某超限高層建筑結(jié)構(gòu)彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析實(shí)例

李 忻

(天津?yàn)I海新區(qū)公共產(chǎn)業(yè)建設(shè)投資有限公司建設(shè)管理分公司，天津 300457)

·結(jié)構(gòu)·抗震·

某超限高層建筑結(jié)構(gòu)彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析實(shí)例

李 忻

(天津?yàn)I海新區(qū)公共產(chǎn)業(yè)建設(shè)投資有限公司建設(shè)管理分公司，天津 300457)

以實(shí)際工程為例，通過分析工程的基本設(shè)計(jì)條件，對超限高層建筑進(jìn)行罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析，并提出切實(shí)可行的設(shè)計(jì)方法及抗震加強(qiáng)措施，以滿足建筑抗震性能目標(biāo)要求。

超限高層建筑，彈塑性時(shí)程分析，性能目標(biāo)，罕遇地震

0 引言

隨著城市發(fā)展對建筑的功能及造型要求越來越高，涌現(xiàn)出大批的超限高層建筑[1]，如何正確對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，這是廣大結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員必須要面對的問題?，F(xiàn)以實(shí)際工程為例，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震作用下彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析，并提出相應(yīng)抗震加強(qiáng)措施以滿足性能目標(biāo)要求。

1 工程概況及結(jié)構(gòu)體系

本住宅工程位于繁華市中心，地上54層，地下設(shè)2層地下室，長33 m，寬27 m，總高度172.55 m，為超高建筑。根據(jù)建筑功能要求并結(jié)合結(jié)構(gòu)受力的需要，采用剪力墻結(jié)構(gòu)，剪力墻抗震等級一級。剪力墻混凝土強(qiáng)度等級C55～C30，剪力墻截面變化與混凝土強(qiáng)度變化沿高度錯(cuò)開布置。

2 基本設(shè)計(jì)條件

本工程超限類型為超高建筑，設(shè)計(jì)使用年限為50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)Y0=1.0，抗震設(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)地震分組為第三組，基本加速度值為0.10g?？拐鹪O(shè)計(jì)性能目標(biāo)為C[2，3]，性能目標(biāo)C是指多遇地震下滿足性能水準(zhǔn)1的要求，設(shè)防烈度地震下滿足性能水準(zhǔn)3的要求，預(yù)估的罕遇地震下滿足性能水準(zhǔn)4的要求。其他荷載嚴(yán)格按照GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范要求取值。

結(jié)構(gòu)計(jì)算采用中國建筑科學(xué)研究院編制的多高層建筑結(jié)構(gòu)彈塑性靜力、動(dòng)力分析軟件PUSH&EPDA。

3 罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析

3.1 罕遇地震作用計(jì)算

根據(jù)既定的性能目標(biāo)，本工程在預(yù)估的罕遇地震作用下，關(guān)鍵構(gòu)件的抗震承載力滿足罕遇地震不屈服，部分豎向構(gòu)件以及大部分耗能構(gòu)件進(jìn)入屈服階段，但鋼筋混凝土豎向構(gòu)件的受剪應(yīng)符合下式規(guī)定：

罕遇地震下的阻尼比取0.07。

例如，我們可選取二層一片墻體進(jìn)行驗(yàn)算。墻體截面為400×4 350，混凝土強(qiáng)度等級為C55。罕遇地震作用下計(jì)算結(jié)果中讀出結(jié)構(gòu)的受力為:VGE8=120 kN;VEK=5 831 kN;VGE8+VEK=5 951 kN;0.15fckbh0=0.15×35.5×400×(4 350-220)=8 796 kN>5 831 kN。

此墻體截面滿足要求。類似的，可以按此方法復(fù)核其他墻體。

3.2 罕遇地震作用下彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析

1)地震波選取。選取3組地震波，1組為場地人工波USER021，另2組為天然波USER4和USER5。

2)各組地震波分析結(jié)果匯總。

a.基底剪力。每組地震波作用下結(jié)構(gòu)的基底剪力最大值如表1所示。

表1 最大基底剪力

由表1可以看出，3組地震波作用下結(jié)構(gòu)在X,Y兩個(gè)方向的基底剪力最大值分別為41 334 kN和41 874 kN，對應(yīng)的剪重比分別為7.29%和7.38%；均是在USER021這組人工波的作用下最大，因此，主要針對響應(yīng)較大的人工波USER021的結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析。

b.最大層間位移角和最大層間有害位移角。每組地震波作用下結(jié)構(gòu)的最大層間位移角、最大層間有害位移角及對應(yīng)的樓層見表2。

表2 最大層間位移角和最大層間有害位移角

由表2可以看到，結(jié)構(gòu)在X向最大層間位移角為1/198(36層)；Y向最大層間位移角為1/149(48層)?？芍Y(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的彈塑性層間位移角最大值滿足既定的目標(biāo)。

c.X，Y方向地震波作用下結(jié)構(gòu)損傷情況。剪力墻受壓超過屈服極限裂縫、受拉裂縫均出現(xiàn)在3層～7層和頂部3層區(qū)域。

3.3 罕遇地震下結(jié)構(gòu)彈塑性結(jié)果分析

1)不同的地震波會(huì)對彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析的計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，對應(yīng)所選取的三組地震波響應(yīng)的樓層剪力和樓層彎矩相差均不大，X向樓層剪力較平均值最大偏差17%，Y向最大偏差22%；樓層剪力均不超過大震剪力，這說明地震波的選取是基本合理的。

