某超限住宅項目動力彈塑性分析

劉慶剛

廣州市設計院（510000）

1 工程概況

工程項目位于廣州市海珠區，為4棟超高層住宅以及地下室，文章著重介紹其中的D棟。本項目的D棟塔樓為地下6層，地上44層，總計容面積為23994.5m2。房屋高度148.1m。地下1層高5.4 m，非塔樓范圍3.5m，首層層高4.8m，2層層高4.1 m，5層層高4.4m，3層以上文化站層高3.5m、酒店層高3.1m、住宅層高3.1m，低區避難層層高5.4 m，高區避難層層高4.5m。地下室主要為車庫與設備機房，地上1層為開場大堂，2層及以上主要功能為文化站、酒店、住宅，在14層與29層分別設置兩層避難層。

根據建筑功能分區、平面布局使用舒適等要求，采用部分框支混凝土剪力墻的轉換結構體系。為滿足酒店、文化站大空間使用功能要求，6層及15層樓面以下取消部分豎向構件（剪力墻），在樓面采用型鋼混凝土框梁架托墻轉換上部豎向構件，以滿足轉換層上下兩個功能分區的使用及運營特點。

2 結構超限情況及抗震性能目標

2.1 超限情況判別

高度超限:房屋高度為148.1m，超過高度限值。

扭轉不規則:結構最大位移比為1.26（7層）。

構件間斷:6層層樓面存在局部托墻轉換。

其他不規則:15層樓面存在一片托墻轉換。

根據《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》要求，本工程應進行超限高層建筑工程抗震設防專項審查。

2.2 性能目標選取

按照《建筑抗震設計規范》（GB50007—2010）[1]第1.0.1條規定的抗震設防目標（小震不壞、中震可修、大震不倒），考慮到本項目存在高度超限、構件間斷、扭轉不規則和其他不規則的四項超限，結合結構的經濟性要求，本項目整體選擇C級抗震性能目標。在多遇地震下，結構滿足性能水準1。在設防烈度地震下，結構滿足性能水準3。在預估罕遇地震下，結構滿足性能水準4。對于框支框架（框支柱與框支梁）等關鍵構件，抗震性能目標提高至B級。

3 動力彈塑性分析

3.1 分析軟件介紹

3.1.1 計算軟件

動力彈塑性計算軟件PKPM-SAUSAGE（PKPM Seismic Analysis Usage），運用一套新的計算方法，可以準確模擬梁、柱、支撐、剪力墻（混凝土剪力墻和帶鋼板剪力墻）和樓板等結構構件的非線性性能，使實際結構的大震分析具有計算效率高、模型精細、收斂性好的特點[2]。

3.1.2 材料本構

3.1.2.1 鋼材

鋼材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，考慮了包辛格效應。鋼材的強屈比設定為1.2，極限應力所對應的極限塑性應變為0.025。

3.1.2.2 混凝土材料

一維混凝土材料模型采用規范指定的單軸本構模型,能反應混凝土滯回、剛度退化和強度退化等特性，其軸心抗壓和軸心抗拉強度標準值按《混凝土結構設計規范》[3]表4.1.3采用。混凝土材料進入塑性狀態伴隨著剛度的降低。剛度損傷分別由受拉損傷參數dt和受壓損傷參數dc來表達,dt和dc由混凝土材料進入塑性狀態的程度決定。二維混凝土本構模型采用彈塑性損傷模型，該模型能夠考慮混凝土材料拉壓強度差異、剛度及強度退化以及拉壓循環裂縫閉合呈現的剛度恢復等性質。

3.2 地震波選取

大震下地震波選取一條人工波和兩條天然波，其 分 別 為TH024TG035、TH035TG035、RH2TG040。各波主方向加速度峰值調至220cm/s2，各向峰值比值為1∶0.85∶0.65，對結構X、Y兩個方向分別作用各地震波主方向進行計算，時程取完整的地震波記錄時程。

