某超高層建筑結構在罕遇地震作用下的抗震性能評估

孟 磊 （安徽省金田建筑設計咨詢有限責任公司，安徽 合肥 230000）

0 引言

建筑結構在強烈的罕遇地震作用下，進入彈塑性階段剛度會發生退化，并出現塑性內力重分布。在預估罕遇地震作用下對工程采用動力彈塑性時程分析方法進行結構整體補充計算，可以達到以下目的：①計算結構在罕遇地震作用下的動力響應，包括結構的整體變形情況、主要構件塑性及損傷情況，考察各構件破壞順序及破壞程度，評價整體結構的彈塑性行為，確認結構是否滿足“大震不倒”的設防水準要求；②研究結構關鍵部位、關鍵構件的變形形態和損傷情況；③論證結構整體在罕遇地震作用下的抗震性能，判斷結構薄弱部位所在位置；④根據以上分析結構，針對結構薄弱部位和薄弱構件提出相應的加強措施，用以指導施工圖設計。以上可借助專業分析軟件PERFORM-3D能進行復雜的結構非線性動力時程分析來評估罕遇地震下性能[2-3]。

1 工程概況

項目選址于六安市梅山南路，周邊道路交通便利，景觀資源良好。建筑功能為以商業、辦公為主的大型綜合體。27#樓為辦公塔樓，結構高度179.8 m，室內外高差100mm，地下室3層，地面以上42層（含三個避難層），標準層高為4.0m，結構體系為框架-核心筒結構。26#樓商業裙樓為大型商業，地面以上7層，建筑結構高度33.0m，層高均同27#樓為辦公塔樓，結構體系為框架結構。27#辦公塔樓和26#商業裙樓之間通過抗震縫分隔開，如圖1所示。本文圍繞27#樓辦公塔樓結構抗震設計展開，重點對其罕遇地震作用下的抗震性能進行評估。建筑效果圖如圖2所示。

圖2 建筑效果圖

2 分析材料模型（本構關系）

在PERFORM-3D分析模型中，不考慮混凝土受拉作用，受壓采用Mander模型，考慮箍筋對混凝土的約束，以及對其強度及延性的提高作用。混凝土本構采用多折線進行模擬，如圖3(a)所示。混凝土材料軸心抗壓強度標準值 (fck)按《鋼筋混凝土設計規范》附錄C表4.1.3采用。鋼筋的非線性材料模型采用雙線性隨動硬化模型，在循環過程中，無剛度退化，考慮了鋼材的包辛格（Bauschinger）效應，鋼材的強屈比設定為1.2，極限應力所對應的極限塑形應變為0.025，如圖 3(b)所示。

圖3 材料模型

3 抗震性能目標

本工程房屋不規則性超過使用范圍較少，結合抗震設計的概念進行設計防烈度、抗震設防類別、超限情況，按照《高層建筑混凝土結構技術規程》[1]第3.11節要求設定本工程結構的抗震性能目標為C級，不同地震水準下的結構、構件性能水準詳見表1。

4 地震波的選取

本工程選用二條天然波(NatWave01，Natwave02)和一條人工波(ArtWave01)，按《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ 3-2010)表4.3.5提供的主方向地震作用最大加速度峰值0.22g和主方向、次方向地震峰值加速度比值1.00：0.85，調整后分別沿建筑物兩個主軸方向各輸入一次，進行彈塑性時程分析。

加速度最大值規一化的地震波時程曲線如圖4所示，地震波反應譜與規范譜對比曲線如圖5所示，各地震波的特征周期需符合《抗規》表5.1.4-2的要求，有效峰值加速度按《抗規》表5.1.2-2的要求采用，地震波的有效持續時間均不小于5倍的結構基本周期。三組地震波的平均地震影響系數曲線與振型分解反應譜法所用的地震影響系數曲線相比，在對應于結構主要振型的周期點上相差不大于20%，滿足規范在統計意義上相符的要求。

結構抗震性能設防目標表1

結構大震彈性時程分析與振型分解反應譜法的底部剪力對比見表2所示，計算結果表明可滿足《建筑抗震設計規范》(GB 50011-2010)第5.1.2.3條要求，這說明地震波的選取是合適的。

圖4 地震波時程曲線

5 結構的總體反映分析

圖6給出在地震波組AatWave01作用下結構彈性和彈塑性反應的頂部位移時程對比曲線。在罕遇地震作用下，當結構進入塑性后，剛度會產生退化，彈塑性分析相對彈性分析的結構頂部位移有一定程度的偏移。

圖5 地震波反應譜與規范譜曲線對比

圖6 結構頂部的位移時程曲線

圖7給出在地震波組AatWave01作用下結構彈性和彈塑性反應的底部剪力時程對比曲線。在罕遇地震作用下，當結構進入塑性后，剛度會產生退化，彈塑性分析相對彈性分析的結構底部剪力有一定程度的降低。

