某平面超限高層住宅結(jié)構(gòu)分析與性能設(shè)計(jì)

矯良健JIAO Liang-jian

（重慶市設(shè)計(jì)院有限公司，重慶400000）

1 概述

1.1 工程概況

重慶瑞安天地房地產(chǎn)發(fā)展有限公司（甲方）擬在渝中區(qū)化龍橋進(jìn)行化龍橋片區(qū)B5/03，B10/03 地塊建設(shè)。本項(xiàng)目包括B05-1#~5# 及B10-1#、2# 住宅、臨街商業(yè)、配套設(shè)施，地下車(chē)庫(kù)、設(shè)備用房等。項(xiàng)目總面積175675 平方米。本項(xiàng)目B5-5#樓為超限高層建筑。

1.2 結(jié)構(gòu)超限情況

本項(xiàng)目B5-5# 樓為超限高層建筑。（表1）

表1 B5-5# 樓超限評(píng)價(jià)表

B5-5#樓結(jié)構(gòu)其他薄弱部位：

①建筑1F 層高較高（5.1m），層高形成突變。②兩棟樓在客廳處為保證建筑效果，局部柱單側(cè)無(wú)梁拉結(jié)。

1.3 抗震設(shè)計(jì)性能目標(biāo)

由于B5-5#樓屬于B 類(lèi)型高度結(jié)構(gòu)形式，按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》第3.4、3.10 節(jié)，《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第3.11 整體性能目標(biāo)D 級(jí)。需要對(duì)其進(jìn)行抗震性能優(yōu)化處理。

考慮到《高規(guī)》相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)性能目標(biāo)確定的方法（“房屋高度超過(guò)B 級(jí)或不規(guī)則性超過(guò)適用范圍較多時(shí)，可以采用C 級(jí)的形式；當(dāng)高度大于A 級(jí)或是屬于不規(guī)則體系時(shí)，則可以按照C 級(jí)或是D 級(jí)選擇），按照該工程的實(shí)際情況本工程主要采用的是D 級(jí)的抗震性能要求。

1.4 針對(duì)性設(shè)計(jì)措施

1.4.1 計(jì)算措施

①選擇YJK 與Midas building 力學(xué)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)程序分析計(jì)算，對(duì)兩種程序的計(jì)算結(jié)果經(jīng)分析和比較后用于構(gòu)件的設(shè)計(jì)。

②選用地震波共7 組（人工波2 組，天然波5 組），進(jìn)行彈性時(shí)程分析以校核結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)、構(gòu)件內(nèi)力及位移。

③進(jìn)行動(dòng)力彈塑形補(bǔ)充計(jì)算，分析結(jié)構(gòu)彈塑性性能，校核結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否達(dá)到預(yù)設(shè)性能目標(biāo)。

④對(duì)于兩側(cè)收進(jìn)的不利部位，驗(yàn)算罕遇地震下連接部位的樓板應(yīng)力，保證樓板剪應(yīng)力不超過(guò)抗拉強(qiáng)度。

表2 B5-5# 樓抗震設(shè)計(jì)性能目標(biāo)表

⑤單側(cè)無(wú)拉結(jié)柱屈曲分析。

1.4.2 構(gòu)造加強(qiáng)措施

①對(duì)于單側(cè)無(wú)梁拉結(jié)的柱，采用鋼骨柱增加其剛度以及延性，相鄰樓板加厚至200 厚并設(shè)置暗梁，以增強(qiáng)對(duì)柱的約束作用。

②首層結(jié)構(gòu)交稿采用剪力墻形式造價(jià)端柱，配筋率按照設(shè)計(jì)規(guī)范提升到0.35%。三層整體樓層的厚度需要≥120mm，板配筋雙層雙向，配筋率不小于0.25%。

③兩側(cè)收進(jìn)部分設(shè)備平臺(tái)板加厚至150 厚，相鄰樓板加厚至120 厚，配筋率提高至0.25%，以保證樓板的有效連接。

2 彈性分析

2.1 結(jié)構(gòu)分析軟件、分析模型

在分析的過(guò)程中，先后利用YJK 和MIDAS Buildin 程序進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算后得到結(jié)果進(jìn)行核對(duì)配置，最終確定模型參數(shù)。

2.2 振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)構(gòu)的主要控制指標(biāo)

2.2.1 質(zhì)量

表3 質(zhì)量統(tǒng)計(jì)表（嵌固層以上）

2.2.2 周期和振型

分別計(jì)算B5-5#塔樓結(jié)構(gòu)的前30 個(gè)周期振型，列出塔樓結(jié)構(gòu)的前6 個(gè)振型的周期值和振型描述：

如表4 所示，兩個(gè)軟件計(jì)算的周期振型接近，第一扭轉(zhuǎn)周期Tt 與第一平動(dòng)周期的比值Tt/T1 滿足《高規(guī)》（JGJ 3-2010）的要求。

