南山寶灣大廈超限結(jié)構(gòu)抗震性能分析

侯 剛 曹 波 楊秋偉,2,3 馮曉東 張 梁

(1.紹興文理學(xué)院 土木工程學(xué)院，浙江 紹興 312000；2.寧波工程學(xué)院 建筑與交通工程學(xué)院，浙江 寧波 315211；3.浙江省土木工程工業(yè)化建造工程技術(shù)研究中心，浙江 寧波 315211；4.蘇州設(shè)計(jì)股份有限公司 無錫分公司，江蘇 無錫 214070)

0 引言

隨著時(shí)代的快速發(fā)展，各式各樣的現(xiàn)代超高層建筑出現(xiàn)在人們的眼前.建筑師為了滿足業(yè)主的要求，對(duì)建筑進(jìn)行各方面的改造和創(chuàng)新，設(shè)計(jì)了很多沖擊人們視覺美感的建筑，如大跨度結(jié)構(gòu)、多功能結(jié)構(gòu)以及體型不規(guī)則且內(nèi)部空間復(fù)雜的超高層建筑結(jié)構(gòu)[1].由于這些建筑結(jié)構(gòu)一般都是超高或是不規(guī)則的，因此在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性能設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)所具有的復(fù)雜性和特殊性都會(huì)引起大家關(guān)注[2].當(dāng)采用框剪結(jié)構(gòu)體系，在超B級(jí)超限高度情況下，樓層有較大面積的開洞且超過規(guī)范要求限制時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能是有很大影響的[3-5].需要對(duì)結(jié)構(gòu)的水平荷載、軸向變形、結(jié)構(gòu)側(cè)移以及結(jié)構(gòu)延性等特點(diǎn)在地震效應(yīng)作用下進(jìn)行校核檢驗(yàn)，并對(duì)整體結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行優(yōu)化，使其具有良好的結(jié)構(gòu)性能[5].

針對(duì)超限層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出現(xiàn)水平荷載分布不均勻、軸向變形以及結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力和抗側(cè)力達(dá)不到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)等問題.本文通過對(duì)南山寶灣大廈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究，利用軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體計(jì)算分析比較，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)在多遇地震下的各項(xiàng)性能指標(biāo)以及在罕遇地震作用下的抗震性能設(shè)防目標(biāo)都能夠滿足規(guī)范要求.

1 工程實(shí)例

工程選用南山寶灣大廈，由一棟塔樓組成，無裙房，地上35層，采用的是框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系，主屋面高度為156.90 m，屬于超B級(jí)超限高層建筑，樓層有較大面積開洞.塔樓以4.2 m層高辦公空間為主，底層為10.5 m的大堂層，結(jié)構(gòu)采用的安全等級(jí)為二級(jí)，50年的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期，丙類的抗震設(shè)防類別[6].根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)[7](以下簡(jiǎn)稱抗規(guī))和《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ 3—2010)[8](以下簡(jiǎn)稱高規(guī))，該工程的抗震設(shè)防為7度，0.10 g的基本地震加速度值，Ⅱ類的場(chǎng)地類別以及0.35 s的特征周期，結(jié)構(gòu)超限情況為高度超限和平面不規(guī)則，計(jì)算三維模型見圖1，標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)圖見圖2所示.

圖1 三維模型圖

圖2 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)塔樓的超限情況，依照《抗規(guī)》要求，設(shè)定C級(jí)是結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)，并確定構(gòu)件在不同程度損害的承載力要求.根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及超限情況，結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震性能目標(biāo)如表1所示.

表1 構(gòu)件抗震性能目標(biāo)

2 靜力彈性計(jì)算分析

2.1 整體計(jì)算分析

該結(jié)構(gòu)在雙向地震和偶然偏心下，利用YJK軟件依照CQC法進(jìn)行整體分析計(jì)算.表2為整體分析計(jì)算結(jié)果.由計(jì)算分析結(jié)果可知，兩個(gè)軟件所分析的結(jié)構(gòu)質(zhì)量和周期比非常接近，說明對(duì)于該模型的分析結(jié)果具有一定的準(zhǔn)確性.

表2 整體分析計(jì)算結(jié)果

從表2中的結(jié)構(gòu)自振周期數(shù)據(jù)可以看出，該工程項(xiàng)目結(jié)構(gòu)具有良好的抗扭轉(zhuǎn)能力.根據(jù)《高規(guī)》3.4.5條，結(jié)構(gòu)在偶然偏心影響下，X、Y向的最大層間位移和平均層間位移比都在規(guī)范要求的1.4以內(nèi).根據(jù)《高規(guī)》5.4.4條、《抗規(guī)》5.2.5條以及《高規(guī)》3.7.3條可知，該結(jié)構(gòu)的鋼重比和樓層最小剪切比也都滿足規(guī)范要求.

