程曉杰，孫 俊

（安徽建筑大學 土木工程學院，安徽 合肥230022）

0 引 言

近年來，隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的飛速發(fā)展和建筑科技的進步，高度超高、體型復雜、跨度過大、結(jié)構(gòu)異常的超限高層建筑不斷增多。這類建筑往往存在高度或平面與豎向規(guī)則性方面超過規(guī)范、規(guī)程規(guī)定的限值。超限結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計問題日益成為高層建筑工程中的重難點，我國已經(jīng)開始應(yīng)用基于性能的抗震設(shè)計，并取得了一定的成效。該方法在設(shè)防時提出具體量化的性能目標，提高工程抗震設(shè)計的可靠性，避免抗震安全隱患，促進高層建筑技術(shù)的發(fā)展。

本文針對某超限高層剪力墻結(jié)構(gòu)工程，采用基于性能的抗震設(shè)計理論，首先建立兩種不同力學模型，然后對比分析，并進行彈塑性分析，通過尋找性能點，對結(jié)構(gòu)抗震性能進行評估，提出加強措施，以此來實現(xiàn)抗震設(shè)防目標。

1 工程概況

本工程位于安徽省合肥市，為高層住宅樓，地上部分44層，地下部分為2層地庫。地庫層高從下至上分別為4.30m、4.40m，地上除一層層高為4.45m外，其余層高均為2.95m，建筑總高度131.60m。安全等級為二級；結(jié)構(gòu)耐火等級一級；結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限50年。

該工程基本參數(shù)依據(jù)地勘和安評報告，并結(jié)合《抗規(guī)》［1］要求選取。建筑抗震設(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度為0.1g，設(shè)計地震分組為第一組。剪力墻抗震等級一級，場地類別為Ⅱ類，特征周期Tg＝0.35s，阻尼比為0.05，周期折減系數(shù)為0.85，地面粗糙度類別是C類，基本風壓Wo＝0.35KN／m2，基本雪壓So＝0.60KN／m2。

2 結(jié)構(gòu)超限情況

2.1 主體結(jié)構(gòu)概況

本工程結(jié)構(gòu)平面布置見圖1，采用剪力墻結(jié)構(gòu)體系，現(xiàn)澆混凝土梁板樓蓋。根據(jù)《高規(guī)》［2］要求計算確定剪力墻厚度，控制墻肢軸壓比小于0.5。由于建筑物呈Y字形平面布置，在七層以下的轉(zhuǎn)角兩翼處，適當增加墻厚，以提高結(jié)構(gòu)的抗扭和抗側(cè)剛度。墻體的混凝土強度等級自下而上由C50逐漸過渡為C30，梁和板均采用C35、C30，鋼筋材料采用HPB300、HRB335、HRB400鋼筋。主要構(gòu)件截面尺寸如表1所示：

表1 主要構(gòu)件截面尺寸

2.2 結(jié)構(gòu)超限分析

本工程根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點》［3］，檢查涉及結(jié)構(gòu)高度和不規(guī)則性的內(nèi)容，結(jié)果如下：

（1）本工程采用剪力墻結(jié)構(gòu)，建筑高度為131.60m。根據(jù)《高規(guī)》房屋適用高度和高寬比的要求，7度區(qū)剪力墻結(jié)構(gòu)最大適用高度為120m。故本工程建筑結(jié)構(gòu)為B級高度。

（2）由于建筑功能的要求，該工程Y方向總長度30m，平面凹進尺寸為11.2m。計算得出平面凹凸尺寸大于相應(yīng)邊長的30%，屬凹凸不規(guī)則性結(jié)構(gòu)。

（3）為了追求大戶型、小進深、大面寬的建筑布局，該工程呈Y形平面布置，兩端有較長的外伸，中央形成狹窄部分，呈細腰形，屬組合平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)。

通過以上檢查可以看出，本工程為B級高度高層建筑，同時具有兩項一般不規(guī)則性：“凹凸不規(guī)則”和“組合平面不規(guī)則”。針對本工程特點，采用表2的抗震性能目標。該超限高層結(jié)構(gòu)的特殊性決定了對其進行抗震性能分析在同類型結(jié)構(gòu)中研究有著重要意義。

