超限高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程的探討

程 偉

(裕景興業(yè)(廈門)有限公司，福建 廈門 361001)

1 工程概況

本項(xiàng)目建筑地下4層，地上為36層酒店+辦公，主體結(jié)構(gòu)高度(計(jì)算至主屋面)為147.29 m。結(jié)構(gòu)體系為框架剪力墻，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，建筑抗震設(shè)防類別為丙類，所在地區(qū)的抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.15 g，場(chǎng)地類別：二類；設(shè)計(jì)地震分組：第二組；特征周期Tg=0.40 sec(規(guī)范值)，根據(jù)安評(píng)報(bào)告所提反應(yīng)譜特征周期Tg=0.45 sec。建筑類別調(diào)整后用于結(jié)構(gòu)抗震驗(yàn)算及抗震等級(jí)的烈度7度；按場(chǎng)地調(diào)整后用于確定抗震構(gòu)造措施的烈度7度，建筑結(jié)構(gòu)的阻尼比取5%。

2 結(jié)構(gòu)抗震超限情況及性能設(shè)計(jì)目標(biāo)

2.1 超限情況的認(rèn)定

依據(jù)建設(shè)部《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》(建質(zhì)[2010]109號(hào))(以下簡(jiǎn)稱《技術(shù)要求》)，經(jīng)初步判斷本建筑物存在主要超限情況見表1。

結(jié)構(gòu)高度，本工程塔樓屋面高度為147.29m，根據(jù)表1，判定為高度超限。

表1 主要超限情況

2.2 性能設(shè)計(jì)目標(biāo)

本工程性能設(shè)計(jì)目標(biāo)為《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)[1](以下簡(jiǎn)稱《高規(guī)》)3.1.1條中的C等級(jí)，以宏觀損壞程度來(lái)判別，即：多遇地震下完好無(wú)損壞(不需修理即可繼續(xù)使用)；設(shè)防烈度地震下輕度損壞(一般修理后可繼續(xù)使用)；預(yù)估的罕遇地震下重度損壞(修復(fù)或者加固后可繼續(xù)使用)。

3 針對(duì)超限情況的抗震措施

1)依據(jù)地震安全性評(píng)價(jià)管理?xiàng)l例，本工程應(yīng)當(dāng)進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)。根據(jù)《1#樓工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)》所提供的地震動(dòng)參數(shù)及反應(yīng)譜函數(shù)進(jìn)行計(jì)算并結(jié)合規(guī)范反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果，取結(jié)果大值(安評(píng)報(bào)告結(jié)果為大值)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。

2)采用不同力學(xué)模型的分析程序進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移的比對(duì)計(jì)算分析，即SATWE及PMSAP，并補(bǔ)充MIDAS的位移計(jì)算結(jié)果。

3)采用彈性時(shí)程分析方進(jìn)行多遇地震的補(bǔ)充計(jì)算。

4)采用Push-Over靜力彈塑性分析補(bǔ)充分析結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的變形反應(yīng)。

4 結(jié)構(gòu)分析的主要結(jié)果匯總及比較

4.1 主要計(jì)算參數(shù)

4.1.1 抗震設(shè)計(jì)

1) 場(chǎng)地土類型為Ⅱ類，抗震設(shè)防烈度為7度。

2)結(jié)構(gòu)的阻尼比在多遇地震作用下的彈性分析時(shí)取0.05，水平地震影響系數(shù)最大值為0.12(安評(píng)為0.131)；中震地震影響系數(shù)最大值為0.34(安評(píng)為0.403)，罕遇地震(大震)影響系數(shù)最大值為0.72(安評(píng)為0.745)。小震作用按安評(píng)地震動(dòng)參數(shù)與規(guī)范參數(shù)取大值進(jìn)行計(jì)算(安評(píng)為大值)，同時(shí)考慮雙向地震作用和偶然偏心的不利影響。中震和大震均采取規(guī)范參數(shù)進(jìn)行分析。

3)分別采用考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)的振型分解反應(yīng)譜法及動(dòng)力時(shí)程分析法計(jì)算結(jié)構(gòu)響應(yīng)，并選用較多的振型以充分考慮高階振型的影響，各振型貢獻(xiàn)按CQC組合。按模擬施工加荷方式3計(jì)算。選取振型數(shù)目為30個(gè)，有效質(zhì)量系數(shù)均超過95%。

4)采用彈性時(shí)程分析法進(jìn)行了多遇地震下的補(bǔ)充計(jì)算。計(jì)算共選取七條彈性時(shí)程波。

5)采用Push-Over彈塑性靜力分析法計(jì)算了結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的變形反應(yīng)。

4.1.2 抗風(fēng)設(shè)計(jì)

