某公共建筑綜合樓超限抗震設(shè)計(jì)分析

劉 偉 （安徽省建筑設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230001）

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，大量體態(tài)復(fù)雜、造型新穎、使用功能綜合化的公共建筑不斷興建。由于建筑造型和功能的需要，造成大量公共建筑結(jié)構(gòu)超限，設(shè)計(jì)和計(jì)算困難日益加大。結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)階段需要針對(duì)項(xiàng)目的薄弱部位進(jìn)行針對(duì)性分析，以保證結(jié)構(gòu)在不同抗震設(shè)防水準(zhǔn)下均具有可靠的抗震性能，確保結(jié)構(gòu)安全。因此，對(duì)于復(fù)雜超限的大型公共建筑分析其經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)布置，研究其抗震性能的可靠性和安全性，具有重要的工程實(shí)踐意義。

1 工程概況

本工程為某大型公共建筑綜合樓，主樓地上共十一層，裙房地上共二層，地下一層地下室，建筑總高度為59.7m。總建筑面積為57576m，其中地上建筑面積為42972m，地下室建筑面積為14604m。因建筑功能及建筑方案的要求，本工程主樓與裙房間未設(shè)縫分開(kāi)，主樓與裙樓平面關(guān)系示意如圖1所示。本工程結(jié)構(gòu)體系為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系。

圖1 主樓與裙樓平面關(guān)系示意圖

本工程相關(guān)計(jì)算基本參數(shù)如表1所示。

2 結(jié)構(gòu)超限不規(guī)則項(xiàng)分析

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010），《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）（2016年版）和城鄉(xiāng)與住房建設(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)》（2015年版）有關(guān)規(guī)定，對(duì)本工程結(jié)構(gòu)不規(guī)則項(xiàng)進(jìn)行逐一比對(duì)核查，明確本工程結(jié)構(gòu)超限情況見(jiàn)表2所示。

工程基本參數(shù)表 表1

經(jīng)核查，本工程屬于A級(jí)高度的復(fù)雜高層建筑，存在1項(xiàng)特別不規(guī)則項(xiàng)、3項(xiàng)一般不規(guī)則項(xiàng)，無(wú)嚴(yán)重不規(guī)則項(xiàng)，需針對(duì)薄弱部位采用加強(qiáng)措施，以確保結(jié)構(gòu)在各水準(zhǔn)地震作用下的可靠性和安全性。

結(jié)構(gòu)超限不規(guī)則項(xiàng)判斷 表2

3 抗震性能目標(biāo)

本工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)根據(jù)抗震性能化設(shè)計(jì)的概念和要求進(jìn)行。在滿足規(guī)范的基礎(chǔ)上，本工程的結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)定為C級(jí)～D級(jí)之間，對(duì)中震下關(guān)鍵構(gòu)件性能目標(biāo)予以提高。根據(jù)各構(gòu)件失效可能引起的嚴(yán)重后果程度，把地上1至3層底部加強(qiáng)區(qū)的剪力墻和框架柱、4層周邊剪力墻和框架柱、托柱長(zhǎng)懸挑梁及其支承柱定為本樓的關(guān)鍵構(gòu)件，5層及5層以上的剪力墻和框架柱定為本樓的普通豎向構(gòu)件，全樓框架梁和剪力墻上的連梁定為本樓的耗能構(gòu)件。各部位抗震性能目標(biāo)見(jiàn)表3所示。

4 多遇地震結(jié)構(gòu)計(jì)算分析結(jié)果

本項(xiàng)目多遇地震下的結(jié)構(gòu)計(jì)算采用YJK和Midas Building軟件進(jìn)行對(duì)比計(jì)算。

兩種軟件計(jì)算周期及基底剪力對(duì)比如表4、表5所示。

抗震性能目標(biāo)表 表3

周期計(jì)算結(jié)果 表4

基底剪力計(jì)算結(jié)果 表5

時(shí)程分析與反應(yīng)譜分析底部剪力結(jié)果對(duì)比 表6

按照頻譜特性、有效峰值和持續(xù)時(shí)間三要素，選取5組天然波和2組人工波進(jìn)行彈性時(shí)程分析。時(shí)程分析與反應(yīng)譜分析基底剪力對(duì)比見(jiàn)表6所示。