表2 抗震性能目標

3 結(jié)構(gòu)整體計算分析

3.1 多遇地震計算分析

本工程結(jié)構(gòu)計算分別采用SATWE和Midas Building，地震計算分析取《抗規(guī)》提供的多遇地震相關(guān)參數(shù)?？紤]雙向地震作用、偶然偏心，整體計算對比模型采用剛性樓板假定。兩軟件的結(jié)構(gòu)分析模型如圖2所示，結(jié)構(gòu)整體分析指標見表3。

根據(jù)結(jié)構(gòu)計算數(shù)據(jù)匯總結(jié)果，具體分析如下：

（1）“周期比的控制實質(zhì)是控制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)變形要小于結(jié)構(gòu)的平動變形，它要求結(jié)構(gòu)剛度布局合理，以此控制地震作用下結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)激勵振動效應(yīng)不成為主振動效應(yīng)，避免結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)破壞?！保?］該結(jié)構(gòu)第一、第二陣型分別為X、Y方向平動，第三陣型為扭轉(zhuǎn)。結(jié)構(gòu)周期比為0.78，小于《高規(guī)》要求的B級高度高層建筑0.85的限值。

（2）軟件計算的有效質(zhì)量系數(shù)均大于90%，說明所取得計算振型個數(shù)滿足要求。

表3 結(jié)構(gòu)整體分析指標

（3）“結(jié)構(gòu)剪重比應(yīng)滿足規(guī)范中樓層最小地震剪力系數(shù)限值的要求。當個別樓層或較少比例樓層的水平地震剪力不滿足、且與最小限值差距較小時，應(yīng)按最小剪力系數(shù)進行內(nèi)力調(diào)整?！保?］計算中已進行了水平地震剪力取值的調(diào)整。

（4）層間位移限值是控制高層建筑結(jié)構(gòu)的一個重要指標［6］。控制層間位移角是為限制結(jié)構(gòu)在正常使用條件下的水平位移過大，確保高層結(jié)構(gòu)應(yīng)具備的剛度。從結(jié)果看出該結(jié)構(gòu)最大層間位移角小于規(guī)范的限值1／1000，滿足要求。

（5）控制位移比主要是為了控制結(jié)構(gòu)的平面規(guī)則性，避免位移比過大而形成扭轉(zhuǎn)，對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)的位移比均小于1.2限值，符合規(guī)范要求。

該結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下主要技術(shù)指標均滿足規(guī)范要求且兩軟件計算結(jié)果較為吻合。

3.2 彈性時程分析

采用SATWE軟件進行彈性時程分析?！俺薷邔咏ㄖ目拐鹪O(shè)計，往往需要采用時程分析法進行補充計算，其前提是輸入的地震加速度波形選擇正確?！保?］本工程選用兩組天然地震波和一組場地人工波進行計算，其中天然波1由安徽省地震工程研究院提供，天然波2和場地人工波由安評單位北京勘察技術(shù)有限公司提供。地震波加速度峰值分別為35、38、38cm／s2，記錄時長分別為144.02、135.98、81.90s。時距為0.02s，特征周期0.35s。所得彈性時程剪力對比結(jié)果如表4所示：

表4 彈性時程剪力對比結(jié)果

表4看出，X方向大部分樓層的樓層剪力均大于反應(yīng)譜樓層剪力，與反應(yīng)譜樓層剪力比值為1.1～1.26；Y方向大部分樓層的樓層剪力均與反應(yīng)譜樓層剪力相當，天然波1在底部的樓層地震剪力超過了反應(yīng)譜樓層剪力，與其比值為1.19。由兩方向?qū)Ρ冉Y(jié)果知，所選地震波滿足規(guī)范要求，計算所得結(jié)構(gòu)底部剪力在X、Y方向均不小于振型分解反應(yīng)譜法中計算結(jié)果的65%，且結(jié)構(gòu)底部剪力平均值在X、Y方向均不小于振型分解反應(yīng)譜法中計算結(jié)果的80%，滿足《高規(guī)》要求。

