010-1)和一條天然波(TH1TG045)，時間步長0.02s，阻尼比為0.05。分析結果表明，框架柱完好無損，核心筒剪力墻頂部出現裂縫，但不嚴重；部分構架及框架梁端有明顯的裂縫，進入屈服階段，如圖4所示,可以實現中震可修的目標。

圖2 P5010-1(中震)加速度時程

圖3 P502-1(大震)加速度時程

(3)采用EPDA軟件進行了整體結構的大震動力時程分析，選取一條人工波( P502-1)和一條天然波(TH4TG045)，時間步長0.02s，阻尼比為0.05，如圖3所示。分析結果表明，大震下結構塑性層間位移角滿足規范要求，核心筒剪力墻出現一定數量的裂縫，但不嚴重，塑性鉸主要出現在剪力墻連梁或框架梁端上，如圖3所示，為理想的“梁鉸”機構，具有良好的耗能能力，達到性能設計的目標。

5.4 性能抗震設計分析

(1)通過大震下的塑性鉸分布圖，并結合圖4和圖5可以看出，隨著時程分析的進行，頂部混凝土構架梁端首先出現塑性鉸，接著頂部剪力墻出現受拉裂縫，而后框架梁端和核心筒連梁大量出鉸，最后底部剪力墻部分出現受壓裂縫。

中震彈塑性動力時程分析結果 大震彈塑性動力時程分析結果圖4 最大位移角時刻的塑性區域分布圖

10s時刻 20s時刻圖5 X向地震作用不同時刻刻的塑性區域分布圖

(2)梁的塑性鉸主要出現在外圍框架梁和核心筒連梁處,出現大量破壞。墻體有受壓(結構底部)，受拉破壞(結構頂部),但未出現大量破壞?？蚣苤旰?，未出現破壞。

(3)以上分析可見，框架梁和核心筒連梁作為結構的第一道抗震防線，出現大量破壞，吸收和消耗掉大部分地震能量，為合理的“梁鉸”耗能機構和破壞機制。剪力墻作為結構的第二道抗震防線，墻體頂部和底部出現裂縫，但未出現大量破壞，可判定為結構的“薄弱部位”，設計時對該部分采取有效的加強措施。框架柱完好，分析原因為嚴格控制了柱的軸壓比，安全儲備較多。

5.5 性能抗震設計目標實現情況

(1)小震：彈性時程分析的結果與振型分解法的結果基本一致，結構完好損傷，不需修理即可繼續使用，能夠實現小震的設計性能目標。

(2)中震：核心筒剪力墻頂部出現了輕微的損壞，連梁及框架梁等耗能構件發生中等損壞，進入屈服階段，整體結構基本完好，經修理后可繼續使用。設計時，按中震不屈服和小震彈性計算結果的較大值進行剪力墻薄弱部位的設計，進一步提高整體結構的抗震性能，以滿足中震的性能設計目標。

(3)大震：核心筒剪力墻底部和頂部出現部分裂縫，但不嚴重。連梁及框架梁大量出現塑性鉸，形成了良好的耗能機構。對剪力墻薄弱部位采取加強措施后的墻體塑性區域明顯較少，且通過從嚴執行《高規》第7.2.16條關于B級高度結構剪力墻的相關規定[2]，使得整體結構的延性得到一定的提高，具有更好的抗震能力，保證了大震下“壞而不倒”的性能目標D的要求，且結構的實際抗震性能目標接近C級。

6 超限的處理措施及對策

6.1 針對房屋高度的超限及薄弱部位，采取以下措施

(1)結合建筑造型，沿建筑外圍設較密的框架柱，從計算結果看，設外圍密柱后結構側向剛度較大，最大位移值和層間位移角均較小，有效提高了建筑的安全度和舒適性。

(2)加強核心筒底部加強區及頂部三層墻體的豎向構件設計。

①該部位墻體最小配筋率提高到0.3%,約束邊緣構件縱向鋼筋最小構造配筋率提高到1.3%，配箍特征值放大1.1倍。

②塔樓底部加強區的框架柱全高采用井字復合箍，且不小于Φ12@100，以提高框架柱的延性。

柱全部縱向鋼筋最小構造配筋百分率提高到1.2%；最小配箍特征值比規范規定值提高0.01。嚴格控制加強區框架柱的軸壓比不超過0.7[2]。

(3)其余位置的剪力墻從嚴執行《高層建筑混凝土結構技術規程》第7.2.16條關于B級高度結構剪力墻的相關規定。

6.2 針對“相鄰層剛度變化不大于70%或連續三層變化不大于80%”的超限

(1)按規范要求薄弱層地震剪力放大為1.15倍。

(2)相關樓層的墻體最小配筋率提高到0.3%,約束邊緣構件縱向鋼筋最小構造配筋率提高到1.3%，配箍特征值放大1.1倍。

(3)相關樓層的框架柱全高采用井字復合箍，且不小于Φ12@100，以提高框架柱的延性。柱全部縱向鋼筋最小構造配筋百分率提高到1.2%；最小配箍特征值比規范規定值提高0.01。

6.3 豎向構件不連續，在二層抽了兩根柱

(1)采用型鋼桁架，型鋼柱轉換，增加構件的延性。型鋼梁柱剛接，型鋼柱一直延伸至基礎，自成穩定體系。

(2)加大與轉換桁架相接的框架梁配筋。

(3)加厚轉換桁架上下弦桿處樓板為150mm，且提高樓板的配筋率到0.5%，以加強對桁架的平面外約束。

7 結語

本文詳細論述了該項目的超限情況、結構設計、彈性計算分析、彈塑性時程分析、基于性能的抗震設計分析，以及針對薄弱部位和超限情況所采取相對應的抗震措施等內容。結構分析結果表明，該結構各項指標均符合國家規范要求，具有良好的抗震性能。本文基于性能抗震設計的分析應用是合理有效的，可為同類超限工程提供一定的參考意義。

[1] 建質[2015]67號.超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點[S].2015.

[2] JGJ3-2010 高層建筑混凝土結構技術規程[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[3] 羅軍.某典型超限高層酒店基于性能的抗震設計方法應用[J].福建建筑,2015(1):47-52.

The performance-based seismic design of an out-of-codes high-rise building

LUDengbang

(Fujian Province wanboyu Building A Technology Development Co. Ltd，Xiamen 361004)

Several out-of-codes characteristics were existed in this project, including B level height, irregular lateral stiffness, discontinuous lateral resistant members. Through the analysis of the seismic performance and the degree of structural irregularity, performance-based seismic design methods were used in this paper to propose structural macroscopic performance perspectives. Based on the elastic-plastic time history analysis, the plastic hinge order of the structure and the damage situation of each component could be seed ,then the energy dissipation mechanism and failure mechanism were studied, so the weak floors and parts were discovered to take effective seismic measures to achieve the desired performance objectives and performance standards. The results had showed that the structure could meet all of the code requirements and had a good seismic performance, and the application of performance-based seismic design were reasonable and effective.

Out-of-codes high-rise building；Performance-based seismic design；Elastic-plastic time-history analysis；Plastic hinge

盧登榜(1982.11- )，男，工程師。

E-mail:95479804@qq.com

2017-02-20

TU973

A

1004-6135(2017)06-0068-04