某V字型平面高層建筑的抗震性能設(shè)計(jì)分析

唐偉軍（湖南省建筑工程集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院，湖南　長(zhǎng)沙　410000）

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某V字型平面高層建筑的抗震性能設(shè)計(jì)分析

唐偉軍（湖南省建筑工程集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院，湖南長(zhǎng)沙410000）

結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)某V字型平面高層建筑的抗震性能進(jìn)行了計(jì)算分析論證，采用兩種計(jì)算軟件進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，并分析了小震、中震、大震情況下的抗震性能，最后根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)薄弱部位采取相應(yīng)的技術(shù)措施進(jìn)行加強(qiáng)處理，滿足抗震性能設(shè)計(jì)要求。

V字型；高層；抗震性能；對(duì)比；設(shè)計(jì)

1　工程概況

某V字型平面高層建筑位于海南省文昌市，總建筑面積26680m2，平面呈V字型，V字型兩翼長(zhǎng)約70m，翼寬11m，地上25層，檐口高度75.6m，無(wú)地下室，基礎(chǔ)按高規(guī)要求設(shè)置埋置深度。計(jì)算采用嵌固端為基礎(chǔ)頂面?？拐鹪O(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類（丙類），抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.15g，場(chǎng)地類別為Ⅱ類；建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年。采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)高度為75.60m，為A級(jí)高度鋼筋混凝土高層建筑。建筑平面及立面示意圖見圖1。

圖1　建筑平面及立面示意圖

2　結(jié)構(gòu)超限類型及超限程度

本工程不規(guī)則程度核查：

（1）本工程為A級(jí)高度高層建筑，高度不超限。

（2）本工程同時(shí)具有三項(xiàng)及三項(xiàng)以上不規(guī)則核查表。

一般不規(guī)則檢查如表1。

表1　

經(jīng)核查，本工程具有兩項(xiàng)不規(guī)則：位移比超過(guò)1.2但小于1.4及凹凸大于0.3。但凹凸不規(guī)則方面，l/Bmax及l(fā)/b均超出規(guī)范量化值較多。

（3）本工程具有某一項(xiàng)不規(guī)則核查表。

嚴(yán)重不規(guī)則檢查如表2。

表2　

經(jīng)核查，本工程不具有某一項(xiàng)不規(guī)則的情況。

經(jīng)以上核查，雖然本工程不具有上述不規(guī)則的情況，但凹凸不規(guī)則方面，l/Bmax及l(fā)/b均超出規(guī)范量化值較多，為保證建筑抗震安全性，因此對(duì)本工程采用抗震性能化設(shè)計(jì)。

3　工程結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)

3.1結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)的原則及思路

（1）根據(jù)多遇地震（小震）及風(fēng)荷載等荷載作用下的彈性計(jì)算結(jié)果，按現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。并采用MIDAS/Building的彈性樓板的計(jì)算配筋復(fù)核剛性樓板配筋，并包絡(luò)設(shè)計(jì)構(gòu)件。

（2）利用屈服判別法進(jìn)行設(shè)防烈度地震（中震）作用下結(jié)構(gòu)構(gòu)件的屈服驗(yàn)算，對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷程度進(jìn)行分析。并對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件根據(jù)中震不屈服計(jì)算結(jié)果予以加強(qiáng)。

（3）驗(yàn)算罕遇地震（大震）作用下的彈塑性層間位移角等指標(biāo)是否滿足規(guī)范要求，并對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷程度進(jìn)行分析，確定結(jié)構(gòu)薄弱部位（薄弱層及薄弱構(gòu)件），提出結(jié)構(gòu)抗震加強(qiáng)措施。

3.2結(jié)構(gòu)計(jì)算分析及抗震性能目標(biāo)分析

（1）主要結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件

彈性階段計(jì)算采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院編制的建筑結(jié)構(gòu)空間有限元計(jì)算分析軟件SATWE（2011.03），作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算的主要依據(jù)。采用北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司的MIDAS/ Building（2012）進(jìn)行對(duì)比校核分析。并采用MIDAS/Building的彈性樓板的計(jì)算配筋復(fù)核剛性樓板配筋，并包絡(luò)設(shè)計(jì)構(gòu)件。

