超限高層剪力墻結構抗震分析

陳小康， 余 洋

(南京理工大學 理學院，江蘇 南京 210094）

我國中西部是地震烈度較高地區，對其進行地震響應分析不僅有理論價值，更關系到人民生命財產安全，所以對高烈度區超高層建筑進行地震響應分析非常必要。傳統的“三水準，兩階段”抗震設防思想已經很難滿足現在超高層及各種復雜建筑結構的需要，基于性能的抗震設計思想應運而生。美國應用技術委員會將罕遇地震作用下結構可能出現的狀態分為立即入住、損失控制、生命安全、結構失穩四種狀態[1～2]，同時給出了不同結構構件在不同性能水準下的彈塑性變形限值和結構非線性地震分析方法與步驟；汪夢甫等[3]總結了性能化設計的內容，給出了性能設計的整體流程圖以及各個設計中關鍵節點的分支圖，使讀者對基于性能的抗震設計思想有了整體上的了解；丁健[4]在研究分析現行基于力的抗震設計的基礎上，著重分析了基于位移及損傷抗震設計兩種方法的優缺點，提出了直接基于損傷性能能力設計方法來實現性能化設計。

本文基于性能的抗震設計方法，以實際工程為例，判別了其結構超限情況，針對具體的要求提出工程結構的抗震性能目標及采取的抗震設計分析方法；通過運用YJK 與PKPM 軟件對結構進行多遇地震下反應譜分析，補充彈性時程分析，考察結構指標是否滿足規范要求；采用YJK 軟件進行設防烈度下的中震彈性和中震不屈服分析，考察結構是否滿足規范要求；采用Midas 軟件在罕遇地震作用下進行靜力彈塑性分析，考察結構屈服機制、出鉸順序及在大震下的結構構件破壞。

1 超限工程概況

甘肅某房屋主體結構高143.1 m，標準層層高3.15 m，地上44 層，地下2 層，抗震設防烈度為8 度。地面以上2 層裙房首層層高5.700 m，二層層高5.100 m。主體為鋼筋混凝土剪力墻結構，見表1。

表1 結構基本參數

續表1

1.1 結構體系

為抵抗中震下剪力墻肢產生的拉力、增加剪力墻的延性，在底部加強部位比較重要的墻肢(外縱墻)增加型鋼。見表2。

表2 主要構件尺寸mm

1.2 結構超限情況

工程結構高度143.10 m，超過了8 度區剪力墻結構B 級高層130 m 的最大高度[5]；平面布置基本規則，首層頂板有效寬度＜30%，二層頂有局部框支，剛度比滿足要求。在規定水平力作用下位移比X 方向＜1.20。甘肅省地方規定高寬比＞5 即為超限建筑，本工程高寬比8.08，超過規定限值60.6%，為甘肅省超限項目。

2 超限高層抗震響應分析

2.1 抗震設計性能目標

分別采用不同力學模型的結構分析軟件PKPM、YJK、和Midas Building 相互校核分析，確保結構在小震作用下各項指標符合規范要求，采用彈性時程分析法對結構在小震作用下進行補充計算。中震計算取GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》提供的地震動參數，適當考慮偶然偏心（取3%），采用Midas 軟件進行靜力彈塑性分析，觀察結構在罕遇地震力作用下的塑性鉸發展趨勢，檢驗結構是否滿足規范對彈塑性變形要求的限值。

根據建筑的功能重要性以及所在地區，擬定抗震性能目標為D級[5]。見表3。

表3 主要構件的性能目標

2.2 結果分析

2.2.1 多遇地震反應譜

多遇地震下的計算見表4。

表4 多遇地震主要計算結果

2.2.2 彈性時程

GB 50011—2010 規定，抗震設防烈度8 度區且高度超過80 m 的高層建筑應采用時程分析法進行多遇地震的補充計算。

本工程彈性時程計算采用YJK 軟件，阻尼比為0.05，計算時共選用7 條波，其中5 條天然波和2 條人 工波，時程分析結果見表5。

表5 時程分析結果

2.2.3 中震結果分析

由于工程高度超限，為提高結構安全水平，對底部加強區剪力墻和框架柱的抗剪承載力按中震彈性設計，對于底部加強區剪力墻和框架柱的抗彎承載力按中震不屈服設計。見表6。

表6 中震設計參數

計算程序采用YJK軟件，結果表明：剪力墻抗剪承載力滿足中震彈性設防目標，少量連梁和樓面梁超配筋；剪力墻抗彎承載力達到了中震不屈服的設防目標。

2.2.4 大震結果分析

1）截面控制。采用Midas軟件進行了大震作用下靜力彈塑性分析，判斷大震作用下建筑物是否倒塌，找到大震作用下的薄弱部位并采取構造加強措施，保證抗震性能目標的實現。見表7。

表7 大震分析參數

抗剪承載力根據GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》11.7.3 節計算，結果表明：墻肢大震下受剪截面控制能夠保證。

2）靜力彈塑性。非線性地震反應分析采用的是靜力彈塑性分析方法并結合了以性能為基本的抗震設計理論。采用Midas 軟件進行Pushover 分析，分別在各框架梁的梁端、柱端以及剪力墻體中設置彎矩鉸，在鋼筋混凝土墻體中設置軸力彎矩鉸。定義各鉸的性能骨架曲線。見圖1。

圖1 性能狀態曲線

圖1中，兩條譜的交點也稱之為性能目標點，若處在目標性能范圍內，即可表明結構為達到了預定目標要求。

水平荷載分布模式按加速度常量，根據pushover分析，第一振型形式為X 向的平動，第二振型形式為Y向的平動。見圖2。

圖2 結構振型

在側向推覆中，考慮1.0×恒載標準值+0.5×活載標準值豎向荷載組合作為初始工況，材料強度取用標準值。見圖3。

圖3 結構能力曲線

在X 向推覆的情況下，目標性能控制點所對應的基底剪力約為96 690 kN，此時結構的頂點位移約為0.235 9 m，最大層間位移角為1/415；在Y 向推覆的情況下，目標性能控制點所對應的基底剪力約為119 000 kN，此時結構的結構頂點位移約為0.291 2 m，最大層間位移角為1/388。見圖4。

圖4 性能控制點對應的結構位移角

3 結論

小震反應譜及彈性時程分析計算分析結果表明，結構的平面較規則，豎向剛度較均勻，變形滿足要求。中震作用下，底部加強部位剪力墻抗剪保持彈性狀態，其余豎向構件允許部分進入屈服狀態。主體結構無明顯的薄弱環節，整個結構具有良好的空間效應。在罕遇地震作用，結構表現出良好的耗能性和延性。總體上結構具有良好的結構剛度以及耗能性，能夠達到抗震性能水準D級的要求。