基于性能的超限高層結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用實(shí)例

摘" 要：基于性能的抗震設(shè)計方法是國際先進(jìn)技術(shù)，適用于復(fù)雜超限高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計。我國規(guī)范采用“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)，超限高層結(jié)構(gòu)可通過抗震設(shè)計來實(shí)現(xiàn)我國規(guī)范要求的性能目標(biāo)。該文以重慶某復(fù)雜超限高層項(xiàng)目為例，介紹該結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計的過程。

關(guān)鍵詞：性能設(shè)計；超限高層；彈塑性；時程分析；SAUSAGE

中圖分類號：TU761.12" " " 文獻(xiàn)標(biāo)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(jìn)程的不斷推進(jìn)，讓更多的超限高層建筑在都市里設(shè)計和建造。抗震設(shè)計作為超限高層建筑安全性設(shè)計的重要一環(huán)，得到了更多專家學(xué)者的重視。基于性能的抗震設(shè)計方法是國際先進(jìn)的技術(shù)，在復(fù)雜超限高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計中得到廣泛應(yīng)用，這門技術(shù)將更好地推動我國高層建筑設(shè)計的穩(wěn)定性和安全性。

1" 工程概況及技術(shù)選型

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

2" 抗震性能目標(biāo)的選取

本工程結(jié)構(gòu)同時存在高度超限和規(guī)則性超限，設(shè)計時對結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件提出了更高的要求[1]。根據(jù)《高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》的要求及建設(shè)單位與有關(guān)專家的意見，確定抗震性能目標(biāo)為結(jié)構(gòu)整體采用D級性能目標(biāo)，對關(guān)鍵構(gòu)件提高至C級性能目標(biāo)，見表1—表2。

3" 抗震性能目標(biāo)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)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(jié)果進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證采用YJK進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體計算的合理性及構(gòu)件計算的準(zhǔn)確性，并用YJK進(jìn)行彈性動力時程分析，以作為反應(yīng)譜分析的補(bǔ)充計算。在設(shè)防地震作用下，采用YJK按等效彈性方法對結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行中震不屈服驗(yàn)算，對關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行中震抗彎不屈服、抗剪彈性驗(yàn)算，并對底層豎向構(gòu)件進(jìn)行拉應(yīng)力驗(yàn)算，防止墻體產(chǎn)生受拉裂縫造成結(jié)構(gòu)整體剛度退化。在罕遇地震作用下，采用SAUSAGE軟件進(jìn)行整體動力彈塑性時程分析及關(guān)鍵構(gòu)件的抗彎不屈服驗(yàn)算；采用YJK進(jìn)行關(guān)鍵構(gòu)件和普通豎向構(gòu)件的抗剪不屈服驗(yàn)算和抗剪截面不屈服驗(yàn)算[2]。

4" 多遇地震作用下結(jié)構(gòu)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(shù)，回填至YJK計算參數(shù)，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(jié)構(gòu)構(gòu)件未超筋，豎向構(gòu)件軸壓比未超限，結(jié)構(gòu)滿足第1性能水準(zhǔn)的要求。

5" 設(shè)防地震作用下結(jié)構(gòu)抗震性能分析

在設(shè)防地震作用下，YJK計算顯示結(jié)構(gòu)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(shè)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(zhǔn)的要求。

關(guān)鍵構(gòu)件：①按等效彈性的方法進(jìn)行中震抗彎不屈服和抗剪彈性計算，結(jié)果表明，關(guān)鍵構(gòu)件（底部加強(qiáng)區(qū)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(nèi)，沒有超筋現(xiàn)象，正截面配筋按小震彈性和中震不屈服計算結(jié)果包絡(luò)配筋，滿足正截面抗彎不屈服的要求[3]。②關(guān)鍵構(gòu)件的剪壓比（《高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》式3.11.3-4或3.11.3-5左側(cè)與右側(cè)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(nèi)，沒有超筋現(xiàn)象，斜截面配筋按小震彈性和中震彈性的計算結(jié)果包絡(luò)配筋，滿足斜截面抗剪彈性的要求，即滿足第3性能目標(biāo)的要求。③中震墻柱拉應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果顯示，最大拉應(yīng)力為2.92 MPa，且處于受壓狀態(tài)，不需要采取受拉加強(qiáng)措施，中震墻柱拉應(yīng)力驗(yàn)算通過。

