某超限住宅項目動力彈塑性分析

劉慶剛

廣州市設(shè)計院（510000）

1 工程概況

工程項目位于廣州市海珠區(qū)，為4棟超高層住宅以及地下室，文章著重介紹其中的D棟。本項目的D棟塔樓為地下6層，地上44層，總計容面積為23994.5m2。房屋高度148.1m。地下1層高5.4 m，非塔樓范圍3.5m，首層層高4.8m，2層層高4.1 m，5層層高4.4m，3層以上文化站層高3.5m、酒店層高3.1m、住宅層高3.1m，低區(qū)避難層層高5.4 m，高區(qū)避難層層高4.5m。地下室主要為車庫與設(shè)備機(jī)房，地上1層為開場大堂，2層及以上主要功能為文化站、酒店、住宅，在14層與29層分別設(shè)置兩層避難層。

根據(jù)建筑功能分區(qū)、平面布局使用舒適等要求，采用部分框支混凝土剪力墻的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)體系。為滿足酒店、文化站大空間使用功能要求，6層及15層樓面以下取消部分豎向構(gòu)件（剪力墻），在樓面采用型鋼混凝土框梁架托墻轉(zhuǎn)換上部豎向構(gòu)件，以滿足轉(zhuǎn)換層上下兩個功能分區(qū)的使用及運營特點。

2 結(jié)構(gòu)超限情況及抗震性能目標(biāo)

2.1 超限情況判別

高度超限:房屋高度為148.1m，超過高度限值。

扭轉(zhuǎn)不規(guī)則:結(jié)構(gòu)最大位移比為1.26（7層）。

構(gòu)件間斷:6層層樓面存在局部托墻轉(zhuǎn)換。

其他不規(guī)則:15層樓面存在一片托墻轉(zhuǎn)換。

根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點》要求，本工程應(yīng)進(jìn)行超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查。

2.2 性能目標(biāo)選取

按照《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50007—2010）[1]第1.0.1條規(guī)定的抗震設(shè)防目標(biāo)（小震不壞、中震可修、大震不倒），考慮到本項目存在高度超限、構(gòu)件間斷、扭轉(zhuǎn)不規(guī)則和其他不規(guī)則的四項超限，結(jié)合結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性要求，本項目整體選擇C級抗震性能目標(biāo)。在多遇地震下，結(jié)構(gòu)滿足性能水準(zhǔn)1。在設(shè)防烈度地震下，結(jié)構(gòu)滿足性能水準(zhǔn)3。在預(yù)估罕遇地震下，結(jié)構(gòu)滿足性能水準(zhǔn)4。對于框支框架（框支柱與框支梁）等關(guān)鍵構(gòu)件，抗震性能目標(biāo)提高至B級。

3 動力彈塑性分析

3.1 分析軟件介紹

3.1.1 計算軟件

動力彈塑性計算軟件PKPM-SAUSAGE（PKPM Seismic Analysis Usage），運用一套新的計算方法，可以準(zhǔn)確模擬梁、柱、支撐、剪力墻（混凝土剪力墻和帶鋼板剪力墻）和樓板等結(jié)構(gòu)構(gòu)件的非線性性能，使實際結(jié)構(gòu)的大震分析具有計算效率高、模型精細(xì)、收斂性好的特點[2]。

3.1.2 材料本構(gòu)

3.1.2.1 鋼材

鋼材的非線性材料模型采用雙線性隨動硬化模型，在循環(huán)過程中，無剛度退化，考慮了包辛格效應(yīng)。鋼材的強(qiáng)屈比設(shè)定為1.2，極限應(yīng)力所對應(yīng)的極限塑性應(yīng)變?yōu)?.025。

3.1.2.2 混凝土材料

一維混凝土材料模型采用規(guī)范指定的單軸本構(gòu)模型,能反應(yīng)混凝土滯回、剛度退化和強(qiáng)度退化等特性，其軸心抗壓和軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[3]表4.1.3采用。混凝土材料進(jìn)入塑性狀態(tài)伴隨著剛度的降低。剛度損傷分別由受拉損傷參數(shù)dt和受壓損傷參數(shù)dc來表達(dá),dt和dc由混凝土材料進(jìn)入塑性狀態(tài)的程度決定。二維混凝土本構(gòu)模型采用彈塑性損傷模型，該模型能夠考慮混凝土材料拉壓強(qiáng)度差異、剛度及強(qiáng)度退化以及拉壓循環(huán)裂縫閉合呈現(xiàn)的剛度恢復(fù)等性質(zhì)。

3.2 地震波選取

大震下地震波選取一條人工波和兩條天然波，其 分 別 為TH024TG035、TH035TG035、RH2TG040。各波主方向加速度峰值調(diào)至220cm/s2，各向峰值比值為1∶0.85∶0.65，對結(jié)構(gòu)X、Y兩個方向分別作用各地震波主方向進(jìn)行計算，時程取完整的地震波記錄時程。

