基于性能的超限高層結構設計應用實例

摘" 要：基于性能的抗震設計方法是國際先進技術，適用于復雜超限高層建筑的結構設計。我國規范采用“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設防目標，超限高層結構可通過抗震設計來實現我國規范要求的性能目標。該文以重慶某復雜超限高層項目為例，介紹該結構性能化設計的過程。

關鍵詞：性能設計；超限高層；彈塑性；時程分析；SAUSAGE

中圖分類號：TU761.12" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）10-0111-04

Abstract： The performance-based seismic design method is an internationally advanced technology， which is applicable to the structural design of complex and out-of-gauge high-rise buildings. The code of China adopts the basic objective of seismic fortification of \"unbreakable by small earthquake， repairable by moderate earthquake and not collapsed by large earthquake\". The performance objective required by the code of China can be achieved through seismic design of out of gauge high-rise structures. Taking a complex super high-rise project in Chongqing as an example， this paper introduces the process of performance-based design of the structure.

Keywords： performance design; out-of-gauge high-rise building; elastoplastic; time-history analysis; SAUSAGE

城市化進程的不斷推進，讓更多的超限高層建筑在都市里設計和建造?？拐鹪O計作為超限高層建筑安全性設計的重要一環，得到了更多專家學者的重視?；谛阅艿目拐鹪O計方法是國際先進的技術，在復雜超限高層建筑的結構設計中得到廣泛應用，這門技術將更好地推動我國高層建筑設計的穩定性和安全性。

1" 工程概況及技術選型

工程位于重慶市，抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度值為0.05 g，設計地震分組為第一組，場地特征周期為0.35 s，T2塔樓結構高度137.65 m，地上41層，地下3層，屬于B級高度。以負一層底板為嵌固部位，塔樓結構形式為部分框支剪力墻結構，樓、屋蓋采用現澆鋼筋混凝土梁板體系，結構體系為部分框支剪力墻結構，轉換層位于第5層（裙房頂），具有高度超限、扭轉不規則、剛度突變和構件間斷的特點，屬于高度超和規則性超的超限高層結構。結構三維模型及標準層結構平面圖如圖1所示。

2" 抗震性能目標的選取

本工程結構同時存在高度超限和規則性超限，設計時對結構關鍵構件提出了更高的要求[1]。根據《高層建筑結構設計規范》的要求及建設單位與有關專家的意見，確定抗震性能目標為結構整體采用D級性能目標，對關鍵構件提高至C級性能目標，見表1—表2。

3" 抗震性能目標的技術實現方法

在多遇地震作用下，采用YJK和ETABS 2種程序計算，對整體計算結果進行對比分析，驗證采用YJK進行結構整體計算的合理性及構件計算的準確性，并用YJK進行彈性動力時程分析，以作為反應譜分析的補充計算。在設防地震作用下，采用YJK按等效彈性方法對結構整體進行中震不屈服驗算，對關鍵構件進行中震抗彎不屈服、抗剪彈性驗算，并對底層豎向構件進行拉應力驗算，防止墻體產生受拉裂縫造成結構整體剛度退化。在罕遇地震作用下，采用SAUSAGE軟件進行整體動力彈塑性時程分析及關鍵構件的抗彎不屈服驗算；采用YJK進行關鍵構件和普通豎向構件的抗剪不屈服驗算和抗剪截面不屈服驗算[2]。

4" 多遇地震作用下結構抗震性能分析

在多遇地震作用下，按彈性時程分析得到樓層剪力放大系數，回填至YJK計算參數，YJK計算所得的最大層間位移角為1/1 790，小于彈性層間位移角1/1 000的要求；各結構構件未超筋，豎向構件軸壓比未超限，結構滿足第1性能水準的要求。

5" 設防地震作用下結構抗震性能分析

在設防地震作用下，YJK計算顯示結構最大層間位移角為X方向：1/629，Y方向：1/649，均小于1/400的設防地震層間位移角參考值，宏觀損壞程度不及中度損壞，滿足第4性能水準的要求。

