静力弹塑性法对高层塔楼结构设计实例浅析

静力弹塑性法对高层塔楼结构设计实例浅析

江慧

同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司 200092

摘要：某酒店公寓为大底盘塔式结构，裙房为4层，其上为塔楼。塔楼主体结构高度虽未达到组合结构的规范高度限值，但是受到平面局部楼板不连续、竖向刚度突变、结构高度接近规范高度限值等因素的影响，所以需要对塔楼结构整体抗震性能进行分析。首先分别利用YJK，PMSAP软件对塔楼结构进行抗震设计，其中按反应谱法和时程分析法分别计算并最终取包络；其次对塔楼结构进行静力弹塑性分析，针对分析结果针对结构采取加强措施，为今后类似工程的研究提供参考。

关键词：塔楼结构；弹塑性法；时程分析；抗震设计

1 引言

随着我国经济发展水平飞速提升，各个地区的地标性建筑整体高度越来越高，功能和体型越来越复杂。如何使建筑在规定的地震作用下能更好地完成各项结构抗震性能目标，是广大结构设计师在设计过程都非常重视的问题。

静力弹塑性法^[3,4]基于结构分析模型的基础上，对其施加水平方向上的惯性力，并且呈单调递增趋势，如果构件出现裂缝或屈服情况，对结构模型进行调整，直至结构模型达到设计状态。因为该方法综合考虑到结构的弹塑性、操作简单，工作量低而且不受地震波等因素影响，可真实地反映结构非线性特性、能判断结构薄弱点等优势，故而受到广大结构设计师的认可并在实际工程中运用。

本文以某沿海城市高层酒店为研究案例，运用YJK及PMSAP软件对结构进行弹塑性分析，并对计算分析中显示的损伤构件采取加强设计措施。

2工程概况

2.1 总体概况

某酒店主楼地上共计46层，结构总高度189m，地上建筑面积约8.7万m²，平面尺寸为42.7m×42.7m，核心筒尺寸为18.5m×18.6m，外框柱距10m、9m和7.85m。

图1 建筑效果图

2.2 塔楼结构体系

本工程地下室为二层，设计过程中将地下室的顶板定义为支座。经计算，本工程地下一层与首层侧向刚度比x向为2.96、y向为2.16，满足抗规^[1]条文6.1.14条，上部结构计算时可将地下室顶板作为支座。

塔楼抗侧向力结构体系主要由型钢框架柱和核心筒共同构成，构件截面见下表。

表1 竖向构件信息表（钢材等级均为Q420GJ）

塔楼楼面布置如下图所示。楼面体系由框架主、次梁及楼板组成。标准层板厚120mm，2层板厚130mm，其余板厚150mm。混凝土强度等级均为C30。

图2标准层平面布置图

2.3 抗震技术参数

根据现行抗震分类标准^[8]，裙房设防类别为丙类。根据现行旅规^[9]，塔楼地面以上建筑面积约8.7 万m²，使用人数≤8000人，故可设定为丙类。

按抗规^[1]，本场地抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g。设计地震分组为第二组，建筑场地类别为Ⅲ类，场地特征周期0.55s，结构的阻尼比0.05。

依据某地震局关于某酒店项目工程抗震设防要求的批复中要求，超高层酒店公寓单体应当按照如下要求进行抗震设防：

表2工程场地地表水平向地震动参数表（阻尼比5%）

3结构计算结果

3.1多遇地震下弹性分析

结构在小震下的弹性分析主要采用YJK和PMSAP两种软件进行计算比较，主要计算结果见表1。从计算结果来看，多遇地震作用下结构的各项指标符合抗规^[1]和高规^[2]的要求。

本工程外形复杂多变，结构上存在一些不规则项，如1层顶板平面局部楼板开洞，根据开洞面积等参数可知改楼层属于平面楼板不连续，局部竖向楼层高度变化较大，存在竖向刚度突变。因此，在结构设计过程中尽量把位移比控制在1.2以内，避免出现扭转不规则。根据软件给出的计算结果，