彈塑性階段計(jì)算采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院編制的建筑結(jié)構(gòu)空間有限元計(jì)算分析軟件SATWE進(jìn)行中（大）震不屈服的彈塑性分析。

（2）多遇地震（小震）作用下的彈性計(jì)算分析及抗震性能目標(biāo)分析

①結(jié)構(gòu)彈性計(jì)算的主要原則

a.根據(jù)高規(guī)5.1.12條規(guī)定，結(jié)構(gòu)計(jì)算采用兩個(gè)不同力學(xué)模型的三維空間分析軟件進(jìn)行整體內(nèi)力位移計(jì)算，并進(jìn)行對(duì)比分析。

b.根據(jù)高規(guī)5.1.13條規(guī)定，抗震設(shè)計(jì)時(shí)，考慮平扭耦聯(lián)計(jì)算結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)（CQC法），振型數(shù)不小于 15，且各振型參與質(zhì)量之和不小于總質(zhì)量的90%。

c.考慮雙向水平地震作用下的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

d.計(jì)算單向地震作用下的扭轉(zhuǎn)位移比（考慮偶然偏心的影響）。

e.各種計(jì)算均考慮施工過(guò)程的模擬。

f.本工程主樓風(fēng)荷載作用取基本風(fēng)壓W0=0.85kN/m2，地面粗糙度為A類。

g.風(fēng)荷載計(jì)算時(shí)的體型系數(shù)，按《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）V形取為1.40，由于本工程兩翼平面狹長(zhǎng)，適當(dāng)考慮風(fēng)力相互干擾，參照高規(guī)附錄B，實(shí)際取1.5。

h.采用10年一遇的風(fēng)荷載取值（w0=0.45kN/m2），阻尼比2%，計(jì)算順風(fēng)向與橫風(fēng)向結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)最大加速度αmax。

i.根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）5.1.13條規(guī)定，本建筑不需要采用彈性時(shí)程分析法進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算。

j.根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）5.1.5條規(guī)定，本工程進(jìn)行內(nèi)力與位移計(jì)算時(shí)，可假定樓板在其自身平面內(nèi)為無(wú)限剛，但需對(duì)采用面內(nèi)無(wú)限剛假定的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。因此本工程采用SATWE與Building無(wú)限剛假定進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，采用Building的彈性樓板假定及SATWE無(wú)限剛假定的結(jié)構(gòu)對(duì)構(gòu)件進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。

②彈性計(jì)算結(jié)果及分析

采用SATWE和MIDAS/Building計(jì)算程序計(jì)算的結(jié)果如表3所示，根據(jù)對(duì)比的彈性計(jì)算結(jié)果可知：結(jié)構(gòu)沿主軸方向振動(dòng)形式相近，結(jié)構(gòu)振型、周期、位移形態(tài)和量值在合理范圍；結(jié)構(gòu)地震作用沿高度的分布合理；有效質(zhì)量參與系數(shù)、樓層剪重比、位移角等指標(biāo)均滿足規(guī)范要求；結(jié)構(gòu)構(gòu)件均處于彈性階段；各構(gòu)件的配筋均在合理范圍。

③多遇地震作用下抗震性能目標(biāo)分析結(jié)論

a.彈性計(jì)算分析結(jié)果表明，本工程的控制工況為地震作用組合。

b.本工程采用SATWE（全樓剛）、SATWE（分塊剛）、MIDAS/Building（全樓剛）彈性計(jì)算的結(jié)果相符，同時(shí)從Building剛、彈性樓板假定的計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析表明：本工程狹長(zhǎng)樓板在面內(nèi)變形不太明顯，說(shuō)明采用剛性樓板計(jì)算分析是可行的。盡管剛性假定下V形平面的動(dòng)力特性與彈性假定有一定的差異，但兩種假定下各項(xiàng)計(jì)算指標(biāo)均能滿足規(guī)范的要求。因此采用剛、彈性假定兩種結(jié)果進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)是滿足高規(guī)5.1.5條規(guī)定的。

c.計(jì)算結(jié)果顯示：本工程多遇地震（小震）作用下，各項(xiàng)計(jì)算控制參數(shù)指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

