百酈灣項目超限復雜高層組合結構動力彈塑性分析

馮喜軍，周 磊，楊 杰，齊 欣

（1.甘肅建總置業發展有限公司，甘肅 蘭州 730050；2.甘肅建投科技研發有限公司，甘肅 蘭州 730050）

0 引言

對高層建筑而言，一般按照 GB 50011-2010《建筑抗震設計規范》［1］的“三水準，兩階段”進行高層結構的設計，而超限復雜高層建筑還需要進行專門的論證分析及研究。本文針對甘肅省一典型超限復雜高層項目——甘肅建投地產·百酈灣項目，進行罕遇地震作用下的動力彈塑性分析。采用 PERFORM 3D 軟件進行結構的非線性彈塑性分析，選取一組人工波和兩組天然波在大震作用下主要受力構件的力學性能，研究關鍵構件的受力變形特點，并提出有效的加強措施及建議，保證結構在大震下的安全可靠。

1 工程簡介

本項目位于蘭州市七里河區大灘村，南濱河路以南，T088# 規劃路以東，B097# 規劃路以北。本項目擬建一棟高層酒店辦公樓，總建筑面積約為 7.98 萬 m2。其中地上 25 層，地下 2 層，建筑面積約 5.83 萬 m2，結構高度 99.0 m。裙房為 6 層，高 28.1 m，建筑功能為辦公大堂及酒店大堂、商業、宴會廳及餐廳等。5F～13F 建筑功能為辦公，14F 為設備轉換層，15F～25F 建筑功能為酒店，其中在 23F 有一個兩層通高的室內泳池。其中 1 層高為 5.10 m，2 層至 4 層層高為 5.0 m，5F～13F 層高為 4.0 m，14F 設備層層高為 2.1 m，15F～22F 層高為 3.6 m，23F 層高為 4.1 m，24F 層高為 4.3 m，25F 層高為 3.6 m。建筑效果圖如圖 1 所示。

圖1 建筑效果圖

2 主要設計參數及荷載取值

本工程設計使用年限及耐久性均為 50 年，建筑結構安全等級為二級，γ0=1.0，設防分類為標準設防類（丙類），本工程與巖土直接接觸的基礎（含連系梁）、地下室底板兩側、側壁兩側、頂板外側、屋面及室外露天構件（含混凝土雨篷構件等）以及水池的環境類別為二 b 類，地下室內部的其他構件為二 a 類，其余構件為一類。

根據 GB 50011-2010《建筑抗震設計規范》，結構的抗震設防具體參數如表 1 所示。

表1 結構抗震設防的設計基本參數

3 結構體系及結構布置

本結構采用部分框支剪力墻結構（轉換層設置在 5F），其地下部分為兩層完整的全埋地下室，故結構嵌固端取在地下室頂板。結構整體三維模型如圖 2 所示。

圖2 結構整體三維計算模型圖

轉換柱為十工勁型鋼混凝土柱，截面尺寸為1 700 mm×1 700 mm（H1000×700×30×30），轉換梁為工形勁型鋼混凝土梁，截面尺寸為 1 700 mm×2 300 mm（H 1 800×700×30×30）上托 600 mm 厚鋼板剪力墻，鋼板厚 20 mm，轉換層樓板厚 180 mm，主要構件截面信息如表 2 所示。

表2 結構主要構件截面信息

根據住房和城鄉建設部發布的《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》（建質〔2015〕67 號）［2］，本建筑結構存在以下超限情況：

1）樓層總高度超部分框支剪力墻結構 A 級最大適用高度［3］；

2）裙房頂角部位移比＞1.3且＜1.4，塔樓位移比＜1.25，個別樓層質心存在偏心；

3）2F 酒店大堂上空和 5F 右側宴會廳上空樓板不連續；

4）剛度突變（13F，14F 設備層層高 2.1 m），豎向體型收進；

5）構件間斷（局部剪力墻不連續，在 5F 頂轉換）；

6）局部穿層柱、局部斜柱；

7）塔樓偏置；

8）局部高位托墻轉換（轉換層處于 5F）。

4 罕遇地震作用下動力彈塑性分析

本項目存在局部樓層質心偏心、酒店大堂及宴會廳樓板不連續等 8 項超限情況，屬于復雜超限高層建筑，應對其在大震作用下的動力彈塑性進行研究分析。

本項目采用 PERFORM 3D 軟件進行結構的非線性彈塑性分析，選取一組人工波和兩組天然波，分析結構在大震作用下，結構主要受力構件的力學性能、塑性發展分布及趨勢，考察整體結構的薄弱點及塑性發展機制，研究關鍵構件的受力變形特點，提出設計加強措施及建議，保證結構在大震下的安全可靠。