本建筑結(jié)構(gòu)屬于高層建筑，程序計(jì)算結(jié)構(gòu)主樓體型系數(shù)取μs=1.40；風(fēng)振系數(shù)根據(jù)荷載規(guī)范計(jì)算；計(jì)算位移指標(biāo)時(shí)主樓基本風(fēng)壓取0.80 kN/m2，計(jì)算構(gòu)件強(qiáng)度指標(biāo)時(shí)按基本風(fēng)壓的1.1倍取為0.88 kN/m2，地面粗糙度類別為B類。

4.2 塔樓主要計(jì)算結(jié)果及分析

多遇地震及風(fēng)荷載作用下計(jì)算結(jié)果見表2～5，從表2～5可知，計(jì)算結(jié)果均滿足要求。

SATWE與PMSAP樓層抗剪承載力比值差異主要原因：SATWE中定義了16層的墻柱超配系數(shù)為1.50，PMSAP模塊中無(wú)此參數(shù)定義，考慮到施工圖階段實(shí)配采用1.5的超配系數(shù)，SATWE數(shù)值與實(shí)際配筋較為吻合，故此處采用SATWE數(shù)值較合理。表格內(nèi)所顯示樓層均為建筑樓層。

對(duì)比SATWE、PMSAP和MIDAS三種軟件的多遇地震作用計(jì)算結(jié)果得知基本吻合，指標(biāo)基本滿足規(guī)范要求(結(jié)構(gòu)位移由水平地震與風(fēng)共同控制)。由于三種計(jì)算程序在模型假定上的不同，地震工況與風(fēng)荷載工況下位移有5%左右的差異，認(rèn)為此結(jié)果在可以接受的合理范圍內(nèi)，且三種軟件計(jì)算結(jié)果均符合要求。

表2 主樓結(jié)構(gòu)分析主要結(jié)果對(duì)比(小震作用、取用安評(píng)地震波曲線)

表3 主樓SATWE分析結(jié)構(gòu)位移主要結(jié)果(小震作用、取用安評(píng)地震波曲線)

表4 主樓PMSAP分析結(jié)構(gòu)位移主要結(jié)果(小震作用、取用安評(píng)地震波曲線)

表5 主樓MIDAS分析結(jié)構(gòu)位移主要結(jié)果(小震作用、取用安評(píng)地震波曲線)

4.3 補(bǔ)充計(jì)算

采用七條地震波(五條天然波兩條人工波)進(jìn)行彈性時(shí)程分析作為多遇地震下的補(bǔ)充計(jì)算，結(jié)果顯示：①每條時(shí)程曲線計(jì)算所得的底部剪力>振型分解反應(yīng)譜法的結(jié)果的65%;②多條時(shí)程曲線計(jì)算所得的底部剪力平均值>振型分解反應(yīng)譜法的結(jié)果的80%。

4.4 大震不屈服位移可控分析

Push-Over計(jì)算結(jié)果體現(xiàn)X向最不利層間位移角為1/142，滿足規(guī)范要求1/100。

Push-Over計(jì)算結(jié)果體現(xiàn)Y向最不利層間位移角為1/114，滿足規(guī)范要求1/100。

5 抗震性能化設(shè)計(jì)

本工程塔樓屋面高度為147.29 m，超A級(jí)高度限值22.74%，超B級(jí)高度限值5.21%，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)考慮“抗震性能設(shè)計(jì)”，性能設(shè)計(jì)目標(biāo)控制為C級(jí)，具體控制目標(biāo)見表6。

根據(jù)計(jì)算對(duì)比，小震與中震工況下，安評(píng)反應(yīng)譜結(jié)果>規(guī)范反應(yīng)譜的計(jì)算結(jié)果。除罕遇地震外，均采用安評(píng)反應(yīng)譜對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析。

6 結(jié)構(gòu)分析的主要結(jié)果匯總及比較

本項(xiàng)目屬于超限高層建筑。由于在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采取了較為合理的結(jié)構(gòu)布置，使得結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，計(jì)算結(jié)果滿足現(xiàn)行規(guī)范和規(guī)程的要求。

SATWE、PMSAP與MIDAS(MIDAS僅補(bǔ)充位移計(jì)算)三個(gè)程序的計(jì)算結(jié)果基本一致，只是由于在單元模型上處理上的差異，使得計(jì)算結(jié)果有一些差異，但均在工程可接受的范圍內(nèi)。

表6 抗震性能設(shè)計(jì)要求

7 結(jié)束語(yǔ)

本項(xiàng)目為超B級(jí)高層建筑，根據(jù)抗震原則及建筑特點(diǎn)，首先對(duì)整體結(jié)構(gòu)體系布置進(jìn)行優(yōu)化，使之利于結(jié)構(gòu)抗震；在抗震設(shè)計(jì)中除保證結(jié)構(gòu)在小震下完全處于彈性狀態(tài)外，還補(bǔ)充了主要構(gòu)件在中震下表現(xiàn)的性能要求，并進(jìn)行彈塑形的計(jì)算，結(jié)果表明多項(xiàng)指標(biāo)均處于控制范圍內(nèi)?？偟膩?lái)說，本項(xiàng)目滿足“小震不壞，中震可修，大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)。

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