低烈度區(qū)風控超限高層結(jié)構(gòu)分析

鮑侃袁， 倪聞昊

（杭州園林設(shè)計院股份有限公司，杭州 310007）

0 引言

我國目前抗震分析主要基于小震分析，即使大震動力彈塑性分析也是按小震彈性分析計算結(jié)果作為配筋，提供罕遇地震下動力彈塑性分析模型的數(shù)據(jù)來源，研究在罕遇地震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)、抗震性能、薄弱部位，對結(jié)構(gòu)是否滿足預(yù)期性能目標進行了復核驗算和薄弱環(huán)節(jié)加強［1］。過去對基于小震設(shè)計相對于國外標準配筋量明顯偏低，為了實現(xiàn)兩階段三水準抗震設(shè)計方法［2］，實際上我們通過一系列的抗震調(diào)整及構(gòu)造措施來保證。低烈度區(qū)按小震設(shè)計往往可以基本保證大震不倒，有觀點認為無需進行超限分析和大震彈塑性分析，但結(jié)構(gòu)可能具有明顯的損傷，影響后續(xù)功能發(fā)揮。從小震分析到性能化設(shè)計的要求不是簡單的提高和放大，而正是側(cè)重概念設(shè)計［3］。在實際地震下，找出結(jié)構(gòu)薄弱部位，對于不可避免的出現(xiàn)損傷和破壞將導致結(jié)構(gòu)剛度不均勻變化，發(fā)生內(nèi)力重分布。眾所周知小震設(shè)計基于彈性無法考察彈塑性狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的反應(yīng)特性，因此低烈度區(qū)的超限高層對于剛度的控制因素也許在于風荷載，然而性能化設(shè)計也是一項不可缺少的工作［4］。針對在預(yù)期性能目標下結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)滿足的宏觀損傷程度，對結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行詳細的復核，通過合理的加強措施滿足性能目標的要求。另一方面低烈度區(qū)超限高層在滿足抗震性能化指標后，風荷載成為結(jié)構(gòu)合理性布置的另一個重要因素。風荷載屬于頻遇荷載，結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)。對于高寬比較大的結(jié)構(gòu)，位移角受風荷載的控制［5］，尤其是橫風向的影響尤為突出。文中以某沿海低烈度地區(qū)超限高層結(jié)構(gòu)為例，分析此結(jié)構(gòu)在各水準烈度下的抗震性能及順風向和橫風向下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)特性，總結(jié)得出在地震工況結(jié)構(gòu)損傷并不嚴重的情況下，由風荷載控制的設(shè)計方法。

1 工程概況

文中分析的某工程位于沿海地區(qū)，抗震設(shè)防類別為丙類。建筑高度147.92m（幕墻高度153.9m），43層，首層架空層高6.0m，采用鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)豎向抗側(cè)力構(gòu)件均上、下連續(xù)貫通，樓蓋采用現(xiàn)澆混凝土梁板結(jié)構(gòu)，洞口上下對齊，形成明確的墻肢和連梁，確保剪力墻具有適宜的側(cè)向剛度抵抗水平荷載。

工程抗震設(shè)防烈度6度，設(shè)計基本地震加速度峰值0.05g，建筑場地類別Ⅲ類場地，設(shè)計地震分組為第一組，多遇地震時特征周期0.45S。圖1給出了此樓標準層結(jié)構(gòu)平面布置圖。在多遇地震、設(shè)防烈度地震和罕遇地震下分別選用1、4、5的性能水準，并保證關(guān)鍵構(gòu)件在大震下不應(yīng)屈服。

圖1 標準層結(jié)構(gòu)平面

風荷載按B類地面粗糙度選取，基本風壓0.45kN/m2［6］，高寬比約8.2。屬于對橫風向風振作用效應(yīng)明顯的結(jié)構(gòu)，所以計算時考慮結(jié)構(gòu)橫風向風振影響的影響［7］。承載力設(shè)計時風壓按基本風壓的1.1倍選取。