計(jì)算結(jié)果表明，在多遇地震（小震）作用下，所有豎向構(gòu)件及框架梁全部保持彈性，連梁絕大部分保持彈性，極少數(shù)進(jìn)入塑性狀態(tài)。全部構(gòu)件的抗震承載力、各項(xiàng)水平位移限值和舒適度滿足規(guī)范有關(guān)要求。結(jié)構(gòu)一般不受損壞或不需修理可繼續(xù)使用。結(jié)構(gòu)在多遇地震（小震）作用下能達(dá)到預(yù)期的性能目標(biāo)。

（3）設(shè)防烈度地震（中震）作用下的計(jì)算分析及抗震性能目標(biāo)分析

①計(jì)算分析方法

本工程抗震等級(jí)為二級(jí)（按當(dāng)?shù)乜拐饏^(qū)劃為三級(jí)），針對(duì)工程特點(diǎn)以及性能目標(biāo)，進(jìn)行了設(shè)防烈度地震（中震）不屈服設(shè)計(jì)，具體的參數(shù)要求如表4所示。

按規(guī)范參數(shù)進(jìn)行的設(shè)防烈度地震（中震）不屈服設(shè)計(jì)是對(duì)所有豎向構(gòu)件的抗震承載力進(jìn)行驗(yàn)算。分析結(jié)果表明：本工程中所有豎向構(gòu)件均滿足中震不屈服的要求，且結(jié)構(gòu)的最大層間位移角為X向?yàn)?/454，Y向?yàn)?/750，滿足規(guī)范規(guī)定的彈塑性位移角限值（1/120）。

表3　SATWE//Madis/Building彈性計(jì)算結(jié)果簡(jiǎn)表

表4　中震彈性設(shè)計(jì)和中震不屈服設(shè)計(jì)要求

②設(shè)防烈度地震作用下抗震性能目標(biāo)分析結(jié)論

結(jié)果表明：在設(shè)防烈度地震（中震）作用下，根據(jù)SATWE超配筋信息文件顯示：關(guān)鍵構(gòu)件及其他豎向構(gòu)件均滿足 《高規(guī)》公式3.11.3-4的情況，因此其受剪截面均滿足性能目標(biāo)要求；根據(jù)性能目標(biāo)要求，關(guān)鍵構(gòu)件及部分豎向構(gòu)件的截面抗震承載力應(yīng)滿足《高規(guī)》公式3.11.3-2的規(guī)定，因此關(guān)鍵構(gòu)件及部分豎向構(gòu)件的配筋應(yīng)按此設(shè)計(jì)，其他部位部分豎向構(gòu)件允許屈服。以上分析表明：關(guān)鍵構(gòu)件及部分豎向構(gòu)件不屈服，關(guān)鍵構(gòu)件輕度損壞，普通豎向構(gòu)件部分中度損壞，少數(shù)梁損壞嚴(yán)重，但經(jīng)修復(fù)或加固后可繼續(xù)使用。結(jié)構(gòu)在設(shè)防烈度地震（中震）作用下能達(dá)到預(yù)期的性能目標(biāo)。

（4）罕遇地震（大震）作用下的彈塑性計(jì)算分析及抗震性能目標(biāo)分析

①罕遇地震作用下的屈服設(shè)計(jì)及剪力墻和框架柱截面抗剪承載力驗(yàn)算

本工程中對(duì)于關(guān)鍵構(gòu)件的抗震承載力驗(yàn)算需要進(jìn)行罕遇地震（大震）作用下的不屈服設(shè)計(jì)。具體參數(shù)如表5所示。

