上海市某鋼-混凝土上下混合超限結構抗震設計研究

曾凱，張帆 （深圳市華陽國際工程設計股份有限公司，深圳 518038）

1 工程概況

上海市某項目結構高度26.95m，地上3層，地下0層，由于建筑方案需求，上部塔樓為研發實驗室，采用鋼框架結構，下部大底盤為一層車庫，采用混凝土框架-剪力墻結構。

鋼結構樓層層高約6m，典型柱跨9m×13.5m，典型鋼柱截面H800×800×36×36，鋼梁截面 H700×400×24×36，樓板厚度為120mm（鋼筋桁架樓承板），柱、梁鋼材強度為Q355B，樓板混凝土強度等級為C35。大底盤樓層層高約8m，典型柱跨為9m×9m，型鋼混凝土柱截面為1200×1200（H800×800×36×36），剪力墻厚度為300mm，混凝土梁截面為400×900，樓板厚度為180mm，柱鋼材強度為Q355B，墻柱混凝土強度等級為C40，梁板混凝土強度等級為C35。

根據《上海市超限高層建筑抗震設防管理實施細則》，本結構體系為《抗規》、《高規》和《高鋼規》暫未列入的其他高層建筑結構，根據上海市《建筑抗震設計規程》（DGJ08-9-2013）采用抗震性能設計方法進行計算分析。要求整體性能目標達到Ⅳ類，考慮結構無豎向構件不連續項，剛度比、樓層承載力比值等結果均較好，不定義關鍵構件，大部分柱均按普通豎向構件標準控制。對底部裙房段的柱、墻及塔樓段底層柱，性能控制標準在普通豎向構件基礎上略作提高。

2 多遇地震及風荷載作用下的彈性分析

本文分別采用YJK及ETABS兩款軟件進行計算比較，按CQC法進行抗震計算及彈性時程補充分析計算，結構模型如圖1所示。

圖1 結構模型圖

表1為多遇地震及風荷載模型主要計算參數，表2列舉了兩款軟件計算水平地震和風荷載工況下的基底剪力和總彎矩，數據表明，在水平荷載作用下，計算結果差距較?。?%以內），兩種計算模型一致，表明模型計算結果是準確可信的。

多遇地震及風荷載模型主要計算參數 表1

水平力作用下的基底剪力及基底傾覆彎矩 表2

表3顯示了YJK與ETABS計算軟件輸荷載作用下最大層間位移角為1/1278，出現層間位移角分布情況。地震工況下最大層間位移角出現在3層，為1/676；50年風在3層，均滿足規范1/250要求。

水平荷載作用下樓層位移角 表3

彈性時程分析選用五條天然波（TR1～TR5）及兩條人工波（RG1～RG2）。考慮雙向地震作用（采用主、次波的方式）。地震加速度峰值調整成0.35m/s2，地震波振型阻尼比設為0.05，地震波時間間距設為0.02s。各地震波主方向反應譜曲線同規范反應譜的對比圖如圖2所示。

圖2 各地震波譜曲線與反應譜曲線圖

彈性時程分析與反應譜法計算結果對比如表4所示。從表4中可以看出，每條時程曲線計算所得結構底部剪力均處于振型分解反應譜計算結果的65%到135%的范圍，七條時程曲線計算所得結構底部剪力的平均值均處于振型分解反應譜計算結果的80%到120%的范圍，滿足《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ3-2010）第4.3.5條的規定。

各地震時程工況下的基底剪力及位移角 表4

3 設防地震分析

結構在中震作用下，要求底部裙房段框架柱、剪力墻，滿足承載力不屈服。上部塔樓段框架柱要求滿足應力比限值要求，主要計算參數見表5。

設防地震模型主要計算參數 表5

YJK中震不屈服計算結果顯示，底部裙房段框架柱、剪力墻，滿足承載力不屈服的性能水準；上部塔樓段框架柱要求滿足應力比限值要求。X向最大層間位移角為1/259，Y向為1/250，均小于規范限值（1/100）。

4 罕遇地震動力彈塑性分析

進行了三組大震地震記錄（兩組天然波，一組人工波）分析，每組地震動施加到模型（均按水平雙向地面加速度時程的形式）。主次方向分別按100%和85%幅值施加水平雙向地震動。圖3為選用的大震加速度記錄的反應譜（主方向）。

圖3 選用的大震加速度記錄的反應譜圖（主方向）

通過對比PKPM-SAUSAGE模型和YJK模型的主要分析結果，驗證PKPM-SAUSAGE模型分析結果的正確性。本項目的彈塑性分析模型（PKPMSAUSAGE模型）中，構件截面尺寸、材料強度等級，以及構件所配鋼筋都與彈性分析模型（YJK模型）一致，彈塑性分析模型的荷載和地址質量均取自彈性模型。

為驗證結構非線性特征，對比研究大震彈塑性與大震彈性時程的結構底部剪力，彈性分析模型單元網格劃分密度與彈塑性模型基本一致，阻尼均采用振型阻尼。表6為大震彈塑性分析與大震彈性時程分析結果對比。從表6中可以看出，大震彈塑性與大震彈性結構底部剪力的比值在66%～91%，包絡值顯示彈塑性結構底部剪力約為彈性結果的83%（X向）和69%（Y向），表明本塔樓在大震下非線性特征合理，地震能量得到了有效消散。

結構底部剪力主方向彈塑性和小震CQC結果比較 表6

為研究彈塑性與彈性分析模型樓層頂部位移時程變化情況，選取如圖4所示點P1點進行位移時程監控。彈塑性頂部位移約為彈性位移的90%～110%。

圖4 位移監控點示意圖

由表7可以看出，兩個方向最不利工況下層間位移角分別為1/52（X）和1/51（Y），所在樓層均為3層，滿足1/50的規范限值要求。

罕遇地震彈塑性樓層位移角 表7

5 結論

綜上分析，本結構在小、中、大震作用下所得結論如下。

①在小震作用下，各樓層水平地震剪力最小值均在規范限值要求范圍內；結構最大層間位移角在規范限值要求范圍內；時程分析中地震波選取符合規范要求，其結果合理有效，時程分析結果表明，各樓層不需要進行剪力放大。

②在中震作用下，底部裙房段框架柱、剪力墻，滿足承載力不屈服的性能水準；上部塔樓段框架柱滿足應力比限值要求。

③在大震作用下，最大樓層層間位移角發生在三層左右，最大值為1/51，滿足規范限值要求，彈塑性頂部位移約為彈性位移的90%～110%；整體鋼框架未損壞；剪力墻部分混凝土受壓損傷較大，鋼筋部分屈服，樓板混凝土受壓均未出現明顯損傷，鋼筋未屈服。

因此，可以判斷此結構是合理且能滿足規范要求的。