2 抗震分析

結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下具有良好的抗震性能。設(shè)防烈度下的中震分析，計算地震作用時不考慮與抗震等級有關(guān)的增大系數(shù)。中震等效彈性法結(jié)構(gòu)層間位移角能夠滿足規(guī)范要求。關(guān)鍵構(gòu)件的抗震承載力滿足不屈服，普通豎向構(gòu)件抗剪滿足最小抗剪截面要求，耗能構(gòu)件大部分允許屈服。結(jié)構(gòu)中震分析的結(jié)構(gòu)整體計算結(jié)果滿足所提出的抗震性能目標。罕遇地震下的分析，結(jié)構(gòu)彈塑性分析可根據(jù)性能目標所預(yù)期的結(jié)構(gòu)彈塑性狀態(tài)。允許連梁發(fā)生較大程度的破壞，連梁剛度折減取0.5［8］。大震等效彈性法計算所得的層間位移角能滿足小于1/111震性能目標。罕遇地震動力彈塑性分析的目的是針對結(jié)構(gòu)薄弱部位和薄弱構(gòu)件提出相應(yīng)的加強措施。工程的天然波采用了兩組實際強震記錄的加速度時程曲線，采用《抗規(guī)》3.10.4條建議辦法計算調(diào)整后的彈塑性時程層間位移角，彈塑性層間位移角參考值滿足預(yù)期性能目標位移角限值1/111的要求。

根據(jù)SSG計算結(jié)果判斷，給出彈性時程與彈塑性時程分析下的基底剪力時程曲線以及頂層位移時程曲線。選取一個節(jié)點的彈塑性動力時程結(jié)果與彈性動力時程結(jié)果對比。

在開始段彈性時程分析的基底剪力與彈塑性時程分析的基底剪力基本一致，曲線基本重合，隨著地震能量的輸入結(jié)構(gòu)中有構(gòu)件進入屈服，結(jié)構(gòu)阻尼增大，周期變長，彈塑性時程分析剪力逐漸小于彈性時程分析的剪力，并且彈塑性時程分析剪力大小變化開始滯后于彈性時程分析結(jié)果［9］，但后期彈性和彈塑性的基底剪力相差并不明顯，可見結(jié)構(gòu)損傷并不嚴重。

由圖2可知，在開始段彈性時程分析的層間位移以及位移與彈塑性時程分析的層間位移以及位移基本一致，曲線基本重合，但隨著結(jié)構(gòu)中有構(gòu)件進入塑性，兩者的層位移及位移時程曲線差異逐漸增大，但是結(jié)構(gòu)的振動周期基本與彈性時程分析持平，意味著結(jié)構(gòu)的水平抗側(cè)力剛度退化的比例很小。在考慮重力二階效應(yīng)及大變形的條件下，在罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)最大頂點位移X向為0.326m、Y向為0.498m，結(jié)構(gòu)最終仍能保持直立，滿足“大震不倒”的設(shè)防要求。主體結(jié)構(gòu)在地震波作用下的最大彈塑性層間位移角參考值X向為1/290、Y向為1/204，滿足1/111限值要求。結(jié)構(gòu)的彈塑性層間位移角曲線總體較光滑；從天然波Y主方向作用下的基底剪力及位移時程曲線對比，也表明結(jié)構(gòu)進入塑性不明顯，結(jié)構(gòu)大部分構(gòu)件仍處于彈性狀態(tài)，隨著時間的延長，結(jié)構(gòu)在彈塑性下有一定的反應(yīng)滯后現(xiàn)象。

圖2 頂點Y向位移時程曲線

在彈塑性分析模型中，通過對圖3剪力墻受壓損傷圖和剪力墻性能水準圖的損傷情況分析得出：

圖3 剪力墻、柱全樓性能水準圖（南）

（1） 由于設(shè)置合理的剪力墻開洞形成連梁，連梁在大震下?lián)p傷耗能效果明顯，從而保護了主承重墻肢，大部分剪力墻未出現(xiàn)明顯的損傷。剪力墻和柱在大震下并未發(fā)生塑性變形，部分豎向構(gòu)件出現(xiàn)輕微損壞，極個別豎向構(gòu)件出現(xiàn)輕度損壞。

（2） 從圖4可知底部加強區(qū)墻肢大部分無損壞，部分小墻肢出現(xiàn)輕微損壞，有極個別豎向構(gòu)件出現(xiàn)輕度損壞。

圖4 剪力墻性能水準圖（底部加強部位南視圖）

（3） 非底部加強區(qū)剪力墻大部分無損壞，部分小墻肢出現(xiàn)輕微損壞，有極個別的豎向構(gòu)件出現(xiàn)了輕度損壞。

（4） 混凝土墻鋼筋均無塑性應(yīng)變。對破壞較嚴重的連梁，在采用等效彈性模型進行施工圖設(shè)計時，對其剛度系數(shù)進行合適的折減。可見剪力墻、框架柱及梁、柱均未出現(xiàn)嚴重損傷，可以滿足整體結(jié)構(gòu)大震下性能水準5。

