某高層辦公樓結構抗震性能分析

吳穎

中鐵上海設計院集團有限公司 上海 200070

1 工程概況

某高層辦公樓采用鋼框架結構，結構高度為47.1m。地下2層，地上11層，首層和二層層高4.5m，其余層層高4.2m。結構的安全等級為二級，設計基準期為50年，抗震設防烈度為7度（0.10 g），抗震設防類別為丙類，場地類別為Ⅳ類。計算三維模型見圖1。

圖1 計算三維模型

由于建筑造型導致底部兩層收進與架空，存在豎向構件不連續的情況，針對不連續的豎向構件，采用了斜柱進行轉換。因建筑內部空間要求，底層設兩層通高的辦公大堂，存在穿層柱、二層樓板不連續。此外，由于建筑造型及功能要求，十層結構收進大于相鄰下層的25%。綜上所述，結構存在扭轉不規則、樓板不連續、側向剛度不規則、豎向抗側力構件不連續4項一般不規則條目，無特別不規則條目，判定屬于超限高層建筑。

結構抗震性能目標根據抗震設防類別、設防烈度、場地條件、結構的特殊性、建造費用、震后損失和修復難易程度等各項因素綜合考慮后確定。根據該結構的自身特殊性，針對其結構體系特點及超限情況，結合《高鋼規》[1]，設定本單體的抗震性能目標為C級，詳表1。

表1 抗震性能目標

2 多遇地震作用下彈性計算分析

考慮到結構的復雜性，計算分析采用兩種符合實際情況的不同力學模型的空間有限元分析程序YJK和MIDAS進行分析比較，并采用考慮扭轉耦聯的振型分解反應譜法，保證分析的準確性和完整性。計算結果均滿足規范要求，說明計算結果合理、有效，計算模型符合結構的實際工作狀況。且兩種計算軟件的分析結果接近，結構動力特性基本吻合，結構的自振周期、層間位移角、位移比等指標接近，誤差在模型計算可接受范圍，詳見表2。

表2 結構方案指標對比

3 罕遇地震作用下彈塑性計算分析

彈塑性時程分析方法把結構作為彈塑性振動體系，輸入地震波數據，計算分析在地面加速度隨時間變化的期間內，結構內力、變形隨時間變化的全過程。結構彈塑性分析模型根據構件的實際配筋搭建，通過對材料本構關系的定義可以模擬構件的實際力學性能，通過地震波的完整輸入可以反映結構的實際地震響應，結構彈塑性動力時程分析是一種精度及可靠性均很高的用于考察結構實際抗震性能的分析方法。

本工程進行彈塑性時程分析的主要目的為：對結構進行性能評估，分析結構在罕遇地震作用下的最大彈塑性層間位移角能否滿足規范的要求；得到滿足工程精度要求的計算結果，為設計提供依據。詳細來說是為了發現結構在大震作用下的潛在破壞機制，找出相應的薄弱部分，從而加強薄弱部分，使結構整體達到預定的抗震性能要求。

計算軟件采用高性能結構動力彈塑性計算軟件PKPMSAUSAGE。鋼材采用雙線性隨動硬化模型，不考慮剛度退化。鋼材的強屈比為1.25，極限應力對應的極限塑性應變為0.025。桿件非線性模型采用纖維束模型，用于模擬梁、柱、斜撐和桁架等構件。

本工程選用特征周期1.1s的三組地震波進行大震下的動力彈塑性時程分析[2]，其中采用兩組天然波H001TG110_CHUETSU-OKI_7-16-2007_NIG014、SHW11及一組人工波SHW8進行計算。

為了確保Sausage分析模型的準確性，與YJK模型對比主要自振周期，見表3。兩個軟件計算的前三階自振周期差異在5%以內，說明Sausage模型計算具有一定的可靠性。

表3 結構自振特性

圖2為各地震波的最大層間位移角曲線，結構在罕遇地震作用下X、Y兩個方向平均層間位移角均滿足規范中彈塑性層間位移角限值1/50的限值要求，從層間位移角曲線未發現明顯的薄弱層。

圖2 層間位移角

《高鋼規》第3.8節關于結構抗震性能設計，將結構的抗震性能分為五個水準，對應的構件損壞程度分別為“無損壞、輕微損壞、輕度損壞、中度損壞、比較嚴重損壞”五個級別。在SAUSAGE中構件的損壞主要以混凝土的受壓損傷因子、受拉損傷因子及鋼材（鋼筋）的塑性應變程度作為評定標準。

選取一條在X方向地震響應比較大的波，對該結構進行性能評估[3]。由圖3地震作用下鋼框架梁的性能水平可知，大部分鋼框架梁為輕微損傷，部分達到輕度損傷，大震下框架梁仍有較大的延性，滿足性能目標。由圖4地震作用下框架柱性能水平可知，大部分框架柱都在輕微損傷和輕度損傷的范圍，框架柱未屈服，滿足性能目標。由圖5地震作用下二層樓板的性能水平可知，大震下樓板基本無損傷，滿足性能目標，其余各層樓板情況類似。

圖3 天然波SHW11-X梁性能水平

圖4 天然波SHW11-X柱性能水平

圖5 天然波SHW11-X二層樓板性能水平

4 結束語

通過對某超限高層辦公樓進行多遇地震的彈性分析和罕遇地震作用下的結構性能化分析，得出以下結論：

根據YJK 和MIDAS GEN兩種軟件的對比分析結果，結構在多遇地震作用下處于彈性階段，滿足規范要求。

罕遇地震作用下，結構平均層間位移角均滿足規范1/50的限值要求，從層間位移角曲線未發現明顯的薄弱層。

罕遇地震作用下，大部分框架梁處于無損壞或輕微損壞，部分框架梁輕度損壞，起到耗能的作用；底層框架柱和斜柱處于輕微損壞及輕度損壞，能夠達到大震下性能水準4的要求；樓板基本處于無損壞狀態，二層有部分樓板輕微損壞，能夠達到大震下性能水準4的要求。結構整體抗震性能與預期塑性化過程吻合。

結構整體抗震性能良好，與預期塑性化過程吻合，能夠達到預定的大震下性能目標，認為該工程的結構設計是安全可靠的。