普通豎向構(gòu)件：中震不屈服計算顯示，非底部加強(qiáng)區(qū)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(gòu)件超筋，進(jìn)入屈服階段，滿足第4性能水準(zhǔn)的要求。

耗能構(gòu)件：部分框架梁和連梁出現(xiàn)超筋，主要集中在轉(zhuǎn)換層以上1—2層，同時未發(fā)生比較嚴(yán)重的破壞現(xiàn)象，滿足第4性能水準(zhǔn)的要求。

綜上，在設(shè)防地震烈度下，T2塔樓整體滿足第4性能水準(zhǔn)的要求，關(guān)鍵構(gòu)件滿足第3性能水準(zhǔn)的要求。

6" 罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)抗震性能分析

本文借助SAUSAGE軟件對T2塔樓超高層結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震作用下的動力彈塑性時程分析，利用YJK軟件進(jìn)行關(guān)鍵構(gòu)件和普通豎向構(gòu)件的抗剪承載力驗(yàn)算[4]。

1）地震波的選擇及調(diào)整。根據(jù)《高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》第4.3.5條以及《建筑抗震設(shè)計規(guī)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(diào)整最大峰值加速度主方向?yàn)?25 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(zhuǎn)PKPM的模型，對PKPM模型進(jìn)行周期、質(zhì)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(dǎo)入SAUSAGE軟件，配筋采用PKPM多遇地震彈性設(shè)計與中震包絡(luò)設(shè)計結(jié)果。

3）在SAUSAGE軟件中導(dǎo)入結(jié)構(gòu)模型、構(gòu)件配筋、輸入地震波和調(diào)整彈塑性分析參數(shù)進(jìn)行彈塑性時程分析，經(jīng)計算，得到3條地震波的最大層間位移、最大頂點(diǎn)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(jié)構(gòu)最大層間位移為1/249，滿足規(guī)范不大于1/120的要求，整體變形滿足第5性能水準(zhǔn)的要求。

4）整體損傷結(jié)果。塑性鉸單元的損傷程度評價標(biāo)準(zhǔn)參考FEMA356中塑性鉸的本構(gòu)關(guān)系，對整個模型在3條地震波地震作用下的構(gòu)件性能水平情況進(jìn)行包絡(luò)統(tǒng)計，得到在罕遇地震時結(jié)構(gòu)的宏觀損傷程度[5]。在3條地震波中，在Usa00867作用下?lián)p傷程度最為嚴(yán)重。從整體損傷結(jié)果來看，T2塔樓剪力墻端、柱端未出現(xiàn)塑性鉸，框架梁、連梁梁端較普遍地出現(xiàn)塑性鉸，出鉸區(qū)域主要集中在轉(zhuǎn)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(yán)重?fù)p壞”程度，滿足第5性能水準(zhǔn)的要求。

5）關(guān)鍵構(gòu)件損傷結(jié)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(zhuǎn)換層（6F）及轉(zhuǎn)換層上一層（7F），關(guān)鍵構(gòu)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(biāo)關(guān)鍵構(gòu)件損壞程度不超過“中度損壞”的要求。

6）關(guān)鍵構(gòu)件和普通豎向構(gòu)件抗彎載力驗(yàn)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(zhuǎn)換層構(gòu)件應(yīng)力水平最大[6]。本文僅分析典型轉(zhuǎn)換層構(gòu)件的應(yīng)力計算結(jié)果，從應(yīng)力云圖上可以看出，框支梁部分構(gòu)件的混凝土最大壓應(yīng)力約為31.1 MPa，小于C55混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fck=32.4 MPa，也僅個別梁頂出現(xiàn)小塊區(qū)域；轉(zhuǎn)換梁中的鋼筋最大拉應(yīng)力為226 MPa，小于HRB500鋼筋的屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（fyk=500 MPa）；型鋼混凝土梁中型鋼的應(yīng)力水平最大為294 MPa，小于Q345屈服強(qiáng)度值標(biāo)準(zhǔn)值（fyk=345 MPa）；框支柱最大壓應(yīng)力30.9 MPa，小于C60混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fck=38.5 MPa，鋼筋應(yīng)力云最大拉應(yīng)力228 MPa＜fyk=500 MPa，型鋼最大壓應(yīng)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(dá)到第4性能水準(zhǔn)的要求。

