淺談超限高層住宅樓結(jié)構(gòu)分析過程

張 錕（山西晉設(shè)拓凡建筑設(shè)計(jì)咨詢有限公司，山西 太原 030000）

超限工程設(shè)計(jì)簡要步驟：①判斷建筑超限；②確定抗震性能目標(biāo)；③彈性分析，CQC計(jì)算，需要采用兩種不同的力學(xué)模型軟件計(jì)算；④彈塑性分析，包括動(dòng)力彈塑性分析和靜力推覆分析（PUSHOVER）；⑤根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行構(gòu)件配筋、截面布置調(diào)整，確保結(jié)構(gòu)的性能；⑥對調(diào)整后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行再次分析，如果結(jié)果良好則可開始編寫報(bào)告。

下面以某超高層住宅樓為例具體介紹，此項(xiàng)目為剪力墻結(jié)構(gòu)，地下三層，地上四十層，總高度120.15m，存在三項(xiàng)超限：高度120.15m＞100m,B級高度高層建筑；凹凸不規(guī)則：凹進(jìn)尺寸占相應(yīng)邊長42.2%＞30%；高寬比：8.0＞7。

結(jié)合項(xiàng)目情況，根據(jù)《山西省超限高層建筑工程抗震設(shè)防界定規(guī)定》（晉建質(zhì)字[2018]272號），抗震設(shè)防性能目標(biāo)定為C級，目標(biāo)進(jìn)行細(xì)化見表1。

表1 抗震性能目標(biāo)

1 整體彈性分析

1.1 小震彈性計(jì)算

多遇地震作用下的計(jì)算采用了兩個(gè)不同力學(xué)模型的結(jié)構(gòu)分析程序計(jì)算,根據(jù)結(jié)構(gòu)靜力與彈性動(dòng)力計(jì)算結(jié)果對數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析。使用程序分別為：①北京盈建科軟件有限責(zé)任公司編制盈建科1.9.1.0版本；②北京MIDAS公司的MIDAS building軟件。兩個(gè)軟件的基本參數(shù)應(yīng)一致，各宏觀計(jì)算指標(biāo)都滿足規(guī)范要求，并且兩軟件計(jì)算結(jié)果相近，則表示構(gòu)件截面取值合理，結(jié)構(gòu)體系選擇恰當(dāng)。其中，需要進(jìn)行對比的結(jié)果有周期、平動(dòng)比例、扭轉(zhuǎn)比例、扭轉(zhuǎn)周期比、結(jié)構(gòu)總質(zhì)量、有效質(zhì)量參與系數(shù)、最大層間位移、最大層間位移角、最大層間位移比、最小剪重比、剛重比等。兩軟件計(jì)算結(jié)果偏差在5%以內(nèi)，則表示計(jì)算結(jié)果相近。計(jì)算結(jié)果見表2、表3。

1.2 中大震等效彈性計(jì)算分析

1.2.1 計(jì)算參數(shù)

風(fēng)荷載計(jì)算信息：不計(jì)算風(fēng)荷載；地震信息結(jié)構(gòu)阻尼比：6；計(jì)算控制信息，連梁剛度折減系數(shù)（地震）：0.4；周期折減系數(shù)：1；考慮雙向地震，不考慮偶然偏心；剪力墻抗震等級：4級?？紤]性能設(shè)計(jì)：高規(guī)中性能水準(zhǔn)：3?？拐鸬燃墸?級。底部加強(qiáng)區(qū)（關(guān)鍵構(gòu)件）剪力墻抗剪彈性，非底部加強(qiáng)區(qū)（普通豎向構(gòu)件）剪力墻抗剪不屈服。剪力墻中震抗彎不屈服，如果配筋大可以插入型鋼或增大暗柱截面，連梁抗剪不屈服。設(shè)計(jì)結(jié)果中不考慮位移。

表2 小震計(jì)算周期對比

表3 小震計(jì)算位移對比

在中震彈性的計(jì)算過程中，材料強(qiáng)度取值為設(shè)計(jì)值，雖然不考慮內(nèi)力調(diào)整系數(shù)，但對荷載分項(xiàng)系數(shù)進(jìn)行了保留，這樣就保留了結(jié)構(gòu)的安全度和可靠度。

中震不屈服設(shè)計(jì)，屬于承載力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，簡單的話說就是使得構(gòu)件在中震作用下達(dá)到彈性極限狀態(tài)，所以在參數(shù)取值上，不計(jì)算風(fēng)荷載，取消結(jié)構(gòu)計(jì)算的內(nèi)力調(diào)整系數(shù)，荷載組合的分項(xiàng)系數(shù)取1.0，承載力抗震調(diào)整系數(shù)取1.0，周期折減系數(shù)取1.0，地震作用不考慮偶然偏心，并且材料強(qiáng)度取為標(biāo)準(zhǔn)值。

