某公共建筑綜合樓超限抗震設(shè)計分析

劉 偉 （安徽省建筑設(shè)計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230001）

0 引言

隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，大量體態(tài)復(fù)雜、造型新穎、使用功能綜合化的公共建筑不斷興建。由于建筑造型和功能的需要，造成大量公共建筑結(jié)構(gòu)超限，設(shè)計和計算困難日益加大。結(jié)構(gòu)在設(shè)計階段需要針對項目的薄弱部位進(jìn)行針對性分析，以保證結(jié)構(gòu)在不同抗震設(shè)防水準(zhǔn)下均具有可靠的抗震性能，確保結(jié)構(gòu)安全。因此，對于復(fù)雜超限的大型公共建筑分析其經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)布置，研究其抗震性能的可靠性和安全性，具有重要的工程實踐意義。

1 工程概況

本工程為某大型公共建筑綜合樓，主樓地上共十一層，裙房地上共二層，地下一層地下室，建筑總高度為59.7m?？偨ㄖ娣e為57576m，其中地上建筑面積為42972m，地下室建筑面積為14604m。因建筑功能及建筑方案的要求，本工程主樓與裙房間未設(shè)縫分開，主樓與裙樓平面關(guān)系示意如圖1所示。本工程結(jié)構(gòu)體系為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系。

圖1 主樓與裙樓平面關(guān)系示意圖

本工程相關(guān)計算基本參數(shù)如表1所示。

2 結(jié)構(gòu)超限不規(guī)則項分析

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010），《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010）（2016年版）和城鄉(xiāng)與住房建設(shè)部《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點》（2015年版）有關(guān)規(guī)定，對本工程結(jié)構(gòu)不規(guī)則項進(jìn)行逐一比對核查，明確本工程結(jié)構(gòu)超限情況見表2所示。

工程基本參數(shù)表 表1

經(jīng)核查，本工程屬于A級高度的復(fù)雜高層建筑，存在1項特別不規(guī)則項、3項一般不規(guī)則項，無嚴(yán)重不規(guī)則項，需針對薄弱部位采用加強措施，以確保結(jié)構(gòu)在各水準(zhǔn)地震作用下的可靠性和安全性。

結(jié)構(gòu)超限不規(guī)則項判斷 表2

3 抗震性能目標(biāo)

本工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計根據(jù)抗震性能化設(shè)計的概念和要求進(jìn)行。在滿足規(guī)范的基礎(chǔ)上，本工程的結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)定為C級～D級之間，對中震下關(guān)鍵構(gòu)件性能目標(biāo)予以提高。根據(jù)各構(gòu)件失效可能引起的嚴(yán)重后果程度，把地上1至3層底部加強區(qū)的剪力墻和框架柱、4層周邊剪力墻和框架柱、托柱長懸挑梁及其支承柱定為本樓的關(guān)鍵構(gòu)件，5層及5層以上的剪力墻和框架柱定為本樓的普通豎向構(gòu)件，全樓框架梁和剪力墻上的連梁定為本樓的耗能構(gòu)件。各部位抗震性能目標(biāo)見表3所示。

4 多遇地震結(jié)構(gòu)計算分析結(jié)果

本項目多遇地震下的結(jié)構(gòu)計算采用YJK和Midas Building軟件進(jìn)行對比計算。

兩種軟件計算周期及基底剪力對比如表4、表5所示。

抗震性能目標(biāo)表 表3

周期計算結(jié)果 表4

基底剪力計算結(jié)果 表5

時程分析與反應(yīng)譜分析底部剪力結(jié)果對比 表6

按照頻譜特性、有效峰值和持續(xù)時間三要素，選取5組天然波和2組人工波進(jìn)行彈性時程分析。時程分析與反應(yīng)譜分析基底剪力對比見表6所示。

兩種軟件計算結(jié)果表明，模型各項控制參數(shù)誤差均在10%以內(nèi)，彈性時程分析與規(guī)范反應(yīng)譜計算結(jié)果滿足規(guī)范相關(guān)要求，說明計算模型正確、結(jié)果可靠。計算結(jié)果顯示，在多遇地震作用下，結(jié)構(gòu)安全可靠，小震下的抗震性能目標(biāo)能夠滿足規(guī)范相關(guān)要求。

5 設(shè)防地震結(jié)構(gòu)計算分析結(jié)果

根據(jù)抗震性能化設(shè)計的要求，采用CQC法按照中震彈性和中震不屈服分別進(jìn)行設(shè)防地震作用下的分析計算。

計算結(jié)果顯示，一至四層的剪力墻中較多墻肢出現(xiàn)拉應(yīng)力，且部分墻肢拉應(yīng)力超出混凝土抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值。對于出現(xiàn)拉應(yīng)力的墻肢，根據(jù)平面名義拉應(yīng)力σ在設(shè)計中采取如下對應(yīng)措施：

①當(dāng)0＜σ＜f時，對相應(yīng)墻肢按特一級要求進(jìn)行設(shè)計；

②當(dāng)f＜σ＜2×f時，除按特一級設(shè)計外，墻肢內(nèi)設(shè)置鋼板或型鋼，墻肢內(nèi)縱向鋼筋按受拉鋼筋設(shè)計；

③當(dāng)σ＞2×f時（僅極少數(shù)剪力墻翼緣處），墻肢抗震等級按特一級，暗柱中增加型鋼，根據(jù)計算控制墻肢截面的名義拉應(yīng)力σ＜2×f，同時墻肢內(nèi)縱向鋼筋按受拉鋼筋設(shè)計。保證墻體的剛度在中震下不會有較大的退化，保持較好的抗震性能。

