某超限高层结构性能设计与分析

某超限高层结构性能设计与分析

侯怡

中铁二局集团勘测设计院有限责任公司成都610000

摘要：本工程为B级高度的部分框支剪力墙结构，介绍了工程的特点和结构体系的选择，并针对结构的超限情况提出相关抗震加强措施。采用YJK及MIDASBuilding振型分解反应谱进行弹性阶段的计算分析，另采用弹性时程分析法进行多遇地震下的补充计算；抗震设防地震作用下，采用YJK等效弹性法对底部加强部位和薄弱部位进行中震弹性、中震不屈服设计，采用EPDA&PUSH进行弹塑性静力分析校核构件的不屈服以及弹性状态；罕遇地震下采用EPDA&PUSH进行塑性动力时程分析。分析结果表明结构在地震作用下的反应和破坏机制均能满足预期性能目标。

关键词：超限高层；框支剪力墙；性能设计；动力弹塑性时程分析

1工程概况

本工程位于四川省成都市金牛区一环路以南，通锦路以西，马家花园路以东。项目由9个单元的高层住宅，一栋商业会所，若干特色商业院落组成，地下为三层停车场。本文以其中的13号楼为研究的对象，地上42层，其中1-4层为商业用房5层及以上为住宅，主楼建筑高度137.7米。根据建筑功能需要，在商业顶板进行结构转换。

工程场地抗震设防烈度为7度（0.10g），建筑场地类别为Ⅱ类，设计地震分组为第三组，特征周期为0.45s。抗震设防分类为丙类，安全等级二级，设计基准周期50年，设计使用年限50年。

2结构体系及布置

本工程采用钢筋混凝土部分框支-剪力墙结构，采用梁式转换。部分框支柱因水平地震剪力较大，为避免使用更大截面框支柱对建筑使用功能产生影响，特采用型钢混凝土柱。转换层平面布置详见图1。

本工程塔楼拟采用变厚度筏板基础，裙楼和地下室采用独立基础加抗水板，持力层为中密或密实卵石层，其地基承载力特征值分别为fak=550Kpa、fak=750Kpa。

本工程建筑高度139.7米，为B及高度，根据相关要求，须作抗震设防专项审查。除高度超限外，还存在扭转不规则、平面不规则及竖向构件不连续等三项不规则项。

3抗震性能目标设计

综合考虑抗震设防类别、设防烈度、场地条件、建筑物功能、结构的特征、构件的部位和重要程度以及开发商的需求，依据《高层建筑混凝土结构技术规程》和《建筑抗震设计规范》选定结构抗震性能目标为C级。针对抗震性能目标的不同抗震性能水准，设计时的具体计算控制指标见表1。

4结构计算与分析概述

结构计算分析主要从弹性和弹塑性两个阶段进行，弹性阶段的计算分析分别针对多遇地震下的设计和抗震设防地震下竖向构件的估算，计算手段主要采用了振型分解反应谱法（CQC），使用软件为YJK及MIDASBuilding，另外采用弹性时程分析法进行了多遇地震下的补充计算，并对框支层楼板剪力进行了小震下抗剪验算。

弹塑性阶段的计算分析分别针对抗震设防地震和罕遇地震下的计算分析，其中抗震设防烈度下采用YJK软件针对不同关键构件分别作中震弹性和中震不屈服计算，并采用EPDA&PUSH进行弹塑性静力分析校核构件的不屈服以及弹性状态。罕遇地震下采用EPDA&PUSH进行了弹塑性动力时程分析，同时采用YJK软件对楼板进行了大震作用下的应力分析。

5多遇地震弹性分析

5.1振型分解反应谱法

分别采用MIDAS与YJK两种分析软件进行计算，如表2所示，两种软件的计算结果吻合较好。从结构振型向量与对应的空间变形上看，符合一般规律，从动力特性上说明了计算力学模型是可靠的。