1.2.2 計(jì)算結(jié)果

剪力墻中震彈性抗剪承載力驗(yàn)算是否滿足要求，剪力墻中震不屈服下抗彎驗(yàn)算是否滿足要求，如少量墻體暗柱配筋面積大于最大配筋率，采用插入型鋼或增大暗柱截面等措施，其余墻體抗彎均滿足要求，以此作為截面配筋的準(zhǔn)則。

連梁中震抗剪不屈服驗(yàn)算，如少量連梁截面不滿足抗剪截面條件，將損壞嚴(yán)重的連梁增設(shè)兩道交叉斜向鋼筋或交叉暗撐，以提高連梁的斜截面受彎承載力。

中震墻肢抗拉驗(yàn)算（不屈服驗(yàn)算）。根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》(建質(zhì)[2015]67號)第四章第十二條第四款“中震時(shí)出現(xiàn)小偏心受拉的混凝土構(gòu)件應(yīng)采用《高層混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定的特一級構(gòu)造,中震時(shí)雙向水平地震作用下墻肢全截面由軸向力產(chǎn)生的平均名義拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)宜設(shè)置型鋼承擔(dān)拉力,平均名義拉應(yīng)力不宜超過兩倍混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(可按彈性模量換算考慮型鋼和鋼筋的作用)。工程計(jì)算結(jié)果表明，中震下底部樓座出現(xiàn)拉應(yīng)力，根據(jù)墻肢出現(xiàn)拉應(yīng)力大小，施工圖設(shè)計(jì)時(shí)在拉應(yīng)力超過1.0ftk的墻肢中設(shè)置型鋼，且型鋼承擔(dān)中震作用下產(chǎn)生的拉力。最小軸力計(jì)算采用的荷載組合公式為：1.0（D+0.5L）-1.0E。受拉墻肢約束邊緣構(gòu)件配筋率為2%，受拉剪力墻豎向分布筋配筋率為1%。

底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻大震抗剪不屈服驗(yàn)算，非加強(qiáng)區(qū)剪力墻截面控制條件驗(yàn)算，根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果，通過加厚底部加強(qiáng)區(qū)墻體和加大墻體配筋及增設(shè)型鋼，剪力墻截面能滿足大震的性能目標(biāo)要求。

2 結(jié)構(gòu)整體彈塑性時(shí)程分析

選取地震波，首先導(dǎo)入盈建科軟件最新地震波庫，為了保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，我們選擇的地震波的特征周期與該工程要盡量接近，根據(jù)特征周期比分析工程特征周期加減0.05進(jìn)行第一次篩選，將選出的地震波導(dǎo)入備選列表。按照地震波選取的三要素（頻譜特性，有效峰值和持續(xù)時(shí)間），選取5條天然波和2條人工波，軟件會(huì)根據(jù)設(shè)置要求對備選地震波進(jìn)行組合，我們需要在組合列表中選擇一組合適的地震波，被選取的地震波組合要符合每條地震波底部剪力不小于反應(yīng)譜法結(jié)果的65%，平均底部剪力不小于等效大震反應(yīng)譜法結(jié)果的80%，結(jié)構(gòu)反映特征及變化規(guī)律如基底剪力和層間位移角等指標(biāo)與CQC結(jié)果比較接近。

根據(jù)分析結(jié)果，從地震波組合中選用3組基底剪力與位移結(jié)果均較大的地震波進(jìn)行罕遇地震彈塑性分析計(jì)算（2組天然波+1組人工波）。根據(jù)各條地震波彈塑性計(jì)算結(jié)果分析各構(gòu)件破壞及損傷程度，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整計(jì)算模型，以滿足設(shè)定的性能目標(biāo)。

3 超限評審的時(shí)間

結(jié)合本工程經(jīng)驗(yàn)，對超限評審各階段時(shí)間預(yù)估：①預(yù)審報(bào)告時(shí)間，從大震開始3～4周，其中編寫報(bào)告1～2周；②預(yù)審時(shí)間，3～4天；③改報(bào)告時(shí)間，最少15～30天（根據(jù)意見多少）；④報(bào)建設(shè)廳，在政務(wù)辦事大廳或者工程質(zhì)量安全監(jiān)管處；⑤報(bào)完審批時(shí)間，報(bào)完（專家會(huì)后）10個(gè)工作日左右。

4 結(jié)語

超限工程的設(shè)計(jì)，既是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)，比普通工程增加了很多復(fù)雜的計(jì)算過程、分析和難度，分析的過程也是一個(gè)歷練的過程，能夠?qū)Y(jié)構(gòu)概念及設(shè)計(jì)規(guī)范有更深入的認(rèn)識。