3 風荷載作用分析

工程風荷載分析設(shè)計中，工程計算位移角時X向順風向干擾系數(shù)取1.05，Y向順風向干擾系數(shù)取1.05；考慮由于漩渦的相互干擾，房屋某些部位的局部風壓顯著增大，工程在建筑承載力設(shè)計時基本風壓放大1.1倍的基礎(chǔ)上再放大1.1/1.05倍［10］。橫風向干擾系數(shù)X、Y向均取1.2。考慮干擾系數(shù)后［11］，順風向X向體型系數(shù)取為1.52×1.05=1.60，Y向體型系數(shù)取為1.44×1.05=1.51；結(jié)構(gòu)第一階自振周期為4.26s，第二階自振周期為4.09s。回代自振周期后，橫風向最大位移角為1/769，超出了規(guī)范限制。此超高層地震作用下能滿足抗震性能的目標，局部調(diào)整墻肢及進行相應(yīng)的周期回代還是無法滿足橫風向下的位移限值要求［12］。

規(guī)范對于高寬比在4～8之間，給出了相應(yīng)的計算橫風向等效荷載的計算公式，對于項目高寬比大于8的情況，廣義力功率譜與高寬比的關(guān)系曲線不再單調(diào)，因此對于超過規(guī)范高寬比限值的結(jié)構(gòu)，采用規(guī)范提供的橫風向風振的計算方法值得驗證，為了能夠準確計算橫風向風振對于結(jié)構(gòu)的影響，應(yīng)采用風洞試驗的實際數(shù)據(jù)，而不能夠采用規(guī)范的簡化公式。

然而對于在一定高寬比下落入了相應(yīng)自振周期下的橫風向敏感區(qū)域的結(jié)構(gòu)，是否必須采用風洞試驗考察橫風向影響？事實上計算橫風向風荷載下的自振周期，也可以考慮填充墻影響的周期折減，這樣橫風向風荷載的計算跳出了相應(yīng)自振周期的敏感區(qū)域，大大減少橫風向效應(yīng)［13］。

在順風向風荷載作用下，項目樓層頂部Y向最大位移為112.27mm，約等于總高度的1/1229；如圖5所示，在X向橫風向風荷載作用下，樓層頂部Y向最大位移為144.38mm，約等于總高度的1/955。

圖5 橫風向最大層間位移角

對于超高層建筑必要時進行風洞實驗，以實際反映風荷載的分布及周邊建筑的影響。對于橫風向及順風向的體型系數(shù)有較準確的模擬。風洞風傾覆彎矩不小于規(guī)范風的80%，以保證風洞風數(shù)據(jù)的合理性。風洞風荷載下位移角要與規(guī)范風荷載對比，但某些構(gòu)件的應(yīng)力比可能要高于規(guī)范風荷載。

因此綜合結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟性，后續(xù)分析設(shè)計按規(guī)范風荷載和風洞風荷載進行包絡(luò)設(shè)計，位移角及舒適度計算采用規(guī)范風荷載值，采用規(guī)范風荷載計算時可以不考慮橫風向風荷載和扭轉(zhuǎn)風荷載。

4 結(jié)語

文中對低烈度區(qū)的超限高層進行了的抗震性能化設(shè)計分析，通過預(yù)設(shè)的性能目標合理優(yōu)化布置結(jié)構(gòu)，分析結(jié)構(gòu)中大震下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)，彈性和彈塑性的基底剪力相差并不明顯，選取節(jié)點的位移時程曲線滯后不多，可見結(jié)構(gòu)損傷并不嚴重。然而結(jié)構(gòu)的高寬比較大，自振周期落入橫風向敏感區(qū)域，并且結(jié)構(gòu)的特定體型不適合規(guī)范所提供的橫風向計算方法，通過合理的周期折減，重新計算橫風向作用，使得結(jié)構(gòu)在滿足抗震性能要求下，結(jié)構(gòu)的自振往往可以跳出橫風向明感區(qū)域，同時滿足風荷載下的位移限值。因此可以得出如下結(jié)論：

（1） 低烈度區(qū)超高層對于抗震性能性能化分析及橫順風荷載反應(yīng)分析都是必要的。

（2） 低烈度區(qū)結(jié)構(gòu)即使在大震下結(jié)構(gòu)損傷也不明顯。

（3） 層間位移角往往由風荷載控制，橫風向響應(yīng)的計算不能簡單地套用規(guī)范公式，必要時采用風洞試驗驗證高寬比與其廣義力功率譜的關(guān)系，也可以試圖采用周期折減等方法，避開橫風向敏感的區(qū)段，從而簡化設(shè)計程序。