表3YJK和PMSAP整体分析的主要计算结果

3.2 弹性时程分析

分析时选取2条天然波和1条人工波进行弹性时程分析。通过对比分析，最终确定采用三条波，包括2条天然波（Hector Mine_NO_1786，Tg(0.62)）

^[5]、(Chi-Chi，Taiwan-03_NO_2457，Tg(0.67)）^[6]和1条人工波（ArtWave-RH1TG055，Tg(0.55)）^[7]。

对结构施加不同地震波进行时程分析，结果如下表所示。从中可以看出：两个方向的基底剪力，不同地震波对其剪力值影响不大，其值均大于反应谱法的65%，其平均值均大于反应谱法的80%，由此可知均符合规范要求。

表4工程场地地表水平向地震动参数表（阻尼比5%）

3.3静力弹塑性分析

利用YJK结构计算软件对塔楼主体结构进行静力弹塑性分析，分析在不同水准的地震作用下，其结构的工作性能以及破坏机理，并最终找出结构薄弱环节。

采用倒三角和规定水平力两种侧推荷载加载模式进行对比，计算结果如下。

图3侧推荷载加载模式

由上分析结果可知，两种加载模式下的计算结果较为接近，罕遇地震作用下，X方向层间位移角为1/125，Y方向层间位移角约为1/160，均小于规范要求0.01的限值。

X方向和Y方向的Pushover分析得到的首批塑性铰和性能点处塑性铰发展情况（以CQC加载模式为例），如图4所示。在X方向，首批塑性铰出现在第13步，位于中下部楼层的连梁梁端，随着步数的增加，连梁和其余框架梁开始出现较多塑性铰，在第30步达到性能点，竖向构件仅在中间连梁梁端出现轻微损伤，其余竖向构件均未进入塑性。在Y方向，首批塑性铰出现在第18步，位于中上部框梁端，随着步数的增加，连梁和其余框架梁开始出现较多塑性铰，在第30步达到性能点，竖向构件均未进入塑性。

图4塑性铰发育情况示意图

根据上述结构塑性铰发育情况示意图可以看出，一些楼层的框架梁最先出现少量的塑性铰，破坏过程塑性铰数量渐渐增多。从上述结果得出，塔楼整体结构体系并未发生严重性结构破坏，未发生严重破坏，各项指标均满足现行规范要求。

5结论

通过对高层实例静力弹塑性分析，综合得出以下结论：

（1）通过YJK及PMSAP软件的结构分析，显示塔楼结构满足设计不同工况下受力，结构安全。

（2）笔者为研究塔楼抗震特性，单独对塔楼进行了静力弹塑性分析，对其施加罕遇地震，最终可知塔楼结构破坏不严重，满足结构设计安全。

（3）塔楼静力弹塑性分析后，针对结构薄弱处采取针对性的加强措施，降低由于结构体型不规则而带来的影响程度。

参考文献

1. GB 50011-2010, 建筑抗震设计规范（2016年版）[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2010.

2. JGJ 3-2010, 高层建筑混凝土结构设计规程[S]. 北京: 中国, 2010.

3. 李骏嵘, 陈志刚, 卢云军,等. 超高层酒店办公楼结构设计实例浅析[J]. 浙江建筑, 2016, 33(011):13-15,20.

4. 鲁国昌, 于东晖. 航空工业信息中心科研办公楼结构分析与设计[J]. 建筑结构, 2019, 049(003):15-19.

5. 曾念童. 静力弹塑性分析在复杂高层建筑设计的应用—某五星级酒店的案例分析[J]. 福建建筑, 2020, 0(4):44-50,85.

6. 庄莉,冷斌. 某高层结构超限设计分析及对策研究[J]. 江苏建筑, 2020, No.207(05):67-69.

7. 刘若斐, 秦从律, 吴庆勇,等. 某商业综合体1#楼结构抗震超限设计[J]. 建筑结构, 2019(S02):274-279.

8. GB 50223-2008, 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.

9. JGJ62-2014, 旅馆建筑设计规范[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2014.

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