3.3 大震下整體性能分析

3.3.1 基底剪力

結構在所選的各條地震波作用下的最大基底剪力:小震CQC大震最大基底剪力X向6527.10 kN、Y向6280.89kN，TH024TG035大震最大基底剪力X向27000kN、Y向22600kN，TH035TG035大震最大基底剪力X向26900kN、Y向31000 kN，RH2TG040大震最大基底剪力X向42300kN、Y向34500kN，各條地震波剪力計算值均在正常計算范圍之內，可以認為計算結果有效可信。

3.3.2 層間位移角

結構在各波大震作用下層間位移角最大值。D棟在TH024TG035地震動下，X向層間位移角最大，為1/284。在TH035TG035地震動下，Y向層間位移角最大，為1/218。在RH2TG040地震動下，Y向層間位移角最大，為1/225。

3.3.3 結構能量耗散分布情況

各地震波能量耗散情況相似，取RH2TG040主X向地震波的能量耗散情況對結構能量耗散機制進行說明。通過資料可知，結構的總功主要由阻尼耗能消耗。在塑性耗能中，墻柱以及墻梁耗能為主要部分，振動過程吸收較多的地震能量。由耗能時程看出，隨著地震能量的輸入，結構的總功及阻尼耗能不斷增大。在結構地震后期不再震動，動能耗散完畢減為零，并產生大量的塑性耗能，充分發揮結構體系的耗能機制。

3.4 大震下結構破壞形態及抗震性能總結

罕遇地震作用下，結構樓層質心處層間位移角時程包絡滿足性能目標C的不大于1/125的抗震設防要求。

在罕遇地震作用下，結構剪力墻的受壓損傷主要集中墻的底部，多為無損傷或輕微損傷。剪力墻的受拉損傷主要集中于底部剪力墻以及框支梁，為輕微至輕度損傷。可見，剪力墻滿足抗彎部分中度損壞性能水準要求[4]。

連梁作為剪力墻結構主要耗能構件，在罕遇地震作用下大部分連梁出現受壓損傷和一定的受拉損傷，主要表現為彎剪破壞，所有連梁都滿足抗剪截面要求。可見，連梁滿足中度損壞、部分比較嚴重損壞的性能水準。框架梁都滿足抗剪截面要求。可見，框架梁滿足中度損壞，部分比較嚴重損壞的性能水準[5-7]。框架梁、連梁進入塑性，消耗了大部分地震動輸入能量，使結構剛度降低、周期加長，較小地震力作用的輸入[8]。

綜上所述，罕遇地震作用下各項指標均滿足性能水準4的抗震性能目標要求。

4 結語

本工程在小震作用下，主要技術指標滿足規范要求，所有結構構件均處于彈性階段，結構完好無損或無需修理即可使用。在中震作用下，結構底部部分剪力墻出現拉應力，對拉應力大于1倍ftk的剪力墻墻肢，設置型鋼，使混凝土名義剪應力小于1倍ftk，以控制墻肢橫向裂縫的寬度，剪力墻均滿足中震抗剪彈性、抗彎不屈服，框架梁和連梁滿足抗剪不屈服、少數抗彎屈服，所有構件滿足性能水準3。在罕遇地震（大震）作用下，靜力及動力彈塑性時程分析結果表明，主體結構進入彈塑性受力狀態，樓層的最大彈塑性層間位移角滿足規范的限值要求，結構整體的損傷程度并不嚴重，連梁在全樓絕大多數樓層均進入塑性耗能狀態，框架梁梁端在全樓絕大多數樓層出現塑性鉸并進入屈服狀態。通過以上結論可認為，罕遇地震（大震）作用下豎向構件性能保持良好，結構能達到“大震不倒”的抗震設防要求。為了增強結構在罕遇地震下的延性變形，對結構薄弱部位采取比規范更嚴格的構造措施，即對轉換梁柱的性能目標提高至B級，以達到抗震性能設計的要求。通過以上基于結構性能的抗震設計分析，可以證明本工程滿足國家制定的相關規范，達到業主希望得到的性能目標，即本工程抗震性能達到性能目標C級（框支框架提高至B級）的要求。

綜上所述，本項目能實現設定的抗震性能目標預期，滿足結構抗震安全性要求。