李靜浪 胡 健

(1.浙江交工集團(tuán)股份有限公司設(shè)計(jì)分公司，浙江 杭州 310053； 2.杭州汽輪工程股份有限公司，浙江 杭州 310015)

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某超限高層的抗震性能化設(shè)計(jì)要點(diǎn)

李靜浪1胡 健2

(1.浙江交工集團(tuán)股份有限公司設(shè)計(jì)分公司，浙江 杭州 310053； 2.杭州汽輪工程股份有限公司，浙江 杭州 310015)

結(jié)合某高層建筑的結(jié)構(gòu)體系和超限情況，確定了該建筑的抗震性能目標(biāo)，闡述了其超限抗震設(shè)計(jì)方案，并通過彈塑性靜力分析，驗(yàn)證了方案的可行性，滿足小震不壞、中震可修、大震不倒的要求。

高層建筑，結(jié)構(gòu)體系，抗震措施，彈塑性分析

1 工程概況

某公司擬建一科研大樓，地下3層，地上11層。1層中部設(shè)置通高大廳，2層相應(yīng)位置開設(shè)大洞。1層大廳對應(yīng)位置，在3層結(jié)合4，5層設(shè)置通高空間的報(bào)告大廳。5層相應(yīng)位置設(shè)置了一轉(zhuǎn)換層，采用了型鋼混凝土桁架進(jìn)行了豎向構(gòu)件轉(zhuǎn)換。其余樓層為辦公及會議等功能空間。地下1層層高5.1 m，地下2層4.6 m，地下3層3.6 m；1，2層層高4.79 m，3層～10層層高3.7 m，11層層高4.2 m，總高度43.4 m?？拐鹪O(shè)防類別：丙類；抗震設(shè)防烈度：6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.05g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場地土類別Ⅱ類。

2 結(jié)構(gòu)體系和超限情況

本工程采用框架—剪力墻結(jié)構(gòu)，地下室頂板為嵌固端，剪力墻及框架抗震等級均為二級。圖1為該結(jié)構(gòu)的三維模型。

因建筑功能需要，2層，4層樓板均開設(shè)大洞口(見圖2)，導(dǎo)致有效樓板寬度小于該層樓板典型寬度的50%；6層中部(對應(yīng)4層中部大洞口處)部分框柱通過5層的桁架轉(zhuǎn)換構(gòu)件向下傳遞，屬豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)，同時(shí)，這又造成了樓層抗剪承載力突變。已有三項(xiàng)不規(guī)則類型。經(jīng)驗(yàn)算，發(fā)現(xiàn)在裙房以上的較多樓層，考慮偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比大于1.4，屬于扭轉(zhuǎn)偏大。不規(guī)則指標(biāo)達(dá)到了四項(xiàng)(為減少扭轉(zhuǎn)，曾嘗試在兩側(cè)的核心筒周圍增設(shè)剪力墻，為減小樓層抗剪承載力突變，嘗試加大轉(zhuǎn)換層以下各層的剪力墻厚度以增加底部幾層的側(cè)向剛度，雖然上述兩種嘗試有一定效果，但同時(shí)又會導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)剛度弱，扭轉(zhuǎn)周期比大于0.9，不規(guī)則指標(biāo)依舊超限。經(jīng)過方案比較，保留了原結(jié)構(gòu)布置方案，以規(guī)避扭轉(zhuǎn)剛度弱這一不規(guī)則類型)。須對該高層進(jìn)行專門研究和論證，針對超限情況進(jìn)行性能化設(shè)計(jì)。

3 抗震性能設(shè)計(jì)目標(biāo)定為“C”類

在滿足現(xiàn)行規(guī)范的同時(shí)，根據(jù)抗震性能化設(shè)計(jì)的概念，針對本工程的超限情況，綜合考慮本工程的抗震設(shè)防類別、設(shè)防烈度、場地條件以及工程造價(jià)、震后損失和修復(fù)難易程度等因素，最終本項(xiàng)目性能目標(biāo)定為“C”類：

1)結(jié)構(gòu)遇小震后，完好無損傷，一般不需修理可以繼續(xù)使用(性能水準(zhǔn)1)；

2)結(jié)構(gòu)遇中震后，耗能構(gòu)件輕度損壞、部分中度損壞，普通豎向構(gòu)件輕度損壞，但關(guān)鍵部位的構(gòu)件屬輕微損傷。宏觀上屬于輕度損壞，震后經(jīng)一般性修理可繼續(xù)使用(性能水準(zhǔn)3)；