各組地震波作用下的結構層間位移角曲線見圖8。由圖8可知，結構在X方向的層間位移角最大值為1/307，對應層號在第23層，在Y方向的層間位移角最大值為1/195，對應層號在第35層。結構在兩個方向的最大層間位移角均滿足《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ 3-2010)表3.7.5關于框架核心筒結構體系層間位移角1/100的限值要求。說明結構整體剛度較大，高于預期性能目標，能夠滿足“大震不倒”的要求。

彈性分析的最大底部剪力與反應譜的對比 表2

圖7 結構底部的剪力時程曲線

圖8 結構的層間位移角曲線

6 構件的性能評價

根據《建筑抗震設計規范》(GB 50011-2010)第5.1.2.3條規定，本工程選取三組時程曲線輸入進行計算，結構地震作用效取時程法計算結果的包絡值與振型分解反應譜法(CQC)計算結果的較大值對結構構件進行罕遇地震下性能評估。

6.1 剪力墻墻肢

剪力墻墻肢受拉、受壓和受剪的性能狀態分別如圖9(a)～(c)所示。圖中可知，在罕遇地震的各組地震波作用下，分析結果表明剪力墻墻肢在底部區域受力相對較大，但鋼筋拉應變小于其屈服應變εy，混凝土壓應變小于其峰值應變εp，剪應力小于其剪切強度，構件基本上無損壞。符合設定的抗震性能目標。

圖9 剪力墻的性能狀態

6.2 剪力墻連梁

剪力墻連梁的性能狀態如圖10所示。圖中可知，在罕遇地震的各組地震波作用下，梁單元損傷程度較大的部位一般在梁端位置。梁的性能等級大多數處于“中度損壞”以下，只有極少數達到“重度損壞”，符合梁作為耗能構件設定的抗震性能目標。連梁的最大塑性變形處于有限安全性能段，小于性能點CP，符合設定的抗震性能目標。

6.3 鋼筋混凝土框架柱

鋼筋混凝土框架柱的性能狀態如圖11所示。由圖可知，在罕遇地震的各組地震波作用下，塔樓的框架柱基本上無損壞，裙房頂部部分鋼筋混凝土柱產生了塑性損傷，形成彎曲塑性鉸，柱的最大塑性變形處于運行控制性能段，小于性能點IO，構件輕度損壞，符合設定的抗震性能目標。

圖10 剪力墻連梁的性能狀態

6.4 鋼筋混凝土框架梁

鋼筋混凝土框架梁的性能狀態如圖12所示。圖中可知，在罕遇地震的各組地震波作用下，大部分鋼筋混凝土梁產生了塑性損傷，形成塑性鉸。鋼筋混凝土梁的最大塑性變形處于有限安全性能段，小于性能點CP，梁構件均控制在中度損壞以下，極少數梁為比較嚴重損壞，滿足結構抗震性能水準4的要求。

圖11 鋼筋混凝土框架柱的性能狀態

7 結論

本工程使用PERFORM-3D軟件并選取三組地震波進行大震彈塑性時程分析和抗震性能評估結構進行罕遇地震作用下的動力彈塑性時程分析，對結構性能進行評價，總體結論如下。

圖12 鋼筋混凝土框架梁的性能狀態

①結構在X方向的層間位移角最大值為1/307，對應層號在第23層，在Y方向的層間位移角最大值為1/195，對應層號在第35層。結構在兩個方向的最大層間位移角均滿足高規[1]框架核心筒結構體系層間位移角1/100的限值要求。同時滿足《建筑抗震設計規范》(GB 50011-2010)附錄M表M.1.1-2結構構件實現抗震性能要求的層間位移參考指標示例要求。

②剪力墻墻肢在底部區域受力相對較大，但鋼筋拉應變小于其屈服應變εy，混凝土壓應變小于其峰值應變εp，剪應力小于其剪切強度，構件基本上無損壞，滿足預設性能目標的要求。

③大部分剪力墻連梁均已屈服，構件中度損壞，部分嚴重損壞；裙房頂部部分框架柱已屈服，構件輕度損壞；大部分框架梁均已屈服，構件中度損壞，部分嚴重損壞。

④結構在罕遇地震作用下，塑形變形發展的順序：連梁→樓面梁→剪力墻→框架柱，連梁吸收了不少的地震作用，塑性變形相對集中，損壞嚴重，框架柱基本上無損壞。

綜上所述，本結構體系具有合理的屈服機制和良好的彈塑性耗能能力，彈塑性耗能構件明確，彈塑性耗能僅發生在確定的構件和區域，結構構件的性能滿足所選定的結構抗震性能目標的結構抗震性能水準4的要求，結構在罕遇地震時具有足夠的變形能力和合適的承載能力，避免倒塌。