某高層辦公樓結(jié)構(gòu)抗震性能分析

吳穎

中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 上海 200070

1 工程概況

某高層辦公樓采用鋼框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)高度為47.1m。地下2層，地上11層，首層和二層層高4.5m，其余層層高4.2m。結(jié)構(gòu)的安全等級為二級，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年，抗震設(shè)防烈度為7度（0.10 g），抗震設(shè)防類別為丙類，場地類別為Ⅳ類。計(jì)算三維模型見圖1。

圖1 計(jì)算三維模型

由于建筑造型導(dǎo)致底部兩層收進(jìn)與架空，存在豎向構(gòu)件不連續(xù)的情況，針對不連續(xù)的豎向構(gòu)件，采用了斜柱進(jìn)行轉(zhuǎn)換。因建筑內(nèi)部空間要求，底層設(shè)兩層通高的辦公大堂，存在穿層柱、二層樓板不連續(xù)。此外，由于建筑造型及功能要求，十層結(jié)構(gòu)收進(jìn)大于相鄰下層的25%。綜上所述，結(jié)構(gòu)存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、樓板不連續(xù)、側(cè)向剛度不規(guī)則、豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)4項(xiàng)一般不規(guī)則條目，無特別不規(guī)則條目，判定屬于超限高層建筑。

結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)根據(jù)抗震設(shè)防類別、設(shè)防烈度、場地條件、結(jié)構(gòu)的特殊性、建造費(fèi)用、震后損失和修復(fù)難易程度等各項(xiàng)因素綜合考慮后確定。根據(jù)該結(jié)構(gòu)的自身特殊性，針對其結(jié)構(gòu)體系特點(diǎn)及超限情況，結(jié)合《高鋼規(guī)》[1]，設(shè)定本單體的抗震性能目標(biāo)為C級，詳表1。

表1 抗震性能目標(biāo)

2 多遇地震作用下彈性計(jì)算分析

考慮到結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，計(jì)算分析采用兩種符合實(shí)際情況的不同力學(xué)模型的空間有限元分析程序YJK和MIDAS進(jìn)行分析比較，并采用考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)的振型分解反應(yīng)譜法，保證分析的準(zhǔn)確性和完整性。計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求，說明計(jì)算結(jié)果合理、有效，計(jì)算模型符合結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀況。且兩種計(jì)算軟件的分析結(jié)果接近，結(jié)構(gòu)動力特性基本吻合，結(jié)構(gòu)的自振周期、層間位移角、位移比等指標(biāo)接近，誤差在模型計(jì)算可接受范圍，詳見表2。

表2 結(jié)構(gòu)方案指標(biāo)對比

3 罕遇地震作用下彈塑性計(jì)算分析

彈塑性時程分析方法把結(jié)構(gòu)作為彈塑性振動體系，輸入地震波數(shù)據(jù)，計(jì)算分析在地面加速度隨時間變化的期間內(nèi)，結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形隨時間變化的全過程。結(jié)構(gòu)彈塑性分析模型根據(jù)構(gòu)件的實(shí)際配筋搭建，通過對材料本構(gòu)關(guān)系的定義可以模擬構(gòu)件的實(shí)際力學(xué)性能，通過地震波的完整輸入可以反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際地震響應(yīng)，結(jié)構(gòu)彈塑性動力時程分析是一種精度及可靠性均很高的用于考察結(jié)構(gòu)實(shí)際抗震性能的分析方法。

本工程進(jìn)行彈塑性時程分析的主要目的為：對結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能評估，分析結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的最大彈塑性層間位移角能否滿足規(guī)范的要求；得到滿足工程精度要求的計(jì)算結(jié)果，為設(shè)計(jì)提供依據(jù)。詳細(xì)來說是為了發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)在大震作用下的潛在破壞機(jī)制，找出相應(yīng)的薄弱部分，從而加強(qiáng)薄弱部分，使結(jié)構(gòu)整體達(dá)到預(yù)定的抗震性能要求。