3.3 大震下整體性能分析

3.3.1 基底剪力

結(jié)構(gòu)在所選的各條地震波作用下的最大基底剪力:小震CQC大震最大基底剪力X向6527.10 kN、Y向6280.89kN，TH024TG035大震最大基底剪力X向27000kN、Y向22600kN，TH035TG035大震最大基底剪力X向26900kN、Y向31000 kN，RH2TG040大震最大基底剪力X向42300kN、Y向34500kN，各條地震波剪力計算值均在正常計算范圍之內(nèi)，可以認(rèn)為計算結(jié)果有效可信。

3.3.2 層間位移角

結(jié)構(gòu)在各波大震作用下層間位移角最大值。D棟在TH024TG035地震動下，X向?qū)娱g位移角最大，為1/284。在TH035TG035地震動下，Y向?qū)娱g位移角最大，為1/218。在RH2TG040地震動下，Y向?qū)娱g位移角最大，為1/225。

3.3.3 結(jié)構(gòu)能量耗散分布情況

各地震波能量耗散情況相似，取RH2TG040主X向地震波的能量耗散情況對結(jié)構(gòu)能量耗散機(jī)制進(jìn)行說明。通過資料可知，結(jié)構(gòu)的總功主要由阻尼耗能消耗。在塑性耗能中，墻柱以及墻梁耗能為主要部分，振動過程吸收較多的地震能量。由耗能時程看出，隨著地震能量的輸入，結(jié)構(gòu)的總功及阻尼耗能不斷增大。在結(jié)構(gòu)地震后期不再震動，動能耗散完畢減為零，并產(chǎn)生大量的塑性耗能，充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)體系的耗能機(jī)制。

3.4 大震下結(jié)構(gòu)破壞形態(tài)及抗震性能總結(jié)

罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)樓層質(zhì)心處層間位移角時程包絡(luò)滿足性能目標(biāo)C的不大于1/125的抗震設(shè)防要求。

在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)剪力墻的受壓損傷主要集中墻的底部，多為無損傷或輕微損傷。剪力墻的受拉損傷主要集中于底部剪力墻以及框支梁，為輕微至輕度損傷?？梢?，剪力墻滿足抗彎部分中度損壞性能水準(zhǔn)要求[4]。

連梁作為剪力墻結(jié)構(gòu)主要耗能構(gòu)件，在罕遇地震作用下大部分連梁出現(xiàn)受壓損傷和一定的受拉損傷，主要表現(xiàn)為彎剪破壞，所有連梁都滿足抗剪截面要求?？梢?，連梁滿足中度損壞、部分比較嚴(yán)重?fù)p壞的性能水準(zhǔn)。框架梁都滿足抗剪截面要求?？梢?，框架梁滿足中度損壞，部分比較嚴(yán)重?fù)p壞的性能水準(zhǔn)[5-7]。框架梁、連梁進(jìn)入塑性，消耗了大部分地震動輸入能量，使結(jié)構(gòu)剛度降低、周期加長，較小地震力作用的輸入[8]。

綜上所述，罕遇地震作用下各項指標(biāo)均滿足性能水準(zhǔn)4的抗震性能目標(biāo)要求。

4 結(jié)語

本工程在小震作用下，主要技術(shù)指標(biāo)滿足規(guī)范要求，所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件均處于彈性階段，結(jié)構(gòu)完好無損或無需修理即可使用。在中震作用下，結(jié)構(gòu)底部部分剪力墻出現(xiàn)拉應(yīng)力，對拉應(yīng)力大于1倍ftk的剪力墻墻肢，設(shè)置型鋼，使混凝土名義剪應(yīng)力小于1倍ftk，以控制墻肢橫向裂縫的寬度，剪力墻均滿足中震抗剪彈性、抗彎不屈服，框架梁和連梁滿足抗剪不屈服、少數(shù)抗彎屈服，所有構(gòu)件滿足性能水準(zhǔn)3。在罕遇地震（大震）作用下，靜力及動力彈塑性時程分析結(jié)果表明，主體結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性受力狀態(tài)，樓層的最大彈塑性層間位移角滿足規(guī)范的限值要求，結(jié)構(gòu)整體的損傷程度并不嚴(yán)重，連梁在全樓絕大多數(shù)樓層均進(jìn)入塑性耗能狀態(tài)，框架梁梁端在全樓絕大多數(shù)樓層出現(xiàn)塑性鉸并進(jìn)入屈服狀態(tài)。通過以上結(jié)論可認(rèn)為，罕遇地震（大震）作用下豎向構(gòu)件性能保持良好，結(jié)構(gòu)能達(dá)到“大震不倒”的抗震設(shè)防要求。為了增強(qiáng)結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的延性變形，對結(jié)構(gòu)薄弱部位采取比規(guī)范更嚴(yán)格的構(gòu)造措施，即對轉(zhuǎn)換梁柱的性能目標(biāo)提高至B級，以達(dá)到抗震性能設(shè)計的要求。通過以上基于結(jié)構(gòu)性能的抗震設(shè)計分析，可以證明本工程滿足國家制定的相關(guān)規(guī)范，達(dá)到業(yè)主希望得到的性能目標(biāo)，即本工程抗震性能達(dá)到性能目標(biāo)C級（框支框架提高至B級）的要求。

綜上所述，本項目能實現(xiàn)設(shè)定的抗震性能目標(biāo)預(yù)期，滿足結(jié)構(gòu)抗震安全性要求。