2.2 彈性時(shí)程分析

根據(jù)《安評(píng)報(bào)告》[9]提供的5條天然波XZ1-1.632波、XZ2-1.632波、XZ2-2.632波、XZ3-1.632波、XZ3-2.632波和2條人工波DZ1.632波、DZ2.632波，在多遇地震下的用YJK軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性分析.計(jì)算分析時(shí)，將采用的7條地震波的地震影響系數(shù)調(diào)整為35 cm/s2[10]，地震波均采用單向輸入，設(shè)定波的阻尼比ξ為0.05，持續(xù)時(shí)間為40 s，時(shí)間間距為0.02 s.其中7條波反應(yīng)譜曲線與規(guī)范反應(yīng)譜所用的地震影響系數(shù)曲線對(duì)比圖如圖3所示.

圖3 多遇地震時(shí)程分析波譜曲線與反應(yīng)譜曲線

從圖3可以看出，該結(jié)構(gòu)所選的7條地震波的影響系數(shù)曲線和規(guī)范普所示的地震影響系數(shù)曲線基本一致.表3列出了各條波以及平均值與CQC法的基底剪力比較結(jié)果，根據(jù)表3所示我們可以得出，各條波計(jì)算所得基底總剪力，都超過CQC法基底總剪力的65%，同時(shí)7條波得基底剪力平均值也都超過CQC法基底剪力的80%.由計(jì)算結(jié)果可以表明各條波的選取合理，可以用于時(shí)程分析.

表3 剪力計(jì)算結(jié)果

樓層剪力圖、樓層彎矩圖以及最大層間位移角曲線圖如圖4、圖5、圖6所示.由圖4可知，每條波的各層剪力曲線都不相同，但每條波的層剪力平均值曲線與CQC法所計(jì)算出的層剪力曲線基本一致[11].根據(jù)規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)中的剪力值選取兩者中較大的一個(gè)值進(jìn)行設(shè)計(jì).由圖5可知，每條波的最大樓層彎矩曲線走勢(shì)基本一致，平均值曲線和CQC法所得曲線也比較相似.根據(jù)規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)中的彎矩值取兩者較大值進(jìn)行設(shè)計(jì).從圖6可知，每條波所得層間位移角曲線也都小于CQC法的層間位移角曲線.

(a)X向

(a)X向

(a)X向

由上述分析得，起主要控制作用的是CQC法分析得出的結(jié)果，對(duì)上部樓層設(shè)計(jì)時(shí)要注意到時(shí)程曲線所計(jì)算出兩者剪力的較大值.彈性時(shí)程計(jì)算結(jié)果顯示，在多遇地震作用下，整體結(jié)構(gòu)及構(gòu)件都滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到C級(jí)抗震性能水準(zhǔn)[11].

3 罕遇地震作用下的動(dòng)力彈塑性分析

根據(jù)《高規(guī)》規(guī)定超B級(jí)高度以及混合且復(fù)雜的超高層建筑結(jié)構(gòu)還應(yīng)補(bǔ)充動(dòng)力彈塑性分析.該結(jié)構(gòu)的超限情況屬于超B級(jí)高度超限且樓層還有大面積開洞的平面不規(guī)則，所以補(bǔ)充動(dòng)力彈塑性分析是非常有必要的.該工程采用perform-3D軟件對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力彈塑性分析，根據(jù)分析結(jié)果來判定結(jié)構(gòu)是否能夠滿足罕遇地震下的抗震性能目標(biāo).

3.1 材料本構(gòu)

該工程假定鋼筋為理想彈塑性材料，本構(gòu)關(guān)系采用三折線模型，見圖7.不管是否屈服，卸載后在重新加載都能恢復(fù)彈性狀態(tài).混凝土的本構(gòu)關(guān)系采用多折線模型，根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50011—2002)附錄C的公式確定相關(guān)參數(shù)[12]，混凝土設(shè)計(jì)考慮受壓不考慮受拉其本構(gòu)圖如圖8所示.

圖7 鋼筋本構(gòu)模型

圖8 混凝土本構(gòu)模型

3.2 地震波輸入

該工程選取了三組五條地震波，分別為人工模擬波DZ1.02、天然波DZ2-1.02(天然波DZ2-2.02)、天然波DZ3-1.02(天然波DZ3-2.02)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力彈塑性計(jì)算分析.每條地震波的主要參數(shù)見表4所示.對(duì)于人工模擬的地震波，采用單向輸入，分別計(jì)算X向和Y向單方向地震作用，對(duì)于天然波則采用主、次方向雙向單點(diǎn)輸入.