7）關(guān)鍵構(gòu)件抗剪載力驗(yàn)算。在罕遇地震作用下， YJK抗剪截面驗(yàn)算結(jié)果顯示，關(guān)鍵構(gòu)件（底部加強(qiáng)區(qū)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(guān)鍵構(gòu)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(gòu)造，故按罕遇地震不屈服作用下的計算結(jié)果配置關(guān)鍵構(gòu)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(gòu)件抗剪截面驗(yàn)算。非底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻（8層及以上）作為普通豎向構(gòu)件，罕遇地震抗剪截面驗(yàn)算結(jié)果，普通豎向構(gòu)件最大剪壓比為0.82lt;1.0，即滿足第5性能水準(zhǔn)普通豎向構(gòu)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(jié)論。①T2塔樓最大彈塑性層間位移角為1/249，滿足規(guī)范要求。②T2塔樓剪力墻（普通豎向構(gòu)件）未出現(xiàn)塑性鉸，大部分輕微至輕度損壞，個別構(gòu)件達(dá)到中度損壞；剪力墻（普通豎向構(gòu)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(biāo)。部分連梁和框架梁（耗能構(gòu)件）產(chǎn)生塑性鉸屈服，起到良好的耗能作用，且出鉸程度并未達(dá)到CP（接近倒塌）階段，滿足“允許部分耗能構(gòu)件發(fā)生比較嚴(yán)重的破壞”的性能目標(biāo)。③T2塔樓關(guān)鍵構(gòu)件（底部加強(qiáng)區(qū)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(gòu)件輕度損壞，宏觀損傷程度不高于中度損傷；關(guān)鍵構(gòu)件混凝土最大壓應(yīng)力約為31.1 MPa，小于軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，縱筋最大拉應(yīng)力為228 MPa，型鋼最大正應(yīng)力為294 MPa，均小于屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，關(guān)鍵構(gòu)件滿足“抗彎不屈服”的性能目標(biāo)；關(guān)鍵構(gòu)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(biāo)；關(guān)鍵構(gòu)件的箍筋或水平筋都在合理范圍，按計算結(jié)果配置箍筋或水平鋼筋可滿足“抗剪不屈服”性能目標(biāo)。抗震性能分析得出：在罕遇地震下，T2塔樓整體滿足第5性能水準(zhǔn)的要求，普通豎向構(gòu)件和耗能構(gòu)件滿足第5性能水準(zhǔn)的要求，關(guān)鍵構(gòu)件滿足第4性能水準(zhǔn)的要求，是可以高效計算超限結(jié)構(gòu)體系的合理技術(shù)。

7" 結(jié)論

通過基于性能的抗震分析，可知：①整體結(jié)構(gòu)在多遇地震下，各構(gòu)件處于彈性狀態(tài)；在設(shè)防地震下，普通豎向構(gòu)件很少屈服，抗剪截面不屈服，耗能構(gòu)件進(jìn)入屈服階段；在罕遇地震下，部分耗能構(gòu)件（連梁、框架梁）屈服，普通豎向構(gòu)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(jié)構(gòu)整體滿足D級抗震性能的目標(biāo)要求。②關(guān)鍵構(gòu)件在多遇地震作用下，各構(gòu)件處于彈性狀態(tài)；在設(shè)防地震下，各關(guān)鍵構(gòu)件正截面抗彎不屈服，斜截面抗剪彈性，滿足第3性能水準(zhǔn)的要求；在罕遇地震作用下，各關(guān)鍵構(gòu)件正截面抗彎抗剪均屈服，滿足第4性能水準(zhǔn)的要求，即關(guān)鍵構(gòu)件滿足C級抗震性能目標(biāo)的要求。綜上所述，本工程結(jié)構(gòu)方案能夠達(dá)到預(yù)期的抗震性能目標(biāo)，該結(jié)構(gòu)方案安全可靠。基于性能的抗震設(shè)計方法是適用于復(fù)雜超限高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理技術(shù)，是世界建筑發(fā)展前沿的科學(xué)技術(shù)。

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