4.1 結構分析模型

在 PERFORM 3D 中建立空間三維非線性分析模型，需滿足如下條件：

1）剪力墻單元為 4 節點單元，具有平面內的彎曲、豎向拉壓和剪切行為，平面外則僅考慮受彎剛度；

2）墻單元截面采用含鋼筋纖維和混凝土纖維的纖維截面及非彈性剪切纖維來模擬，并通過這兩種纖維的軸向拉壓和彎曲來反應整片墻的平面內行為，可以模擬軸力P和彎矩M的相互作用以及中性軸的偏移，剪力墻中鋼筋的屈服利用鋼筋纖維材料的屈服來實現，剪力墻中混凝土的開裂及壓碎需要通過混凝土纖維材料的變形來模擬，而剪切行為的模擬則需要利用非彈性剪切材料來實現；

3）連梁采用跨中設置剪切鉸的桿單元模擬，框架梁、柱均采用集中塑性鉸模型，樓板采用剛度樓板假定；

4）結構荷載（恒載及活載）考慮為點、線荷載；

5）質量源按下式進行計算：W=1.0DL +0.5 LL。

4.2 罕遇地震作用下結構的層間位移角

本工程在大震作用條件下，輸入地震波主方向加速度值 400 cm/s2，選取一組人工波和兩組天然波分析結構的最大層間位移角是否超過規范限值，地震加載方式為主次波分別加載，并考慮三向地震作用。

結果表明，最大彈性位移角出現在輸入人工波 1 時，且以Y向為主方向輸入時地震反應大于以X方向為主方向，結構彈塑性層間位移角如圖 3、圖 4 所示。

圖3 人工波 1（主波以 X 向為主）層間位移角

圖4 人工波 1（主波以 Y 向為主）層間位移角

4.3 罕遇地震作用下結構構件性能

根據結構模型在人工波 1（主波以Y方向為主）的分析結果，結構在人工波 1（主波以Y向為主）罕遇地震作用下，框梁考察 LS 極限狀態（使用安全狀態），連梁考察 CP 極限狀態（防止倒塌狀態），主體結構中僅有部分框架梁、多數的連梁以及個別的剪力墻達到設定的變形和極限承載力狀態，滿足罕遇地震不倒的設計要求。其中轉換梁的受拉及受壓應變均處于較小狀態；轉換梁上一層的剪力墻處于設定的彈性剪切強度的 2 倍范圍內，需加 20 mm 厚鋼板以提高剪力墻的抗剪承載力并滿足剪力墻抗剪不屈服；框柱考察 IO 極限狀態（直接居住狀態），底層轉換柱鋼筋受拉應變超過屈服拉應變，故需加強轉換柱的配筋以滿足轉換柱在罕遇地震作用下不屈服。

5 結論

本文通過對超限復雜高層項目-甘肅建投地產·百酈灣項目進行大震下的動力彈塑性時程分析，結合結構層間位移角的對比和結構構件性能狀態的研究，得到以下結論：

1）結構在罕遇地震作用下，最大彈性位移角出現在輸入人工波 1 時，且以Y向為主方向輸入時地震反應大于以 X 方向為主方向。

2）在人工波 1（主波以Y方向為主）的分析結果中可以看出，剪力墻大部分連梁均出現了較為嚴重的受壓損傷，最大層間位移角出現在 24 層，滿足大震下層間位移角限值。

3）結構在人工波 1（主波以Y向為主）罕遇地震作用下，主體結構中僅有部分框架梁、多數的連梁以及個別的剪力墻達到設定的變形和極限承載力狀態，滿足罕遇地震不倒的設計要求。Q