表4 地震波的主要參數(shù)

3.3 分析結(jié)果對(duì)比

分別采用Perform-3D和YJK軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，結(jié)果如表5所示.從表5可以看出兩個(gè)軟件分析出的模型質(zhì)量非常接近，周期差也在5%以內(nèi)，周期比小于0.85，滿足規(guī)范要求.

表5 結(jié)構(gòu)自振特性

3.3.1 層間位移角分析

表6為各地震波的最大層間位移角及所在樓層，圖9為典型地震波作用下各樓層最大層間位移角.由表6可見，結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下X、Y向的最大彈塑性層間位移角分別為1/250，1/181，都小于規(guī)范中彈塑性層間位移角限值1/100，滿足規(guī)范要求.

表6 動(dòng)力彈塑性分析結(jié)果

圖9 層間位移角

3.3.2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震性能評(píng)估

選取一條在X方向地震響應(yīng)比較大的波，對(duì)此進(jìn)行性能評(píng)估.在Perform-3D中，可以通過Min.Radio值來判斷構(gòu)件進(jìn)入塑性的程度，如圖10所示，其中數(shù)值為1時(shí)損傷程度最高，已經(jīng)超過了預(yù)定目標(biāo).Min.Radios數(shù)值從0.8～0.4時(shí)損傷程度逐漸降低，且均不超過預(yù)定的損傷程度[13].當(dāng)結(jié)構(gòu)在某個(gè)狀態(tài)下，隨著顏色逐漸變化，其結(jié)構(gòu)的塑性程度也在發(fā)生變化，當(dāng)數(shù)值達(dá)到1時(shí)，結(jié)構(gòu)開始進(jìn)行下一狀態(tài).

圖10 塑性程度顏色圖例

圖11(a)表示樓層框架和連梁性能處在IO狀態(tài)下，從圖11(a)中我們可以看出樓層框架仍處于彈性狀態(tài)下，但一些框架梁有較小的變形，表明進(jìn)入塑性狀態(tài)下，大部分梁還是處于彈性狀態(tài)即處于正常運(yùn)行狀態(tài).圖11(b)是樓層框架和連梁性能處在LS狀態(tài)下，在這個(gè)階段我們可以看出，由于地震的作用，樓層的框架梁和連梁大部分都進(jìn)入了塑性階段，但樓層的上部和下部的變形都比較小.其中框架梁和連梁基本處于LS階段，即生命安全階段.

(a)IO性能

4 研究結(jié)果對(duì)比分析

郭明等[14]在《深圳塘朗F地塊T6超限高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析》中，使用YJK軟件，采用CQC法進(jìn)行抗震計(jì)算.得出結(jié)構(gòu)的最大層間位移角小于規(guī)范要求且結(jié)構(gòu)X、Y向的鋼重比也都大于《高規(guī)》規(guī)定要求，最大層間位移與平均層間位移比都在規(guī)范要求的1.4以內(nèi)，符合本文的計(jì)算分析結(jié)果.另外，在多遇地震作用下結(jié)構(gòu)的彈性時(shí)程分析得出的結(jié)論同樣滿足規(guī)范要求與本文利用YJK軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性時(shí)程分析得出的結(jié)論基本一致.

黃橋平[15]在《合肥某超限建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》中，利用Perform-3D軟件對(duì)塔樓進(jìn)行了罕遇地震下的彈塑性時(shí)程分析，得出了在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)在X、Y向的最大層間位移角都小于規(guī)范1/100限值要求，與本文對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力彈塑性所分析的結(jié)果基本一致.

5 結(jié)論

該工程項(xiàng)目通過YJK和Perform-3D軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性時(shí)程分析和動(dòng)力彈塑性分析得出以下結(jié)論：

(1)依據(jù)YJK和SATWE兩種軟件的對(duì)比分析結(jié)果，結(jié)構(gòu)構(gòu)件在多遇地震作用下仍然完全處于彈性階段，滿足規(guī)范要求.

(2)通過對(duì)結(jié)構(gòu)的彈塑性時(shí)程分析，結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵構(gòu)件能夠在罕遇地震下達(dá)到規(guī)范要求，同時(shí)也能滿足抗震性能目標(biāo)設(shè)定的C級(jí)要求.

(3)在罕遇地震下，結(jié)構(gòu)的局部屈服但仍處于安全狀態(tài)且層間位移角都在規(guī)范要求內(nèi)，能夠滿足“大震不倒”的設(shè)防性能要求.

(4)結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)構(gòu)性能指標(biāo)都能夠滿足規(guī)范要求，可以認(rèn)為該工程項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是安全可靠的.