5.2弹性动力时程分析

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）5.1.13条规定，B级高度高层建筑结构和复杂高层建筑结构，应进行弹性动力时程分析。以找出结构薄弱层和侧向刚度突变层，并对反应谱法楼层剪力小于弹性时程分析结果的部位进行地震力放大。根据场地的频谱特性、加速度的有效峰值和时程曲线的有效持续时间这三要素，选取2组天然地震波（S067、L0721）和1组人工地震波（USER3），该3组地震波转换后的加速度反应谱的平均谱与设计所用的规范加速度反应谱在结构前3阶振型的周期点上基本吻合，相差均在20%以内，其频谱特性在统计意义上与规范谱相符，最大峰值加速度主方向为35Gal，次方向为30Gal，持时按时程记录时长，计算步长为0.02s。

多遇地震弹性时程分析所得结构底部剪力与按照《抗规》地震动参数进行反应谱分析所得的底部剪力的对比情况，可见单组地震波输入所得的结构底部剪力均在CQC反应谱法的65%~135%之间，3组地震波结果的平均值也介于CQC反应谱法结果的80%~120%之间，满足规范与“统计意义相符”的条件。

6设防地震作用下结构性能分析

采用SATWE对非底部加强区的剪力墙和关键构件（底部加强区剪力墙、框支柱、框支梁）分别进行中震不屈服和中震弹性设计。允许结构的次要构件（框架梁、连梁）发生具有延性的中等损坏，构件出现明显裂缝，部分进入屈服阶段。计算结果表明，绝大部分剪力墙、框支柱和框支梁的配筋与均与多遇地震计算结果基本相同，只有个别构件配筋稍大，施工图设计时取其包络值。

采用弹塑性静力推覆法（Push-over），对结构进行设防地震作用下的全过程弹塑性分析，使用程序为EPDA&PUSH。如图2所示，两个方向的最大层间位移角分别为1/508、1/516，满足本项目C级性能目标的设防地震最大层间位移角控制值[1/500]的要求。

7罕遇地震作用结构性能分析

7.1弹塑性动力时程分析

为考察结构进入弹塑性状态下的动力反应，分析结构在罕遇地震下的抗震性能，找出结构应力和塑性变形集中部位，进行罕遇地震下的动力弹塑性分析。

选用2条场地记录天然波和1条人工模拟地震波，配筋数据采用基于多遇地震及风荷载分析的实际配筋，利用MidasBuilding软件进行罕遇地震作用下的动力弹塑性时程分析。

7.1.1结构整体反应指标

X向最大层间位移角发生在结构的24层，达到1/215；Y向最大层间位移角发生在结构的30层，达到1/178；均小于罕遇地震作用下预定的最大层间位移角限值[1/133]，满足《高规》性能4的要求。

7.1.2结构构件损伤性能分析

如图3所示，罕遇地震作用下剪力墙受拉和受压基本保持弹性，仅有少量剪力墙局部墙肢发生零星剪切破坏，未出现整片墙屈服的情况。经验算，底层剪力墙剪压比均有较大富余。剪力墙的局部损坏主要分布在框支转换层的相邻楼层，说明转换层附近的楼层刚度突变对剪力墙的影响较大。

部分连梁发生剪切破坏，产生塑性铰，部分框架梁也陆续出现塑性铰，连梁和框架梁共同耗散了输入结构的部分地震能量。剪力墙、连梁、框支梁较好地发挥了抗震设防的第一道防线的效能，而作为抗震设防第二防线的框支柱始终保持弹性状态，较好地发挥了二道防线的作用。

框支梁仅在局部出现轻微破坏，经验算抗剪承载力均有富余，未达到屈服状态，绝大部分框支梁均保持弹性状态。

7.2关键构件验算

选取选取4根转换梁进行抗剪承载力验算。地震作用产生的剪力值偏于保守地采用罕遇地震弹性反应谱分析的结果，作用效应组合均取标准值，承载能力计算取材料强度标准值。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010第10.2.8-3条，转换梁截面组合的剪力设计值在地震设计状况下应符合下列要求：

7结论

通过相关性能分析研究，结构整体反应、结构耗能损伤情况满足所设定的C及性能目标要求，能达到“小震不坏、中震可修、大震不到”的三水准目标。

参考文献

[1]中华人民共和国行业标准.JGJ3-2010高层建筑钢筋混凝土结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2011

[2]中华人民共和国国家标准.GB50011-2010建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010

[3]中华人民共和国国家标准.GB50223-2008建筑工程抗震设防分类标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2008

[4]北京迈达斯技术有限公司.结构大师非线性分析手册[M].