表4 B5-5# 樓周期振型統(tǒng)計(jì)表

2.2.3 地震樓層剪力和剪重比

根據(jù)抗震規(guī)范（GB50011-2010）5.2.5 條，剪重比應(yīng)達(dá)到0.64%（X 向），0.63%（Y 向）。通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，滿足該指標(biāo)。不需調(diào)整。從兩個(gè)軟件對(duì)比結(jié)果來(lái)看，可以看出二者計(jì)算結(jié)果相近，規(guī)律性一致，均滿足規(guī)范要求。

2.2.4 水平作用下結(jié)構(gòu)的位移

X 向地震作用下，樓層豎向構(gòu)件最大位移（或?qū)娱g位移）與平均值之比最大為1.14；Y 向地震作用下，樓層豎向構(gòu)件最大位移（或?qū)娱g位移）與平均值之比最大為1.19。不超過(guò)規(guī)范中彈性水平位移（或?qū)娱g位移）的最大值與平均值之比不大于1.2 的要求。兩個(gè)方向最大層間位移角均滿足規(guī)范要求。

2.2.5 樓層剛度比，抗剪承載力比

由計(jì)算結(jié)果可知，各層側(cè)向剛度與相鄰上層側(cè)向剛度的比值均滿足規(guī)范要求。

由計(jì)算結(jié)果可知，各層抗剪承載力比均大于0.8，滿足規(guī)范要求。

2.2.6 整體穩(wěn)定

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》要求：

高層建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定應(yīng)符合下列規(guī)定：

式中EJd——結(jié)構(gòu)一個(gè)主要軸方向彈性等效測(cè)量剛度，可以根據(jù)倒三角分布荷載作用對(duì)定點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行分析。而后把結(jié)構(gòu)中的側(cè)向剛度進(jìn)行則算，時(shí)下能夠轉(zhuǎn)換為豎向懸臂彎矩構(gòu)建的剛度效應(yīng)；

H——房屋高度；

Gi——第i 樓層重力荷載設(shè)計(jì)值；

表5 結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定（剛重比）驗(yàn)算結(jié)果

能夠通過(guò)高規(guī)（5.4.4）的整體穩(wěn)定驗(yàn)算，但剛重比小于2.7，要考慮重力二階效應(yīng)。

2.2.7 框架柱傾覆彎矩

表6 框架承擔(dān)百分比

根據(jù)以上結(jié)果，框架柱承擔(dān)的傾覆彎矩百分比不超過(guò)10%，為剪力墻結(jié)構(gòu)。

2.2.8 軸壓比

B5-5#樓為剪力墻結(jié)構(gòu)，剪力墻抗震等級(jí)為二級(jí)。剪力墻底部加強(qiáng)部位的軸壓比限值為0.60。剪力墻計(jì)算最大軸壓比為0.58，滿足規(guī)范要求。

2.2.9 中震作用下結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件拉應(yīng)力分析

根據(jù)建質(zhì)[2015]67 號(hào)文《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專(zhuān)項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》第十二條（四）的規(guī)定，需要驗(yàn)算中震雙向水平地震力與重力荷載代表值組合情況下豎向構(gòu)件截面名義拉應(yīng)力，對(duì)出現(xiàn)拉應(yīng)力的關(guān)鍵構(gòu)件需提高偏拉構(gòu)件抗震等級(jí)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，本項(xiàng)目各層剪力墻在中震下均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件仍具有良好的抗剪承載力。故本結(jié)構(gòu)各層豎向構(gòu)件抗震等級(jí)不需提高。

2.2.10 振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算總結(jié)

本工程采用YJK 軟件進(jìn)行計(jì)算。B5-5#棟的各計(jì)算結(jié)果數(shù)值上均滿足規(guī)范要求?？傮w上結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度及樓層受剪承載力曲線沿高度比較平滑，結(jié)構(gòu)在水平作用下的側(cè)向位移沿高度均勻分布，無(wú)明顯結(jié)構(gòu)薄弱部位。

2.3 結(jié)構(gòu)彈性時(shí)程反應(yīng)分析

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）中的相關(guān)規(guī)范要求，時(shí)程分析所采用的加速度時(shí)程曲線，“涉及平均地震影響數(shù)曲線和振型分解產(chǎn)生的反應(yīng)，采取地震影響系數(shù)曲線進(jìn)行比較分析，能夠了解結(jié)果彈性時(shí)程反應(yīng)結(jié)果”，根據(jù)本工程結(jié)構(gòu)周期，場(chǎng)地類(lèi)別以及本工程的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，選出五條天然波和兩條人工波。彈性時(shí)程分析采用YJK 進(jìn)行計(jì)算分析。