兩種軟件計(jì)算結(jié)果表明，模型各項(xiàng)控制參數(shù)誤差均在10%以內(nèi)，彈性時(shí)程分析與規(guī)范反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范相關(guān)要求，說(shuō)明計(jì)算模型正確、結(jié)果可靠。計(jì)算結(jié)果顯示，在多遇地震作用下，結(jié)構(gòu)安全可靠，小震下的抗震性能目標(biāo)能夠滿足規(guī)范相關(guān)要求。

5 設(shè)防地震結(jié)構(gòu)計(jì)算分析結(jié)果

根據(jù)抗震性能化設(shè)計(jì)的要求，采用CQC法按照中震彈性和中震不屈服分別進(jìn)行設(shè)防地震作用下的分析計(jì)算。

計(jì)算結(jié)果顯示，一至四層的剪力墻中較多墻肢出現(xiàn)拉應(yīng)力，且部分墻肢拉應(yīng)力超出混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。對(duì)于出現(xiàn)拉應(yīng)力的墻肢，根據(jù)平面名義拉應(yīng)力σ在設(shè)計(jì)中采取如下對(duì)應(yīng)措施：

①當(dāng)0＜σ＜f時(shí)，對(duì)相應(yīng)墻肢按特一級(jí)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)；

②當(dāng)f＜σ＜2×f時(shí)，除按特一級(jí)設(shè)計(jì)外，墻肢內(nèi)設(shè)置鋼板或型鋼，墻肢內(nèi)縱向鋼筋按受拉鋼筋設(shè)計(jì)；

③當(dāng)σ＞2×f時(shí)（僅極少數(shù)剪力墻翼緣處），墻肢抗震等級(jí)按特一級(jí)，暗柱中增加型鋼，根據(jù)計(jì)算控制墻肢截面的名義拉應(yīng)力σ＜2×f，同時(shí)墻肢內(nèi)縱向鋼筋按受拉鋼筋設(shè)計(jì)。保證墻體的剛度在中震下不會(huì)有較大的退化，保持較好的抗震性能。

同時(shí)在中震作用下，對(duì)門廳處躍層柱參考周邊非躍層框柱的剪力，對(duì)該躍層柱進(jìn)行剪力、彎矩放大，采用放大后的彎矩和同一工況下的未調(diào)整的軸力對(duì)躍層柱進(jìn)行壓彎復(fù)核，確保躍層柱截面在壓彎荷載組合下能夠處于壓彎包絡(luò)曲線內(nèi)，滿足壓彎截面的驗(yàn)算要求。

6 罕遇地震動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析結(jié)果

本工程采用YJK彈塑性時(shí)程分析軟件（YJK-EP），以多遇地震作用下的計(jì)算配筋為依據(jù)，對(duì)本結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析，重點(diǎn)分析底部加強(qiáng)區(qū)部位的剪力墻在罕遇地震下的可靠性。

設(shè)計(jì)中按照抗震規(guī)范的要求，根據(jù)以下原則：①特征周期與場(chǎng)地特征周期接近；

②最大峰值接近規(guī)范要求（7度為220gal）；

③持續(xù)時(shí)間為結(jié)構(gòu)第一周期的5～10倍；

④時(shí)程地震波對(duì)應(yīng)的加速度反應(yīng)譜在結(jié)構(gòu)周期點(diǎn)上與規(guī)范譜相差不超過(guò)20%。

共篩選2組天然波和1組人工波，如圖2所示。

圖2 罕遇地震下各地震波加速度反應(yīng)譜與規(guī)范譜對(duì)比

時(shí)程分析結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)主體的最大層間位移角分別為X向1/325、Y向1/317，均小于規(guī)范限值。計(jì)算表明，結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的最終狀態(tài)仍然能夠保持主體結(jié)構(gòu)變形穩(wěn)定，保證安全。