3)在罕遇地震下，耗能構(gòu)件中度損壞、部分比較嚴(yán)重?fù)p壞，普通豎向構(gòu)件部分中度損壞，但關(guān)鍵部位的構(gòu)件屬輕度損傷。整體中度損壞，須經(jīng)修理或加固后方才可繼續(xù)使用(性能水準(zhǔn)4)。

4 超限抗震措施

1)針對扭轉(zhuǎn)不規(guī)則和扭轉(zhuǎn)偏大，在小震計(jì)算時(shí)須考慮雙向地震作用。

2)對于開設(shè)大洞口的樓層，計(jì)算時(shí)周邊樓板設(shè)置彈性板，考慮大開洞帶來的不利影響。大洞口周邊加大板厚，加強(qiáng)樓板配筋。

3)確保剪力墻墻肢正截面承載力及斜截面抗剪承載力均滿足中震彈性的性能要求。

4)控制剪力墻墻肢的剪應(yīng)力水平，確保在大震作用下墻肢不發(fā)生剪切破壞、滿足抗剪截面控制條件。

5)在大震作用下轉(zhuǎn)換桁架的桿件滿足大震不屈的性能要求。

6)框架柱、轉(zhuǎn)換桁架桿件正截面承載力及斜截面抗剪承載力均滿足中震彈性的要求。

7)本工程轉(zhuǎn)換桁架與相鄰豎向構(gòu)件采用剛性連接，支撐桁架的框柱設(shè)置鋼骨，與桁架的斜腹桿焊接，確保桁架與剪力墻的剛性連接。將轉(zhuǎn)換層設(shè)為薄弱層。

8)對轉(zhuǎn)換桁架上弦桿所在樓層，加大樓板板厚并加強(qiáng)配筋，并進(jìn)行樓板抗剪承載力驗(yàn)算。

9)補(bǔ)充靜力彈塑性分析(Pushover驗(yàn)算)，復(fù)核結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移，觀察結(jié)構(gòu)的薄弱部位出鉸機(jī)制和出鉸順序及屈服程度，根據(jù)結(jié)果對關(guān)鍵部位(或構(gòu)件)進(jìn)行有針對性的加強(qiáng)，確保大震安全。大震作用下的彈塑性位移角應(yīng)不大于1/100。

5 小震作用下轉(zhuǎn)換層驗(yàn)算

在不考慮樓板傳遞水平力的假定條件下驗(yàn)算轉(zhuǎn)換桁架傳遞水平荷載的承載能力(即轉(zhuǎn)換層“零樓板”驗(yàn)算)。在計(jì)算模型中將轉(zhuǎn)換層的桁架區(qū)域樓板設(shè)為彈性膜，即不考慮樓板剛度作用(見圖3)，取桁架桿件的最不利內(nèi)力組合，根據(jù)《混規(guī)》第6.2.25條及《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第6章進(jìn)行驗(yàn)算。經(jīng)驗(yàn)算，桁架所有桿件均能滿足要求。

轉(zhuǎn)換層樓板應(yīng)按《高規(guī)》第10.2.24條進(jìn)行抗剪承載力驗(yàn)算。轉(zhuǎn)換層上部的框柱柱底剪力設(shè)計(jì)值由Satwe計(jì)算而得，經(jīng)驗(yàn)算，樓板受剪承載力滿足要求。

6 中震設(shè)計(jì)

在設(shè)防烈度地震作用下，本工程結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件的性能目標(biāo)是“中震彈性”，根據(jù)《高規(guī)》3.11.3條的規(guī)定，在中震作用下，結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震承載力應(yīng)符合下式的規(guī)定：

經(jīng)驗(yàn)算，中震作用下結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件均能實(shí)現(xiàn)“彈性”的性能目標(biāo)。

7 大震設(shè)計(jì)

預(yù)估的罕遇地震作用下，本工程各類關(guān)鍵豎向構(gòu)件的主要構(gòu)件的性能目標(biāo)分別是:

1)剪力墻及框柱：主要墻肢滿足截面控制條件。

2)轉(zhuǎn)換桁架桿件及轉(zhuǎn)換柱：不屈。

7.1 首層墻肢截面大震作用下抗剪承載力計(jì)算

根據(jù)性能水準(zhǔn)4，大震作用下鋼筋混凝土豎向構(gòu)件的受剪截面應(yīng)符合下式要求：

7.2 轉(zhuǎn)換層桁架大震作用不屈計(jì)算

根據(jù)《高規(guī)》第3.11.3條，大震作用下關(guān)鍵構(gòu)件的承載力應(yīng)符合下式要求：

經(jīng)驗(yàn)算，大震作用下，剪力墻主要墻肢、轉(zhuǎn)換桁架、轉(zhuǎn)換柱能滿足相應(yīng)的性能目標(biāo)要求。

8 彈塑性靜力分析

根據(jù)《高規(guī)》第5.1.13條的規(guī)定“……和本規(guī)程第10章規(guī)定的復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)，尚應(yīng)……”，本工程為帶轉(zhuǎn)換層的高層，宜采用彈塑性靜力分析方法(Pushover分析)補(bǔ)充計(jì)算。主要可以實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：

1)通過小震性能點(diǎn)下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析，可校核小震作用下結(jié)構(gòu)的受力與變形狀況。

2)通過分析得到結(jié)構(gòu)能力曲線，并與需求譜曲線比較，可判斷結(jié)構(gòu)是否能夠找到性能點(diǎn)、整體上滿足預(yù)定的大震需求性能目標(biāo)。

3)判斷在性能點(diǎn)狀態(tài)下的最大層間位移角是否滿足層間彈塑性位移角限值。

4)模擬地震作用不斷加大水平力，觀察加載過程中構(gòu)件的破壞順序(塑性鉸的發(fā)展)是否與概念設(shè)計(jì)預(yù)期相符；結(jié)構(gòu)構(gòu)件的變形，是否超過某一性能水準(zhǔn)下的允許變形。

5)對大震作用下結(jié)構(gòu)的薄弱部位以及各構(gòu)件的塑性發(fā)展程度有個(gè)定性的考察，對須加強(qiáng)設(shè)計(jì)的構(gòu)件提供理論依據(jù)。

靜力彈塑性分析(即Pushover分析)采用中國建研院的PUSH&EPDA軟件進(jìn)行計(jì)算，由計(jì)算結(jié)果可知，建筑物的需求譜與能力譜曲線在X向和Y向均可以得到交點(diǎn)(X主方向性能點(diǎn)對應(yīng)的最大層間位移角為1/826，Y主方向性能點(diǎn)對應(yīng)的最大層間位移角為1/830)，結(jié)構(gòu)滿足在大震作用下預(yù)定性能水準(zhǔn)的要求。另外，由于剪力墻的延性較好并且框柱起到了第二道防線的作用，結(jié)構(gòu)在達(dá)到性能點(diǎn)后仍能繼續(xù)承載。

9 結(jié)語

針對超限情況，綜合考慮結(jié)構(gòu)特殊性、抗震設(shè)防烈度、建造費(fèi)用等因素，確定抗震性能目標(biāo)，再根據(jù)性能目標(biāo)的各性能水準(zhǔn)，采用相應(yīng)的計(jì)算方法和抗震措施，為本工程的設(shè)計(jì)思路。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民對建筑功能有了更多的要求，超限項(xiàng)目會不斷增加，本超限高層采用的設(shè)計(jì)方法和抗震措施能為今后類似項(xiàng)目提供一定的借鑒。

[1] GB 50011—2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] JGJ 3—2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[3] GB 50010—2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4] JGJ 138—2001，型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

The seismic performance design key points for a super high-rise building

Li Jinglang1Hu Jian2

(1.DesignBranch,ZhejiangJiaogongGroupLimitedCompanybyShare,Hangzhou310053,China; 2.HangzhouTurbineEngineeringLimitedCompanybyShare,Hangzhou310015,China)

Combining with the structural system and overrun situation of a high-rise building, this paper determined the seismic performance target of the building, elaborated its overrun anti seismic design scheme, and through the elastic-plastic static analysis, verified the feasibility of the scheme, meet the requirements for viscous dampers.

high-rise building, structural system, seismic measure, elastic-plastic analysis

1009-6825(2017)09-0031-02

2017-01-15

李靜浪(1978- )，男，工程師； 胡 健(1974- )，男，工程師

TU352

A