某八度區(qū)高層住宅抗震設計

張浩

（上海建筑設計研究院有限公司，上海 200041）

1 工程概況

某高層住宅位于天津市津南區(qū)，為剪力墻結構。層高3m，房屋高度78.3m，共計26層，標準層平面如圖1所示。

圖1 建筑平面標準層

該住宅的安全等級為二級，抗震設防類別為標準設防類，抗震設防烈度為Ⅷ度（0.20g），設計地震分組為第二組；場地類別為III類，場地特征周期為0.55s；基本風壓0.5kN/m2，地面粗糙度類別 B 類[1]。

2 多遇地震下結構的計算分析

2.1 計算模型

本結構采用YJK和ETABS兩種計算軟件建模，計算考慮的主要因素有：①計算時采用考慮扭轉耦連影響的陣型分解反應譜法；②考慮雙向水平地震作用下的扭轉影響，并考慮單向地震時偶然偏心的影響；③抗震計算時，振型數(shù)使得振型參與質量不小于總質量的90%。

在ETABS軟件建模時，梁柱結構采用桿單元[2]，連梁和墻體采用殼單元模擬，普通樓板采用膜單元模擬，并且各層采用剛性隔板。定義質量源時，選擇“荷載模式”，將恒荷載乘數(shù)取為1，活荷載乘數(shù)取為0.5，勾選側向質量集中于樓層標高處。考慮非結構構件的影響，周期折減系數(shù)取為0.95。計算之前，對樓板和墻體進行細化單元剖分。

2.2 振型分解反應譜法

2.2.1 質量和周期

采用YJK和ETABS兩種軟件進行小震作用下的反應譜分析。在小震作用下，按照彈性方法計算得到的結構的質量和周期如表1所示。

表1 總質量和周期

可以看出：兩種軟件的模型質量相差僅有1.4%，主要周期點的差別均在10%以內(nèi)，因此可以進行下一步的分析。

2.2.2 層間位移角

在地震作用下，結構的層間位移角曲線如圖2所示。從圖中可以看出：小震作用下，YJK軟件得到的X向、Y向的最大層間位移角分別為1/1166和1/1047；ETABS軟件得到的X向、Y向的最大層間位移角分別為1/1303和1/1150；地震作用下樓層平均位移曲線平滑無突變，結構的豎向剛度變化均勻，有利于抗震。

圖2 層間位移角

2.2.3剛重比

結構彈性等效側向剛度與重力荷載設計值的比值稱為結構的剛重比，剛重比是影響結構穩(wěn)定和重力P-△效應的主要因素。兩款軟件得到的模型的剛重比分別如表2所示。

表2 剛重比

可以看出：結構的剛重比大于1.4，滿足《高規(guī)》[3]5.4.4條的整體穩(wěn)定驗算；且剛重比都大于2.7，滿足《高規(guī)》5.4.1條，可以不考慮重力二階效應的影響。

3 多遇地震下的彈性時程分析

《高規(guī)》4.3.4-2條規(guī)定：八度區(qū)III類場地、建筑高度超高80m的高層建筑結構，應采用彈性時程分析法進行多遇地震下的補充計算[3]。本住宅樓建筑高度為78.3m，III類場地，和規(guī)范規(guī)定的結構高度限值接近，考慮到屋頂設備房、電梯機房的存在，所以本結構也進行了多遇地震下的補充計算。

根據(jù)規(guī)范要求，本工程選取三條地震波，其中兩條天然波分別為Coalinga-01_NO_326（后續(xù)以Wave1指代，下同）和SuperstitionHills-02_NO_726（Wave2），一條場地人工波ArtWave-RH2TG055（Wave3），按照Ⅷ度（0.20g）、III類場地進行多遇地震下的彈性時程分析。規(guī)范反應譜與地震波譜對比見圖3。

圖3 規(guī)范譜與地震波對比曲線

規(guī)范要求：多組時程曲線的平均地震影響系數(shù)曲線應與振型分解反應譜法所采用的的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計意義上相符，即要求在對應于結構主要振型的周期點上，二者相差不大于20%。由表3可以看出，符合規(guī)范在統(tǒng)計意義上相符的要求。

表3 基本周期偏差對比

3.1 YJK軟件的彈性時程分析

YJK軟件通過反應譜法、彈性時程分析得到的計算結果對比如表4所示。《高規(guī)》4.3.5條要求：彈性時程分析時，每條時程曲線計算所得結構底部剪力在陣型分解反應譜法計算結果的±35%內(nèi)，多條時程曲線計算所得到結構底部剪力的平均值在陣型分解反應譜法計算結果的±20%以內(nèi)。由表4可以看出，所選擇的地震波滿足要求。

表4 YJK反應譜法、彈性時程分析計算結果對比

最大樓層地震剪力曲線如圖4所示。可以看出：對于X方向，在中部樓層（11～20F），多條地震波計算出的地震剪力包絡值大于反應譜法，其余樓層反應譜計算出的地震剪力大于各條地震波的計算結果；對于Y方向：在13～27F，多條地震波計算出的地震剪力包絡值大于反應譜法，其余樓層反應譜計算出的地震剪力大于各條地震波的計算結果。因此在構件設計時，應分別對各樓層的陣型分解反應譜的結果進行相應的放大。

圖4 樓層地震剪力曲線（YJK）

3.2 ETABS軟件的彈性時程分析

ETABS軟件通過反應譜法、彈性時程分析得到的計算結果對比如表5所示，可以看出所選地震波同樣滿足《高規(guī)》4.3.5-1條的要求。

表5 ETABS反應譜法、彈性時程分析計算結果對比

最大樓層地震剪力曲線如圖5所示。可以看出對于X方向：在中部區(qū)域樓層（12～21F），多條地震波計算出的地震剪力包絡值大于反應譜法，其余樓層反應譜計算出的地震剪力大于各條地震波的計算結果；對于Y方向：在21～25F，多條地震波計算出的地震剪力包絡值大于反應譜法，其余樓層反應譜計算出的地震剪力大于各條地震波的計算結果。因此在構件設計時，應分別對各樓層的陣型分解反應譜的結果進行相應的放大。

圖5 樓層地震剪力曲線（ETABS）

3.3 小結

《高規(guī)》4.3.5-4條規(guī)定：當取三組時程曲線進行計算時，結構地震作用效應宜取時程法計算結果的包絡值與振型分解反應譜法計算結果的較大值。對于結構的某些樓層，彈性時程分析得到的樓層剪力大于反應譜法分析得到的樓層剪力，在施工圖設計時，要在X和Y兩個方向分別設置地震作用放大系數(shù)。

4 結語

本文利用YJK和ETABS兩款軟件對一棟八度區(qū)的高層住宅進行了模擬，對其進行多遇地震下的反應譜分析和彈性時程法的分析。將兩種軟件得到的結果進行對比可得到如下的結論：

（1）該高層住宅結構布置合理，各部分構件能夠滿足抗震設計的第一階段的要求。

（2）采用時程分析方法可以觀測結構地震相應的全過程曲線，是反應譜方法的有效補充。結構在不同的地震波下響應差異較大，要注意地震波的選取過程和數(shù)量。

（3）施工圖設計時，當反應譜法得到的樓層剪力小于于彈性時程分析結果的樓層，要在X和Y兩個方向分別設置地震作用放大系數(shù)。