結(jié)構(gòu)在大震彈性和大震彈塑性作用下頂點(diǎn)位移和基底剪力時(shí)程曲線對(duì)比如圖3、圖4所示。

圖3 彈性與彈塑性頂點(diǎn)位移時(shí)程曲線對(duì)比

圖4 彈性與彈塑性基底剪力時(shí)程曲線對(duì)比

在開(kāi)始階段，彈性與彈塑性時(shí)程分析的頂點(diǎn)位移和基底剪力基本一致，曲線基本重合；在t=15s之后，隨著耗能構(gòu)件屈服，阻尼比增加，結(jié)構(gòu)剛度退化，周期變長(zhǎng)，彈塑性頂點(diǎn)位移和基底剪力開(kāi)始變小，二者逐漸分離，差異加大，符合彈塑性分析下結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷的一般規(guī)律。

罕遇地震下各墻體的損傷情況如下。

①受壓損傷：底部加強(qiáng)區(qū)及以上各層剪力墻受壓破損程度均較小，少數(shù)墻體受壓損傷主要集中在連梁和裙房收進(jìn)處部分墻肢端部。連梁損傷主要為輕微～中度損傷，主墻肢基本完好，局部出現(xiàn)輕微損傷，墻肢抗震性能保持較好，如圖5所示。計(jì)算表明連梁耗能充分，剪力墻能夠保持完好，具有足夠的抗震承載力，滿足所設(shè)定的抗震性能目標(biāo)。

圖5 剪力墻受壓損傷(左)和受拉損傷(右)

②受拉損傷：底部加強(qiáng)區(qū)以上僅局部墻肢出現(xiàn)輕微損傷，大部分均處在無(wú)損壞狀態(tài)；底部加強(qiáng)區(qū)以上連梁損傷普遍并達(dá)到了中度～嚴(yán)重?fù)p傷，如圖5所示。底部加強(qiáng)區(qū)連梁及墻肢受拉損傷分布廣泛，連梁損傷達(dá)到中度～嚴(yán)重，說(shuō)明連梁耗能充分；墻肢損傷為輕微～中度，極少數(shù)與連梁相連的墻肢邊緣由于連梁損壞耗能蔓延，出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p傷，但損傷范圍較小，未形成貫穿墻肢的損傷破壞，基本不影響主體墻肢承載力，能夠滿足墻肢在大震作用下不倒塌的性能目標(biāo)。

針對(duì)墻肢受拉損傷，在設(shè)計(jì)中提高底部加強(qiáng)區(qū)核心筒外墻的水平和豎向分布鋼筋的配筋率，同時(shí)在底部加強(qiáng)區(qū)的核心筒外墻中設(shè)置鋼板，角部設(shè)置型鋼，提高墻肢在大震作用下的抗拉性能。

罕遇地震下的彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析表明，剪力墻、柱、框架梁、連梁在大震作用下破損不大，經(jīng)修復(fù)或加固后可繼續(xù)使用；局部框架梁和連梁進(jìn)入比較嚴(yán)重?fù)p壞范圍，對(duì)結(jié)構(gòu)起到了重要的耗能作用，大部分墻肢損壞處于輕度損壞范圍以內(nèi)。局部應(yīng)力較大處所占比例很小，通過(guò)適當(dāng)加強(qiáng)提高配筋率等措施以提高其抗震性能。

綜上所述，結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下塔樓的各構(gòu)件損壞程度均可控制在性能目標(biāo)要求范圍內(nèi)，滿足所設(shè)定的抗震性能目標(biāo)要求。

7 結(jié)論

本工程屬于A級(jí)高度超限項(xiàng)目，在設(shè)計(jì)中采用概念設(shè)計(jì)方法，根據(jù)抗震原則和性能化設(shè)計(jì)要求，在保證結(jié)構(gòu)在多遇地震下處于完全彈性階段外，同時(shí)分析了主要構(gòu)件在設(shè)防地震和罕遇地震下的抗震性能表現(xiàn)。通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性、彈塑性時(shí)程計(jì)算分析表明，結(jié)構(gòu)多項(xiàng)指標(biāo)表現(xiàn)良好，各不規(guī)則項(xiàng)得到基本有效控制，確保結(jié)構(gòu)安全可靠，能夠?qū)崿F(xiàn)抗震性能化水準(zhǔn)的要求。

本工程通過(guò)對(duì)超限高層抗震性能化設(shè)計(jì)的系統(tǒng)分析，對(duì)類似工程的設(shè)計(jì)和分析具有參考和借鑒意義。