從圖3中看出，在地震作用下，所選地震波對結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)相差不大，但X、Y方向最大樓層水平位移與振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果略有差異。

總之，根據(jù)規(guī)范有關(guān)要求，抗震設(shè)計時采用三條時程波的包絡(luò)值與反應(yīng)譜之間的較大值作為結(jié)構(gòu)的設(shè)計依據(jù)。

3.3 設(shè)防烈度地震計算分析

采用SATWE軟件對結(jié)構(gòu)分別進行設(shè)防烈度地震彈性和不屈服計算分析。“中震彈性計算時，不考慮地震內(nèi)力調(diào)整；中震不屈服計算時，不考慮地震內(nèi)力調(diào)整，荷載作用分項系數(shù)取1.0，材料強度采用標準值，不考慮抗震承載力調(diào)整系數(shù)γ?！保?］中震作用下，關(guān)鍵構(gòu)件及普通豎向構(gòu)件需滿足構(gòu)件屈服承載力設(shè)計公式要求，受剪承載力滿足彈性設(shè)計要求。耗能構(gòu)件允許部分抗彎屈服，但受剪承載力應(yīng)符合的要求。

計算結(jié)果表明，在設(shè)防烈度地震作用下，結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件均滿足性能目標，耗能構(gòu)件中少量連系梁和連梁在中震不屈服計算時出現(xiàn)超筋情況，但主要受力構(gòu)件受剪截面均滿足要求。計算結(jié)果滿足抗震性能目標的要求。

3.4 靜力彈塑性分析

“靜力彈塑性分析方法是通過對結(jié)構(gòu)逐步施加某種形式的水平荷載，用靜力推覆分析計算得到結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形，并借助地震需求譜或直接估算的目標性能需求點，近似得到結(jié)構(gòu)在預(yù)期地震作用下的抗震性能狀態(tài)，由此實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的抗震性能進行評估。”［9］《抗規(guī)》也明確規(guī)定可以采用此方法，該方法是對結(jié)構(gòu)在較大地震作用下進行彈塑性分析的一種有效方法。本工程中分析結(jié)果如圖4所示：

圖4為結(jié)構(gòu)在沿X向、Y向罕遇地震作用下的靜力彈塑性分析結(jié)果曲線。根據(jù)性能點，對結(jié)構(gòu)的抗震性能進行評估，并檢驗結(jié)構(gòu)的層間位移角是否滿足規(guī)范限值的要求。能力曲線前一部分較為平滑，表明結(jié)構(gòu)處于彈性階段，位移與基底剪力呈線性遞增；曲線的后半部分切線斜率變小，表明結(jié)構(gòu)進入塑性階段。罕遇地震下在結(jié)構(gòu)性能點處，X向、Y向性能控制點對應(yīng)的結(jié)構(gòu)最大層間位移角均分別出現(xiàn)在第25層，這是由于結(jié)構(gòu)高度超限加之不規(guī)則性，罕遇地震下，底部加強部位墻厚較大，側(cè)向剛度較大扭轉(zhuǎn)較輕，過渡到樓層中部剪力墻厚度減小，受扭較大，局部開洞處剪力墻屈服出現(xiàn)塑性鉸，有較大位移及位移角。到結(jié)構(gòu)上部區(qū)域，地震作用相對較小，剪力墻（200厚）側(cè)向剛度也相對較大，具有一定抵抗作用，結(jié)構(gòu)層位移繼續(xù)，但位移角未繼續(xù)蔓延。計算所得X、Y向?qū)娱g位移角分布分別為1／229和1／227，均小于《抗規(guī)》第5.5.5條規(guī)定的鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角1／120的限值，滿足規(guī)范要求。從結(jié)構(gòu)的出鉸部位和程度來看，結(jié)構(gòu)大部分連梁和少數(shù)連系梁出現(xiàn)了塑性鉸且塑性鉸屈服程度較淺，極少數(shù)剪力墻開洞處應(yīng)變等級狀態(tài)較高，底部加強區(qū)部分局部出現(xiàn)小墻肢開裂。因而，結(jié)構(gòu)能夠經(jīng)受罕遇地震的考驗。