同時在中震作用下，對門廳處躍層柱參考周邊非躍層框柱的剪力，對該躍層柱進(jìn)行剪力、彎矩放大，采用放大后的彎矩和同一工況下的未調(diào)整的軸力對躍層柱進(jìn)行壓彎復(fù)核，確保躍層柱截面在壓彎荷載組合下能夠處于壓彎包絡(luò)曲線內(nèi)，滿足壓彎截面的驗算要求。

6 罕遇地震動力彈塑性時程分析結(jié)果

本工程采用YJK彈塑性時程分析軟件（YJK-EP），以多遇地震作用下的計算配筋為依據(jù)，對本結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性動力時程分析，重點分析底部加強區(qū)部位的剪力墻在罕遇地震下的可靠性。

設(shè)計中按照抗震規(guī)范的要求，根據(jù)以下原則：①特征周期與場地特征周期接近；

②最大峰值接近規(guī)范要求（7度為220gal）；

③持續(xù)時間為結(jié)構(gòu)第一周期的5～10倍；

④時程地震波對應(yīng)的加速度反應(yīng)譜在結(jié)構(gòu)周期點上與規(guī)范譜相差不超過20%。

共篩選2組天然波和1組人工波，如圖2所示。

圖2 罕遇地震下各地震波加速度反應(yīng)譜與規(guī)范譜對比

時程分析結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)主體的最大層間位移角分別為X向1/325、Y向1/317，均小于規(guī)范限值。計算表明，結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的最終狀態(tài)仍然能夠保持主體結(jié)構(gòu)變形穩(wěn)定，保證安全。

結(jié)構(gòu)在大震彈性和大震彈塑性作用下頂點位移和基底剪力時程曲線對比如圖3、圖4所示。

圖3 彈性與彈塑性頂點位移時程曲線對比

圖4 彈性與彈塑性基底剪力時程曲線對比

在開始階段，彈性與彈塑性時程分析的頂點位移和基底剪力基本一致，曲線基本重合；在t=15s之后，隨著耗能構(gòu)件屈服，阻尼比增加，結(jié)構(gòu)剛度退化，周期變長，彈塑性頂點位移和基底剪力開始變小，二者逐漸分離，差異加大，符合彈塑性分析下結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷的一般規(guī)律。

罕遇地震下各墻體的損傷情況如下。

①受壓損傷：底部加強區(qū)及以上各層剪力墻受壓破損程度均較小，少數(shù)墻體受壓損傷主要集中在連梁和裙房收進(jìn)處部分墻肢端部。連梁損傷主要為輕微～中度損傷，主墻肢基本完好，局部出現(xiàn)輕微損傷，墻肢抗震性能保持較好，如圖5所示。計算表明連梁耗能充分，剪力墻能夠保持完好，具有足夠的抗震承載力，滿足所設(shè)定的抗震性能目標(biāo)。

圖5 剪力墻受壓損傷(左)和受拉損傷(右)

②受拉損傷：底部加強區(qū)以上僅局部墻肢出現(xiàn)輕微損傷，大部分均處在無損壞狀態(tài)；底部加強區(qū)以上連梁損傷普遍并達(dá)到了中度～嚴(yán)重?fù)p傷，如圖5所示。底部加強區(qū)連梁及墻肢受拉損傷分布廣泛，連梁損傷達(dá)到中度～嚴(yán)重，說明連梁耗能充分；墻肢損傷為輕微～中度，極少數(shù)與連梁相連的墻肢邊緣由于連梁損壞耗能蔓延，出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p傷，但損傷范圍較小，未形成貫穿墻肢的損傷破壞，基本不影響主體墻肢承載力，能夠滿足墻肢在大震作用下不倒塌的性能目標(biāo)。

針對墻肢受拉損傷，在設(shè)計中提高底部加強區(qū)核心筒外墻的水平和豎向分布鋼筋的配筋率，同時在底部加強區(qū)的核心筒外墻中設(shè)置鋼板，角部設(shè)置型鋼，提高墻肢在大震作用下的抗拉性能。

罕遇地震下的彈塑性動力時程分析表明，剪力墻、柱、框架梁、連梁在大震作用下破損不大，經(jīng)修復(fù)或加固后可繼續(xù)使用；局部框架梁和連梁進(jìn)入比較嚴(yán)重?fù)p壞范圍，對結(jié)構(gòu)起到了重要的耗能作用，大部分墻肢損壞處于輕度損壞范圍以內(nèi)。局部應(yīng)力較大處所占比例很小，通過適當(dāng)加強提高配筋率等措施以提高其抗震性能。

綜上所述，結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下塔樓的各構(gòu)件損壞程度均可控制在性能目標(biāo)要求范圍內(nèi)，滿足所設(shè)定的抗震性能目標(biāo)要求。

7 結(jié)論

本工程屬于A級高度超限項目，在設(shè)計中采用概念設(shè)計方法，根據(jù)抗震原則和性能化設(shè)計要求，在保證結(jié)構(gòu)在多遇地震下處于完全彈性階段外，同時分析了主要構(gòu)件在設(shè)防地震和罕遇地震下的抗震性能表現(xiàn)。通過對結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性、彈塑性時程計算分析表明，結(jié)構(gòu)多項指標(biāo)表現(xiàn)良好，各不規(guī)則項得到基本有效控制，確保結(jié)構(gòu)安全可靠，能夠?qū)崿F(xiàn)抗震性能化水準(zhǔn)的要求。

本工程通過對超限高層抗震性能化設(shè)計的系統(tǒng)分析，對類似工程的設(shè)計和分析具有參考和借鑒意義。