計(jì)算軟件采用高性能結(jié)構(gòu)動力彈塑性計(jì)算軟件PKPMSAUSAGE。鋼材采用雙線性隨動硬化模型，不考慮剛度退化。鋼材的強(qiáng)屈比為1.25，極限應(yīng)力對應(yīng)的極限塑性應(yīng)變?yōu)?.025。桿件非線性模型采用纖維束模型，用于模擬梁、柱、斜撐和桁架等構(gòu)件。

本工程選用特征周期1.1s的三組地震波進(jìn)行大震下的動力彈塑性時程分析[2]，其中采用兩組天然波H001TG110_CHUETSU-OKI_7-16-2007_NIG014、SHW11及一組人工波SHW8進(jìn)行計(jì)算。

為了確保Sausage分析模型的準(zhǔn)確性，與YJK模型對比主要自振周期，見表3。兩個軟件計(jì)算的前三階自振周期差異在5%以內(nèi)，說明Sausage模型計(jì)算具有一定的可靠性。

表3 結(jié)構(gòu)自振特性

圖2為各地震波的最大層間位移角曲線，結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下X、Y兩個方向平均層間位移角均滿足規(guī)范中彈塑性層間位移角限值1/50的限值要求，從層間位移角曲線未發(fā)現(xiàn)明顯的薄弱層。

圖2 層間位移角

《高鋼規(guī)》第3.8節(jié)關(guān)于結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)，將結(jié)構(gòu)的抗震性能分為五個水準(zhǔn)，對應(yīng)的構(gòu)件損壞程度分別為“無損壞、輕微損壞、輕度損壞、中度損壞、比較嚴(yán)重?fù)p壞”五個級別。在SAUSAGE中構(gòu)件的損壞主要以混凝土的受壓損傷因子、受拉損傷因子及鋼材（鋼筋）的塑性應(yīng)變程度作為評定標(biāo)準(zhǔn)。

選取一條在X方向地震響應(yīng)比較大的波，對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能評估[3]。由圖3地震作用下鋼框架梁的性能水平可知，大部分鋼框架梁為輕微損傷，部分達(dá)到輕度損傷，大震下框架梁仍有較大的延性，滿足性能目標(biāo)。由圖4地震作用下框架柱性能水平可知，大部分框架柱都在輕微損傷和輕度損傷的范圍，框架柱未屈服，滿足性能目標(biāo)。由圖5地震作用下二層樓板的性能水平可知，大震下樓板基本無損傷，滿足性能目標(biāo)，其余各層樓板情況類似。

圖3 天然波SHW11-X梁性能水平

圖4 天然波SHW11-X柱性能水平

圖5 天然波SHW11-X二層樓板性能水平

4 結(jié)束語

通過對某超限高層辦公樓進(jìn)行多遇地震的彈性分析和罕遇地震作用下的結(jié)構(gòu)性能化分析，得出以下結(jié)論：

根據(jù)YJK 和MIDAS GEN兩種軟件的對比分析結(jié)果，結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下處于彈性階段，滿足規(guī)范要求。

罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)平均層間位移角均滿足規(guī)范1/50的限值要求，從層間位移角曲線未發(fā)現(xiàn)明顯的薄弱層。

罕遇地震作用下，大部分框架梁處于無損壞或輕微損壞，部分框架梁輕度損壞，起到耗能的作用；底層框架柱和斜柱處于輕微損壞及輕度損壞，能夠達(dá)到大震下性能水準(zhǔn)4的要求；樓板基本處于無損壞狀態(tài)，二層有部分樓板輕微損壞，能夠達(dá)到大震下性能水準(zhǔn)4的要求。結(jié)構(gòu)整體抗震性能與預(yù)期塑性化過程吻合。

結(jié)構(gòu)整體抗震性能良好，與預(yù)期塑性化過程吻合，能夠達(dá)到預(yù)定的大震下性能目標(biāo)，認(rèn)為該工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是安全可靠的。