淺談超限高層結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計

韓明章

摘要：隨著高層建筑的增多，結(jié)構(gòu)抗震分析和設(shè)計已越來越重要。特別是我國處于地震多發(fā)區(qū)，高層建筑抗震設(shè)防更是工程設(shè)計面臨的迫切任務，某酒店二期項目擬建工程區(qū)域范圍內(nèi)，有兩條斷裂帶及兩條斷裂系對工程場地地震危險性有影響。本文針對本項目主樓平面及立面都不規(guī)則的超限情況及結(jié)構(gòu)特性，對結(jié)構(gòu)進行了彈性動力時程補充計算，以確?？沟顾芰Γ?/p>

關(guān)鍵詞：框架-剪力墻；超限高層；斷裂帶（系）影響；彈性時程；靜力彈塑性

一、結(jié)構(gòu)設(shè)計

該酒店主樓平面呈S形，標準層中間軸向長度約124.1m，在主樓中部凸出的樓電梯井邊設(shè)置一道抗震縫，將主樓切分為兩個獨立的振動體系，地下室頂板結(jié)構(gòu)連成一體，地下室頂板（±0.000處）作為裙樓及主樓的嵌固端，結(jié)構(gòu)布置時保證地下室的樓層側(cè)向剛度大于相鄰上一層側(cè)向剛度的2.0倍，滿足規(guī)范嵌固條件的要求。本文以主樓抗震縫左側(cè)的結(jié)構(gòu)為例進行抗震設(shè)計的介紹。

本工程設(shè)有一層地下室，底板結(jié)構(gòu)面標高-5.400m，主樓及裙房基礎(chǔ)采用樁承臺+防水板的型式，樁端持力層為⑧層（中砂層），均按抗壓樁設(shè)計，有效樁長約14m左右。單樁豎向承載力特征

值在樁基全面施工之前通過試樁確定。地下室底板、外墻、頂板有覆土部分均采用結(jié)構(gòu)自防水+建筑外防水做法，采用C35防水密實性混凝土，抗?jié)B等級為P6。

根據(jù)建設(shè)部第111號令及《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點》，對本工程的各項指標檢查如下：（1）建筑高度，主屋面標高43.5m，室內(nèi)外高差0.3m，建筑高度小于100m，屬于A級高度鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)。（2）長寬比，建筑標準層寬度B=10.7m（計算至主要抗側(cè)力豎向構(gòu)件邊緣），建筑長度（沿弧向取中間3-F軸的軸向長度）L=61.2m，L/B=61.2/10.7=5.7<6.0，滿足規(guī)范高層建筑結(jié)構(gòu)長寬比的要求。（3）平面凹進或凸出，標準層電梯井處，凸出尺寸L1為9.4m，標準層相應方向結(jié)構(gòu)投影尺寸Bmax=20.1m，L1/Bmax=46.8%>30%，且大于40%，屬平面凸出特別不規(guī)則。（4）上部樓層豎向收進，在四層樓面（18.300m標高，18.3/43.5=42%>20%）處，裙房局部收進后的水平尺寸為10.7m，相鄰下一層水平尺寸為17.5m，10.7/17.5=61%，小于75%，且小于65%，屬豎向局部收進特別不規(guī)則。 （5）在偶然偏心影響下，樓層的最大彈性層間位移大于該樓層層間位移平均值的1.2倍。

綜上所述，本工程存在平面凸出、豎向立面收進等規(guī)則性超限，該酒店主樓判定為超限的A級高度鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)。采用中國建筑科學研究院的高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析軟件SATWE對整體結(jié)構(gòu)進行分析；同時采用PMSAP對SATWE結(jié)構(gòu)計算進行校核和對比分析。

二、電算分析

設(shè)防烈度7度（0.15g），設(shè)計地震分組為第一組，周期折減系數(shù)取0.75，場地類別為Ⅱ類，場地特征周期Tg根據(jù)安評報告取0.40s。多遇地震影響系數(shù)αmax=0.15，地震力振型組合數(shù)30。

（1）嵌固端判別：該工程地下室結(jié)構(gòu)的樓層剛度和相鄰上部結(jié)構(gòu)樓層剪切剛度比，X，Y向均大于2.0，故地下室頂板可以作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端。

（2）重力二階效應及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定判別：X向剛重比EJd/GH**2= 9.54>1.4且大于2.7，Y向剛重比EJd/GH**2= 11.50 >1.4且大于2.7，能夠通過高規(guī)（5.4.4）的整體穩(wěn)定驗算，可以不考慮重力二階效應。

（3）結(jié)構(gòu)周期比：SATWE和PMSAP計算分析結(jié)果都顯示了第一、二振型為平動振型，第三振型為扭轉(zhuǎn)振型，第一扭轉(zhuǎn)周期與第一平動周期的周期比均小于0.90，縱橫向的周期也比較接近，對比分析的結(jié)果可以接受。