2)對應(yīng)三組地震波響應(yīng)的X向最大層間位移角為1/198，Y向最大層間位移角為1/149，滿足既定的結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的彈塑性層間位移角不大于1/120規(guī)定。

3)彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析三組地震波顯示的梁鉸、剪力墻裂縫的分布基本相同。首先部分剪力墻出現(xiàn)裂縫，然后連梁出現(xiàn)鉸，最后部分連梁、框架梁出現(xiàn)屈服。

4)剪力墻出現(xiàn)裂縫的區(qū)域主要集中在3層～7層和頂部3層區(qū)域，尤以3層～7層為甚。在3層～7層剪力墻出現(xiàn)裂縫的形式多樣，有受拉、受壓裂縫，雖然有些墻肢出現(xiàn)屈服，但并沒有破壞，能滿足大震不倒的要求，設(shè)計(jì)時(shí)予以重點(diǎn)加強(qiáng)；在頂部3層區(qū)域剪力墻主要是受拉裂縫，設(shè)計(jì)時(shí)增大墻肢豎向分布筋配筋率予以加強(qiáng)。

5)樓、電梯筒位置墻體罕遇地震作用下彈塑性分析中發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)較多裂縫，配筋率適當(dāng)提高到0.6%。

6)罕遇地震下部分出現(xiàn)拉應(yīng)力的剪力墻應(yīng)提高配筋率或增設(shè)鋼板。

7)由上述結(jié)論可以確定結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下能滿足既定的性能水準(zhǔn)要求。

4 抗震加強(qiáng)措施

在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)主要采取以下措施：

1)對關(guān)鍵豎向構(gòu)件其抗震承載力按大震不屈服及小震彈性包絡(luò)設(shè)計(jì)，并滿足性能4的相關(guān)要求。

2)根據(jù)罕遇地震的分析結(jié)果，為提高結(jié)構(gòu)整體抗震性能采取以下加強(qiáng)措施：

a.底部加強(qiáng)區(qū)豎向構(gòu)件構(gòu)造按特一級控制。

b.剪力墻在第1層～第2層樓面標(biāo)高墻身鋼筋配筋率0.5%。

c.剪力墻在第2層～第7層樓面標(biāo)高(加強(qiáng)區(qū))墻身鋼筋配筋率0.4%。

d.剪力墻在頂部3層墻身鋼筋配筋率0.3%。

e.樓電梯筒剪力墻0.6%。

f.底部加強(qiáng)區(qū)的部分剪力墻邊緣構(gòu)件設(shè)置型鋼。

5 結(jié)語

1)在罕遇地震作用下采用中國建筑科學(xué)研究院編制的多高層建筑結(jié)構(gòu)彈塑性靜力、動(dòng)力分析軟件PUSH&EPDA進(jìn)行彈塑性動(dòng)力分析，得到結(jié)構(gòu)的塑性鉸的分布和確定薄弱層的彈塑性變形，用以指導(dǎo)、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2)對關(guān)鍵豎向構(gòu)件其抗震承載力按大震不屈服及小震彈性包絡(luò)設(shè)計(jì)，并滿足相關(guān)性能要求。

3)提出相應(yīng)的抗震加強(qiáng)措施，以滿足性能目標(biāo)要求。

[1] 全國超限高層建筑工程抗震設(shè)防審查專家委員會(huì).抗震設(shè)防專項(xiàng)審查辦法[DB/OL].建設(shè)部網(wǎng)站.

[2] 徐培福,戴國瑩.超限高層建筑結(jié)構(gòu)基于性能抗震設(shè)計(jì)的研究[J].土木工程學(xué)報(bào),2005(1)：57-58.

[3] 季 靜,黃 超,韓小雷，等.基于性能的設(shè)計(jì)方法在超限高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[J].世界地震工程,2007(1)：34-35.

[4] JGJ 3—2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[5] GB 50011—2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

On analysis of elastic-plastic time-history of some super-high-rise building

Li Xin

(ConstructionAdministrativeBranch,PublicIndustrialConstructionInvestmentCo.,LtdofBinhaiNewRegionofTianjinCity,Tianjin300457,China)

Taking some project as the example, the paper undertakes the structural elastic-plastic time-history analysis under rare earthquake of the super-high-rise building, and points out feasible design methods and seismic improvement measures, so as to meet the demands for the seismic performance aim of buildings.

super-high-rise building, elastic-plastic time-history analysis, performance aim, rare earthquake

1009-6825(2015)16-0017-02

2015-03-29

李 忻(1968- )，男，高級工程師

TU973

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