關鍵構件：①按等效彈性的方法進行中震抗彎不屈服和抗剪彈性計算，結果表明，關鍵構件（底部加強區剪力墻、框支梁、框支柱和越層墻）正截面配筋均在合理范圍內，沒有超筋現象，正截面配筋按小震彈性和中震不屈服計算結果包絡配筋，滿足正截面抗彎不屈服的要求[3]。②關鍵構件的剪壓比（《高層建筑結構設計規范》式3.11.3-4或3.11.3-5左側與右側的比值）最大值為0.69（不大于1）；梁柱箍筋、剪力墻水平筋配筋均在合理范圍內，沒有超筋現象，斜截面配筋按小震彈性和中震彈性的計算結果包絡配筋，滿足斜截面抗剪彈性的要求，即滿足第3性能目標的要求。③中震墻柱拉應力驗算結果顯示，最大拉應力為2.92 MPa，且處于受壓狀態，不需要采取受拉加強措施，中震墻柱拉應力驗算通過。

普通豎向構件：中震不屈服計算顯示，非底部加強區剪力墻的剪壓比均小于1.0，滿足抗剪截面不屈服的要求，僅部分豎向構件超筋，進入屈服階段，滿足第4性能水準的要求。

耗能構件：部分框架梁和連梁出現超筋，主要集中在轉換層以上1—2層，同時未發生比較嚴重的破壞現象，滿足第4性能水準的要求。

綜上，在設防地震烈度下，T2塔樓整體滿足第4性能水準的要求，關鍵構件滿足第3性能水準的要求。

6" 罕遇地震作用下結構抗震性能分析

本文借助SAUSAGE軟件對T2塔樓超高層結構進行罕遇地震作用下的動力彈塑性時程分析，利用YJK軟件進行關鍵構件和普通豎向構件的抗剪承載力驗算[4]。

1）地震波的選擇及調整。根據《高層建筑結構設計規范》第4.3.5條以及《建筑抗震設計規范》第5.1.2條要求，選擇了符合條件的2條天然波Usa00867、Usa01537和1條人工波RH1TG035，調整最大峰值加速度主方向為125 Gal，主次方向峰值比例0.85，輸入持時為20 s，計算步長為0.02 s。

2）計算模型。用于動力彈塑性動力時程分析的模型來自YJK轉PKPM的模型，對PKPM模型進行周期、質量和基底剪力校核計算，保證與YJK模型在彈性性能上基本一致。將PKPM模型導入SAUSAGE軟件，配筋采用PKPM多遇地震彈性設計與中震包絡設計結果。

3）在SAUSAGE軟件中導入結構模型、構件配筋、輸入地震波和調整彈塑性分析參數進行彈塑性時程分析，經計算，得到3條地震波的最大層間位移、最大頂點位移、底部剪力，見表3。

從表3可以看出，在罕遇地震作用下結構最大層間位移為1/249，滿足規范不大于1/120的要求，整體變形滿足第5性能水準的要求。

4）整體損傷結果。塑性鉸單元的損傷程度評價標準參考FEMA356中塑性鉸的本構關系，對整個模型在3條地震波地震作用下的構件性能水平情況進行包絡統計，得到在罕遇地震時結構的宏觀損傷程度[5]。在3條地震波中，在Usa00867作用下損傷程度最為嚴重。從整體損傷結果來看，T2塔樓剪力墻端、柱端未出現塑性鉸，框架梁、連梁梁端較普遍地出現塑性鉸，出鉸區域主要集中在轉換層以上，各層塑性鉸的變形程度均在CP（接近倒塌）之前，未出超過“比較嚴重損壞”程度，滿足第5性能水準的要求。

5）關鍵構件損傷結果。從損傷部位來看，在罕遇地震作用下，剪力墻的損傷主要集中在轉換層（6F）及轉換層上一層（7F），關鍵構件（框支梁、框支柱、剪力墻）損傷水平均在輕度損壞及以下水平，滿足C級性能目標關鍵構件損壞程度不超過“中度損壞”的要求。

6）關鍵構件和普通豎向構件抗彎載力驗算。在罕遇地震作用下，地震波Usa00867在X向地震作用下最不利，轉換層構件應力水平最大[6]。本文僅分析典型轉換層構件的應力計算結果，從應力云圖上可以看出，框支梁部分構件的混凝土最大壓應力約為31.1 MPa，小于C55混凝土軸心抗壓強度標準值fck=32.4 MPa，也僅個別梁頂出現小塊區域；轉換梁中的鋼筋最大拉應力為226 MPa，小于HRB500鋼筋的屈服強度標準值（fyk=500 MPa）；型鋼混凝土梁中型鋼的應力水平最大為294 MPa，小于Q345屈服強度值標準值（fyk=345 MPa）；框支柱最大壓應力30.9 MPa，小于C60混凝土軸心抗壓強度標準值fck=38.5 MPa，鋼筋應力云最大拉應力228 MPa＜fyk=500 MPa，型鋼最大壓應力125 MPa＜fyk=345 MPa，因此，各框支柱、框支梁均能滿足罕遇地震作用下抗彎不屈服的要求，達到第4性能水準的要求。