（4）有效質(zhì)量系數(shù)：本工程選取30個振型，累計的有效質(zhì)量系數(shù)均大于90%，說明所選的計算振型數(shù)已滿足要求。

（5）側(cè)向剛度和扭轉(zhuǎn)剛度控制：框架-剪力墻結(jié)構(gòu)彈性層間位移角的限值為1/800，且控制偶然偏心下位移比小于1.3。滿足規(guī)范要求。

（6）剪重比：計算分析結(jié)果顯示了結(jié)構(gòu)在阻尼比為5%時，結(jié)構(gòu)底部第1層及第2層剪重比滿足規(guī)范2.40%的要求，X向、Y向程序調(diào)整系數(shù)均為1.0。

（7）豎向結(jié)構(gòu)軸壓比控制：框架柱軸壓比均控制在0.85以內(nèi)，剪力墻軸壓比均控制在0.5以內(nèi)。（8）層間剛度比：計算分析結(jié)果顯示，該工程結(jié)構(gòu)沿高度方向的剛度基本均勻變化，無突變。

（一）小震彈性動力時程分析

采用PMSAP程序進行小震彈性動力時程分析，選用三條波（兩組自然波，一組人工波），每條波的有效持續(xù)時間均大于結(jié)構(gòu)自振周期的5倍，地面運動加速度峰值為60.6gal，結(jié)構(gòu)阻尼比為0.05。結(jié)構(gòu)底部剪力不小于振型分解反應譜計算結(jié)果的65%，平均值與CQC法的比值，x向與y向分別為99%，97%，均大于80%。

（二）靜力彈塑性分析

用靜力彈塑性分析PUSH驗算了在罕遇地震作用下的樓層位移。側(cè)推荷載類型為倒三角形，基底剪力與總重量的比值為1，走步控制采用球面弧長法。經(jīng)過計算分析，其罕遇地震下的層間位移角X向為1/205，Y向為1/219，小于框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的限值1/100，滿足規(guī)范的要求。

三、綜合性評價

本工程結(jié)構(gòu)處于高烈度地區(qū)，屬于不規(guī)則超限的A級高度鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)。針對本工程的結(jié)構(gòu)特點，采取了下列抗震加強措施。

（1）在豎向急劇收進的四層樓面（標高18.300），全層結(jié)構(gòu)樓板采用150mm，予以適當加強。該層樓板采用雙層雙向配筋，配筋率適當提高，同時加強相鄰上下層樓板配筋。收進部位的豎向構(gòu)件配筋也適當加強，加強的范圍向下、向下各延伸一層。平面局部凸出部位樓板也適當加強。

（2）在入口大堂挑空處的二層樓面（標高7.500）洞口周邊樓板予以加強，板厚取150mm，并采用PMSAP進行彈性板的應力分析，適當加強配筋，雙層雙向設(shè)置。同時適當提高周邊框架柱的配筋率和配箍率。

（3）主樓框架柱抗震等級提高一級，按照二級抗震等級采用，適度提高二道防線的安全度。

（4）采用SATWE及PMSAP進行結(jié)構(gòu)的電算對比分析，并仔細調(diào)整結(jié)構(gòu)的剛度布置，盡量使得結(jié)構(gòu)的質(zhì)心和剛度中心一致，減少地震作用的扭轉(zhuǎn)效應，同時加強端頭邊榀框架梁，提高結(jié)構(gòu)的整體抗扭剛度。控制樓層最大位移比不大于1.3。

（5）對結(jié)構(gòu)進行彈性時程分析，從計算的曲線分析，各樓層的層間位移曲線基本光滑無突變。層間位移均小于1/800，結(jié)構(gòu)不存在薄弱層。每條時程曲線計算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力均大于CQC法求得的底部剪力的65%，三條時程曲線計算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值大于CQC法求得的底部剪力的80%，很好的滿足了規(guī)范要求。

（6）為保證結(jié)構(gòu)在大震下具有足夠的延性和抗倒塌能力，對結(jié)構(gòu)進行大震下的靜力彈塑性分析，在大震作用下結(jié)構(gòu)的x向、y向結(jié)構(gòu)能力曲線與結(jié)構(gòu)的需求譜曲線相交，結(jié)構(gòu)具有足夠的抗倒塌能力，滿足“大震不倒”的性能目標。在大震作用下結(jié)構(gòu)的最大側(cè)向位移均在1/200左右，滿足規(guī)范要求。

四、結(jié)語

通過SATWE及PMSAP兩種有限元程序的結(jié)果對比分析，在采取了有效的抗震措施后，兩種程序計算所得的結(jié)構(gòu)周期、周期比、層間位移、位移比等各項指標都較好的滿足規(guī)范的要求，該結(jié)構(gòu)具有較好的抗震性能。

參考文獻：

[1]呂西林.超限高層建筑工程抗震設(shè)計指南（第2版）[M].上海：同濟大學出版社