表5　大震不屈服設(shè)計(jì)要求

罕遇地震（大震）作用下剪力墻截面抗剪承載力的驗(yàn)算采用SATWE等效彈性方法計(jì)算，該方法分析結(jié)果偏于安全。

按規(guī)范參數(shù)進(jìn)行的罕遇地震（大震）不屈服設(shè)計(jì)是對(duì)所有豎向構(gòu)件的抗震承載力進(jìn)行驗(yàn)算。分析結(jié)果表明：本工程豎向構(gòu)件均符合公式（4.2-3）的要求，故豎向構(gòu)件受剪截面滿足要求，同時(shí)根據(jù)配筋計(jì)算結(jié)果顯示，連梁等耗能構(gòu)件各層均有部分超筋嚴(yán)重，顯示其破壞較嚴(yán)重。關(guān)鍵構(gòu)件大多能滿足公式（4.2-2）的要求，但配筋量較大，設(shè)計(jì)時(shí)在保證同一樓層豎向構(gòu)件部分不屈服的原則下，根據(jù)罕遇地震（大震）分析結(jié)果進(jìn)行豎向構(gòu)件截面設(shè)計(jì)。在預(yù)估的大震作用下結(jié)構(gòu)的最大層間位移角為X向?yàn)?/184，Y向?yàn)?/323，滿足規(guī)范規(guī)定的彈塑性位移角限值（1/120）。

②罕遇地震（大震）作用下抗震性能目標(biāo)分析結(jié)論

根據(jù)計(jì)算分析及擬定的后續(xù)設(shè)計(jì)原則表明：在罕遇地震（大震）作用下，關(guān)鍵構(gòu)件的截面抗震承載力均符合《高規(guī)》公式3.11.3-4的規(guī)定，其受剪截面符合《高規(guī)》公式3.11.3-2的規(guī)定。底部加強(qiáng)部位豎向構(gòu)件中度損壞，其他部位豎向構(gòu)件、框架梁、連梁損壞比較嚴(yán)重，需排險(xiǎn)大修。結(jié)構(gòu)在罕遇地震（大震）作用下能達(dá)到預(yù)期的性能目標(biāo)。

4　結(jié)論及建議

（1）在V字型3個(gè)角點(diǎn)部位利用樓梯間和電梯間分別設(shè)置剪力墻筒體，增加整體剛度的同時(shí)，減小整個(gè)建筑的扭轉(zhuǎn)影響；

（2）加強(qiáng)樓板面內(nèi)剛度，各層樓板采用雙層雙向配筋；樓板厚度采用加強(qiáng)處理：一般部位板厚130mm；兩翼端部及連接部位各20m長(zhǎng)左右范圍板厚150mm。

（2）對(duì)梁板構(gòu)件采用剛、彈性假定兩種結(jié)果進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)，豎向構(gòu)件按中震彈性的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)，增強(qiáng)整個(gè)建筑的抗震能力。

［1］張偉莉.淺談高層住宅建筑結(jié)構(gòu)抗震的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2016（1）.

［2］盧全深.基于框支剪力墻結(jié)構(gòu)某高層住宅建筑抗震設(shè)計(jì)［J］.城市建設(shè)理論研究：電子版，2014（21）.

［3］馮松峰.廣州麗江花園高層住宅的抗裂與抗震設(shè)計(jì)研究［D］.華南理工大學(xué)，2002.

［4］樓偉敏.高層住宅樓結(jié)構(gòu)與抗震設(shè)計(jì)［J］.房地產(chǎn)導(dǎo)刊，2013（9）.

［5］陳剛，李霞.某高層住宅工程結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2012 （S1）：129～131.

唐偉軍（1981-），男，助理工程師，本科，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的工作。

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2095-2066（2016）14-0147-03

2016-3-28