7）關鍵構件抗剪載力驗算。在罕遇地震作用下， YJK抗剪截面驗算結果顯示，關鍵構件（底部加強區剪力墻、框支梁、框支柱、越層墻）最大剪壓比均小于1，即滿足抗剪截面不屈服要求[7]。關鍵構件配筋框支柱、框支梁箍筋均在合理范圍，剪力墻水平鋼筋除局部存在最大配筋率1%以外，其余剪力墻水平鋼筋計算值均為構造，故按罕遇地震不屈服作用下的計算結果配置關鍵構件箍筋或水平鋼筋可滿足罕遇地震抗剪不屈服的要求。

8）普通豎向構件抗剪截面驗算。非底部加強區剪力墻（8層及以上）作為普通豎向構件，罕遇地震抗剪截面驗算結果，普通豎向構件最大剪壓比為0.82lt;1.0，即滿足第5性能水準普通豎向構件截面抗剪不屈服的要求[8]。

9）罕遇地震作用下抗震性能分析結論。①T2塔樓最大彈塑性層間位移角為1/249，滿足規范要求。②T2塔樓剪力墻（普通豎向構件）未出現塑性鉸，大部分輕微至輕度損壞，個別構件達到中度損壞；剪力墻（普通豎向構件）最大剪壓比0.82，小于1.0，滿足抗剪截面不屈服的性能目標。部分連梁和框架梁（耗能構件）產生塑性鉸屈服，起到良好的耗能作用，且出鉸程度并未達到CP（接近倒塌）階段，滿足“允許部分耗能構件發生比較嚴重的破壞”的性能目標。③T2塔樓關鍵構件（底部加強區剪力墻、框支梁、框支柱、越層墻）損傷程度大部分在無損壞至輕微損壞，個別構件輕度損壞，宏觀損傷程度不高于中度損傷；關鍵構件混凝土最大壓應力約為31.1 MPa，小于軸心抗壓強度標準值，縱筋最大拉應力為228 MPa，型鋼最大正應力為294 MPa，均小于屈服強度標準值，關鍵構件滿足“抗彎不屈服”的性能目標；關鍵構件最大剪壓比均小于1，受剪截面均滿足罕遇地震“抗剪截面不屈服”的性能目標；關鍵構件的箍筋或水平筋都在合理范圍，按計算結果配置箍筋或水平鋼筋可滿足“抗剪不屈服”性能目標?？拐鹦阅芊治龅贸觯涸诤庇龅卣鹣拢琓2塔樓整體滿足第5性能水準的要求，普通豎向構件和耗能構件滿足第5性能水準的要求，關鍵構件滿足第4性能水準的要求，是可以高效計算超限結構體系的合理技術。

7" 結論

通過基于性能的抗震分析，可知：①整體結構在多遇地震下，各構件處于彈性狀態；在設防地震下，普通豎向構件很少屈服，抗剪截面不屈服，耗能構件進入屈服階段；在罕遇地震下，部分耗能構件（連梁、框架梁）屈服，普通豎向構件抗剪截面不屈服，薄弱部位最大層間位移角小于1/120，即結構整體滿足D級抗震性能的目標要求。②關鍵構件在多遇地震作用下，各構件處于彈性狀態；在設防地震下，各關鍵構件正截面抗彎不屈服，斜截面抗剪彈性，滿足第3性能水準的要求；在罕遇地震作用下，各關鍵構件正截面抗彎抗剪均屈服，滿足第4性能水準的要求，即關鍵構件滿足C級抗震性能目標的要求。綜上所述，本工程結構方案能夠達到預期的抗震性能目標，該結構方案安全可靠?；谛阅艿目拐鹪O計方法是適用于復雜超限高層建筑結構設計的合理技術，是世界建筑發展前沿的科學技術。

參考文獻：

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