4 加強措施

根據(jù)本工程結(jié)構(gòu)計算結(jié)果，預(yù)定的抗震性能目標能夠?qū)崿F(xiàn)。但在設(shè)防烈度地震和罕遇地震作用下，存在部分超筋、極少數(shù)剪力墻應(yīng)變等級過高、局部出現(xiàn)小墻肢開裂等情況。另外基于該工程高度超限和平面不規(guī)則的結(jié)構(gòu)特點，在設(shè)計中注重結(jié)構(gòu)概念，采取了一些綜合性的抗震加強措施。

（1）為保證結(jié)構(gòu)抗傾覆能力，選擇可靠的持力層，加大基礎(chǔ)埋深，底部加強部位取嵌固層至五樓樓面，增加2層過渡層，約束邊緣構(gòu)件上延2層；

（2）為了保證墻的塑性變形能力，嚴格控制墻肢的軸壓比，保證限值均小于0.5；

（3））底部加強部位豎向和水平分布鋼筋配筋率取0.3%，約束邊緣構(gòu)件最小配筋率提高至1.3%，以提高剪力墻底部加強部位的延性；

（4）局部短墻部位、底部加強區(qū)及中間凹進部位的剪力墻，從抗震概念和計算結(jié)果上都表明較薄弱，因此對于提高該薄弱部位的抗震性能非常必要。對其均按抗震等級特一級進行配筋構(gòu)造；

（5）對薄弱部位樓板采取加強措施。細腰部位的樓板厚度取130mm；屋面樓板取不小于120mm；各加強部位均采用雙層雙向配筋，局部應(yīng)力較大的區(qū)域根據(jù)實際分布情況加強鋼筋。

5 結(jié) 論

通過本工程案列分析，以此來注重結(jié)構(gòu)抗震的概念設(shè)計。首先介紹了該工程結(jié)構(gòu)超限情況，再通過SATWE和Midas Building軟件進行整體計算及對比分析，并進行了設(shè)防烈度地震和罕遇地震的分析。通過計算分析結(jié)果，對結(jié)構(gòu)薄弱部位加強，比如結(jié)構(gòu)底部加強部位和對結(jié)構(gòu)重要的部位墻肢加強。結(jié)構(gòu)的剛度與變形等指標滿足規(guī)范的限值要求，建筑可滿足“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設(shè)防目標。結(jié)論如下：

（1）建筑方案和設(shè)計階段，結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)介入，在滿足建筑Y形平面布置和功能要求的情況下，采取合理結(jié)構(gòu)體系，最大程度控制結(jié)構(gòu)超限情況，這對之后的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計大有裨益。 （2）超限高層結(jié)構(gòu)分析的重難點在罕遇地震下的分析。一方面，靜力彈塑性分析可得到結(jié)構(gòu)許多整體控制指標，包括最大頂點位移，最大層間位移、最大基底剪力等，分析量較大。另一方面的難點在于尋找能力譜曲線圖的性能點和結(jié)構(gòu)出鉸狀況的判斷。本工程X、Y向?qū)娱g位移角分別為1／229和1／227，均小于規(guī)范中最大層間位移角的限值，表明在罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)有較大非線性變形存儲，滿足預(yù)期的抗震設(shè)防要求。

（3）從超限結(jié)構(gòu)特點上看，高度超限對結(jié)構(gòu)的抗傾覆能力有較大影響，嵌固端和底部加強部位應(yīng)具備足夠的剛度；Y形不規(guī)則平面和樓板局部開洞所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)問題比較明顯，雖然位移比未超過規(guī)范限值，但X方向的位移比仍較大，為增大結(jié)構(gòu)抗扭性能，對結(jié)構(gòu)的薄弱部位樓板進行加強，比如增加板厚、加大配筋。

（4）剪力墻為本結(jié)構(gòu)的主要抗側(cè)力構(gòu)件，是結(jié)構(gòu)的重要抗震防線，為了提高墻體的塑性變形能力和結(jié)構(gòu)的延性，在技術(shù)措施，抗震等級、軸壓比、材料強度等級、配筋率等方面應(yīng)采取比規(guī)范、規(guī)程更嚴格的要求。

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