結(jié)構(gòu)彈性時(shí)程分析總結(jié)：

彈性時(shí)程分析選用了7 條地震波進(jìn)行計(jì)算。每條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力及7 條波計(jì)算的平均底部剪力與振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果之間的差值均滿足規(guī)范要求。B5-5#樓時(shí)程分析表明：在X 向7 條時(shí)程波計(jì)算的樓層底部剪力平均值為反映譜的計(jì)算值93%，最大值為反應(yīng)譜值的108%；在Y 向計(jì)算的樓層底部剪力平均值為反應(yīng)譜的計(jì)算值98%，最大值為反應(yīng)譜值的106%。最小剪重比調(diào)整后的振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果能夠包絡(luò)時(shí)程法計(jì)算結(jié)果。

時(shí)程分析計(jì)算的結(jié)構(gòu)的變形指標(biāo)與規(guī)律均與振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果接近，驗(yàn)證了振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算的合理性。

3 塔樓動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析

3.1 分析軟件

在進(jìn)行彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析環(huán)節(jié)，主要采用YJK 軟件進(jìn)行相關(guān)參數(shù)分析。而鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)單元的參照彈性設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與相關(guān)的要求進(jìn)行配置。

3.2 分析模型和計(jì)算假定

B5-5 棟選用天然波3 分別作用于結(jié)構(gòu)X、Y 方向上，進(jìn)行大震彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析。

3.3 大震彈塑性時(shí)程分析主要計(jì)算結(jié)果

3.3.1 樓層最大層間位移及層間位移角

通過(guò)分析計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，選擇彈性動(dòng)力時(shí)程分析能夠獲取鄉(xiāng)音的位移角度，也就是說(shuō)在X 地震作用下樓層相互之間的位移最大角度為1/301，在Y 向地震作用條件下，樓層的位移角度為1/295，這就說(shuō)明該取值能滿足抗震要求。

3.3.2 受壓、受拉損傷分布及分析

在大震的作用下B5-5#樓結(jié)構(gòu)體系均出現(xiàn)輕微的拉傷情況，結(jié)構(gòu)層之間的受損范圍在不斷的造價(jià)。這表明在大震條件下，連梁收到的影響很大，但是觀察分析可發(fā)現(xiàn)損傷的位置都在連梁兩端位置。綜合結(jié)構(gòu)層位移及層間位移角指標(biāo)，驗(yàn)證了在大震下，結(jié)構(gòu)整體塑性發(fā)展程度有限，無(wú)明顯薄弱層，結(jié)構(gòu)體系中的各構(gòu)件均能達(dá)到性能目標(biāo)的要求。

3.4 動(dòng)力彈塑性分析總結(jié)

通過(guò)對(duì)設(shè)防地震和罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)動(dòng)力彈塑性分析結(jié)果的分析，總結(jié)如下：

①連梁塑性鉸均出現(xiàn)在連梁梁端，大震作用下框架梁端損傷數(shù)量及程度比中震作用下有明顯增加。而在中震及大震作用下底部加強(qiáng)區(qū)的剪力墻損傷程度均不大；

②剪力墻損傷主要出現(xiàn)在：

1）與連梁相接區(qū)域。該區(qū)域優(yōu)先出現(xiàn)塑形鉸，可提高結(jié)構(gòu)整體柔度，降低后續(xù)地震作用，增強(qiáng)耗能，使結(jié)構(gòu)在罕遇地震中達(dá)到性能目標(biāo)；

2）剪力墻翼墻在大震作用下，局部區(qū)域出現(xiàn)塑性鉸。

通過(guò)對(duì)上述動(dòng)力彈塑性分析結(jié)果的分析總結(jié)，可以發(fā)現(xiàn)在大震作用下，大部分剪力墻連梁及周邊洞口區(qū)域的損傷發(fā)展程度加深，損傷區(qū)域一定程度上擴(kuò)大。結(jié)構(gòu)變形滿足規(guī)范限值。通過(guò)上述結(jié)果分析可知，其變形能力與內(nèi)力參數(shù)均達(dá)到了結(jié)構(gòu)抗震性能的基礎(chǔ)要求，穩(wěn)定系數(shù)較強(qiáng)。

4 價(jià)值結(jié)果

本項(xiàng)目B5-5#為超限高層結(jié)構(gòu)，采用了剪力墻結(jié)構(gòu)體系。并針對(duì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)采取了一系列抗震計(jì)算及抗震構(gòu)造加強(qiáng)措施，同時(shí)采用兩個(gè)有效的程序進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果可信且滿足規(guī)范要求。