某超限高層基于性能的彈塑性靜力分析

唐華東

（廣東省電信規劃設計院有限公司，廣東 廣州 510630）

1 工程概況

該工程是位于海南省海口市海甸島的大型住宅項目，本超限高層建筑是該工程住宅群其中一棟，地上部分共31 層，結構高度為93.95 m，建筑立面效果及計算模型如圖1、圖2 所示。

圖1 建筑立面效果

圖2 計算模型

本工程結構使用年限為50 年，建筑的設防類別為標準設防類（丙類），地區的設防烈度根據《建筑抗震設計規范（2016 年版）》（GB 50011—2010）（以下簡稱《抗規》）取Ⅷ度（0.3g），地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類。場地特征周期取0.45 s；基本風壓值為0.75 kN/m2，地面粗糙度類別為B 類。

2 結構地基基礎設計

根據地勘、結構方案體系及現場施工條件等資料，本工程基礎采用高強混凝土預應力管樁，樁端持力層為第⑤層粉砂或第⑥層粉質黏土，樁極限端阻力標準值為4500 kPa，樁側土為粉砂層及粉質黏土層。樁徑選用500 mm，單樁豎向承載力特征值為2000 kN。

抗浮措施：為滿足地下室整體抗浮要求，地下室部分樁基礎采用抗拔樁，單樁抗拔承載力特征值為500 kN。

嚴重液化土層說明：本場地存在嚴重液化土層，為第③層粉砂層，根據《抗規》要求，宜全部消除液化沉陷。本工程采用高強混凝土預應力管樁，樁端持力層為第⑤層粉砂或第⑥層粉質黏土，均為非液化土層；工程樁有效樁長大于25 m，樁端入非液化土層深度大于15 m，可全部消除地基液化沉陷。

3 上部主體結構設計

3.1 結構方案體系

本文分析的工程設計選用剪力墻結構作為結構體系，剪力墻厚度200 mm～500 mm，標準層梁截面主要為200 mm×500 mm 和200 mm×400 mm，地下室頂板為嵌固端，地下室頂板板厚為h=250 mm，標準層板厚為h=100 mm，屋面層板厚為h=120 mm，混凝土強度等級為C30～C60。

3.2 嵌固層的設置

本超限高層地下室頂板沒有存在大開洞的情況，設計時，此層樓面作為嵌固端，采用現澆梁板樓蓋結構，首層樓板厚為250 mm，采用雙層雙向配筋，且每層每個方向的配筋率大于0.25%；地下一層與首層等效剪切剛度比均大于2，如表1 所示。

表1 地下一層與首層等效剪切剛度比

3.3 結構超限情況及性能目標

3.3.1 結構超限情況

針對該超限高層建筑進行多遇地震下的彈性分析，根據多遇地震的分析成果對結構的超限情況判斷如下[1]。

（1）高度超限。本工程結構高度超過《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 3—2010）[2]規定的最大適用高度，屬于B 級高度。

（2）扭轉不規則。X 向位移比為1.31，大于1.20，屬于扭轉不規則。

（3）凹凸不規則。本工程長寬與寬度之比為0.56，大于0.3，屬于凹凸不規則。

3.3.2 性能目標

根據《抗規》要求[3]，建筑物的結構應將“三個水準”的目標作為抗震的設防標準，即“小震不壞、中震可修、大震不倒”。建筑物抗震的設防標準要求如表2所示。

表2 建筑物抗震的設防標準要求

根據本高層建筑超限的實際情況，結構抗震性能化設計按性能目標D，核算方法根據《高層建筑混凝土結構技術規程（JGJ 3—2010）》中3.11 條所列各水準的驗算公式核算。選取的抗震性能標準如下。

在眾值烈度作用下滿足第1 抗震性能水準的要求，在基本烈度作用下滿足第4 抗震性能水準的要求，在最大預估烈度作用下滿足第5 抗震性能水準的條件。不同抗震性能標準的結構構件承載力設計要求如表3 所示。其中，本次討論工程的關鍵構件定為底部加強區部分剪力墻。

表3 不同抗震性能標準的結構構件承載力設計要求

綜上所述，本工程為一般不規則結構，屬于高度超限的高層建筑，采用YJK 軟件分析本工程在罕遇地震作用下的靜力彈塑性，結果顯示，各種指標都顯示良好，大體上滿足規范性能目標D 的相關條件。

4 靜力彈塑性分析

靜力彈塑性分析采用EPDA&PUSH 軟件。經過對建筑物結構的彈塑性推覆剖釋，認識到在大震作用下，建筑物的結構構件進入塑性階段的水平以及結構的全局抗震性能，從而找到結構的關鍵薄弱環節，同時采取一定的加強辦法[4]。靜力彈塑性剖釋核算結果如表4 所示，在罕遇地震作用下，X 向和Y 向層間彈塑性位移角分別為1/123 和1/151，均滿足規范限值的規定。X 向的性能點曲線如圖3 所示，Y 向的性能點曲線如圖4 所示。

表4 靜力彈塑性剖釋核算結果

由圖3 中X 向性能點曲線可知：在達到性能點時，總加載步號為166.2 步，性能點基底剪力為37 085 kN，性能點頂點位移為581.9 mm，性能點對應的最大層間位移角為1/123（＜1/100），滿足大震作用下規范規定的變形要求。

圖3 X 向性能點曲線

由圖4 中Y 向性能點曲線可知：在達到性能點時，總加載步號為124.7 步，性能點基底剪力為37 779 kN，性能點頂點位移為525.9 mm，性能點對應的最大層間位移角為1/151（＜1/100），滿足大震作用下規范規定的變形要求。

圖4 Y 向性能點曲線

5 設計和抗震措施

為保證超限結構安全，可采取以下3 種加強措施。

（1）對于剪力墻，本工程屬剪力墻結構，其底部加強區滿足“中震抗彎部分屈服、抗剪不屈服”的要求，因此，在設計時，應提高一級抗震等級要求，即特一級抗震等級要求，并參考設防烈度地震下計算結果配置剪力墻豎向鋼筋和型鋼，通過提高約束邊緣構件的配筋率（大于1.4%）、豎向分布筋配筋率（大于0.4%）等措施提高底部加強區的剪力墻延性和承載能力。

（2）對于標準層平面凹凸不規則形成的樓板拐角區域等造成的樓板薄弱位置，可依據彈性樓板剖釋結論加強構件配筋，同時對樓板的抗剪截面進行驗算，確保樓板平面剪力的傳遞。

（3）扭轉不規則主要出現在塔樓的角部，設計時可采用減低角部部位上豎向構件的軸壓比、提升配箍率和配筋率等辦法，提高建筑物構件的延性，規避脆性損壞。

6 結語

本工程為一般不規則高度超限結構，抗震性能化目標為D。本文選用YJK 等幾種核算軟件對結構實行了核算剖釋，除了可確保結構在多遇地震下全部處于彈性狀態外，同時增加了關鍵部位的構件在設防地震和罕遇地震下的核算。結果顯示，各種目標都顯示良好，大體上滿足規范性能的相關條件。而且對關鍵性構件采用了加強措施，保證在地震作用下結構的延性并滿足了抗震性能目標。綜上可知，本工程結構是可行且安全的[5]。