某超限高层建筑抗震性能分析

2012-08-07胡钢亮

江汉大学学报（自然科学版） 2012年3期

关键词：抗震荷载曲线

陈震，胡钢亮

（1.江汉大学机电与建筑工程学院，湖北武汉 430056； 2.武汉建工科研设计有限公司，湖北武汉 430022）

某超限高层建筑抗震性能分析

陈震1，胡钢亮2

（1.江汉大学机电与建筑工程学院，湖北武汉 430056； 2.武汉建工科研设计有限公司，湖北武汉 430022）

通过运用目前土木工程中流行的软件PKPM和ETABS，对一幢超限高层办公楼进行了结构抗震计算分析，并进行了地震作用下的Pushover分析。结果表明，用ETABS进行结构分析对PKPM计算结果具有很好的参考价值。

高层建筑；抗震性能；超限；时程分析；ETABS；PKPM

1 工程概况

某项目拟建场地位于武汉市中心城区，主要有住宅及商业两大部分。该超限髙层建筑抗震性能分析针对其中层数为44层，层高4.3 m，高度192 m，平面尺寸约为47.8 m×47.8 m的商业办公楼。

2 工程地质条件

拟建场地场区地貌单元属长江Ⅰ级阶地，建筑场地类别为Ⅲ类。场区内覆盖层为55～65 m的第四系全新统冲洪积地层，具有典型的二元结构，下卧基岩为志留系泥岩地层。地下水类型主要为填土层中的上层滞水和砂层中的孔隙承压水两种类型。《岩土工程勘察报告》中提供土层等效剪切波速约为170～188 m/s，覆盖层厚度60 m。本场地20 m深度范围内存在轻微液化及砂土互层。

3 基本设计参数

根据相应规范确定结构及构件的安全等级为二级；地基基础设计等级为甲级，建筑桩基安全等级为二级，该项目办公楼为丙类建筑，该区抗震设防烈度为6度。

其地震影响系数曲线与武汉市抗震办公室关于《武汉市主城规划区地震动参数小区划分图》所提供的地震影响系数曲线及该项目的场地地震安全性评价报告（以下简称“安评报告”）所提供的地震影响系数曲线相比较，选取较为不利之地震影响系数曲线，即该项目安评报告所提供的地震影响系数曲线，如图1所示。

图1 地震影响曲线

该项目的安评报告所提供的工程场地地表水平向设计地震峰值加速度及反应谱（5%阻尼比）参数值如表1所示。

表1 抗震设计参数值

该工程商业办公楼楼高192 m，采用型钢混凝土框架核心筒结构体系，根据JGJ3-2010《高层建筑混凝土结构技术规程》，超出A级高度150 m的限值，但未超B级高度的高层建筑，其核心筒结构抗震等级为二级，框架结构抗震等级也为二级。基本风压取为0.4 kN/m2，地面粗糙度定为B类，风载体型系数取1.4。基本雪压取为0.50 kN/m2，活荷载取3.5 kN/m2。设备荷载按实际重量考虑。

4 结构布置与选型

该工程商业办公楼结构主要为框架核心筒结构体系，剪力墙布置成筒体，围成的竖向箱形截面的薄壁筒和密柱框架集成的竖向箱形截面。由于层髙的限制，加大框架柱与核心筒连接的框架梁的宽度，并将周边梁高加宽，以满足结构抗扭刚度。

其平面形状规则，竖向结构布置规则、均匀，墙厚由上而下续渐加厚，柱截面尺寸由上而下续渐加大，混凝土强度等级也由上而下续渐加大，使其刚度沿楼高均匀变化。

5 计算方法及手段

该工程属超A级高度但未超B级的框架核心筒及规则性超限结构。结构分析方面，主要采用中国建筑科学研究院开发的PKPM软件中的SATWE程序进行整体内力及位移计算，并综合各种荷载工况作为结构构件的设计依据；同时采用全球公认的高层结构计算软件ETABS进行地震作用下结构特性的计算，其中水平位移、自振基本周期及基底剪力等各项主要有关抗震设计的数据，均与 SATWE程序结果作比较，验证SATWE模型及其结果的可靠性。

式中，W为雨水设计径流总量，m3；Ψc为雨水径流系数；hy为年降雨量，mm；F为汇水面积，hm2。长春市年平均降雨量为570mm，可回收的雨水再利用可达每年约1000m3。

采用时程分析法进行补充计算，本次计算利用SATWE中的程序进行结构弹性动力时程分析，选用两条符合Ⅲ类场地的实际波及一条人工波进行补充计算。

6 结构计算分析结果

该工程结构三维空间分析采用高层结构空间有限元分析与设计程序SATWE和软件ETABS，对结构进行整体内力位移计算，并采用弹性动力时程分析法进行补充计算，对比振型分解反应谱（CQC）计算方法的结果，找出薄弱层，从而针对性地采取加强措施[1-2］。

6.1 ETABS与SATWE的各项计算结果比较

对塔楼分别采用ETABS软件与SATWE程序计算，结果见表2[3］。

从表2中可以看出两种程序计算得出的结果基本一致，说明两种程序的结果都是可信的。

表2 塔楼的ETABS与SATWE计算结果比较

6.2 时程分析结果

该工程时程分析采用3组实际强震记录的加速度时程曲线，各条波的波形特征，主要结果见表3。

1）楼层剪力、层间位移平均值等除顶部少数层外都少于振型分解反应谱（CQC）的值，所以采用CQC的计算方法应该可以满足设计要求，时程分析中所选取的波均符合Ⅲ类场地的条件，亦满足每条波计算所得底部剪力不小于CQC法的65%，平均值不小于80%的要求，因此所选的波均具有合理性[4］。

表3 各地震波形参数及计算结果

2）时程分析所得振型曲线变化规律与静力分析结构基本一致，且基本均在反应谱法（CQC）的包络线内。

3）在时程分析中显示个别地震波的地震效应于顶部1/3的位置比CQC计算结果稍大，鉴于此种情况，在施工图制作阶段把35层至顶层的竖向构件配筋率适当提高。

6.3 静力弹塑性分析结果

采用中国建筑科学研究院编制的EPDA& PUSH分析软件进行中、大震作用下的结构静力弹塑性分析（Pushover分析）。在该工程的Pushover分析中，选择两种水平侧向荷载加载方式[5］，即：弹性CQC地震力、倒三角。每种加载方式分别按X、Y两个正、负方向加载，共有8种荷载工况，分别对每种荷载工况进行Pushover分析，得到各工况的加速度需求谱曲线—加速度能力谱曲线，两曲线的交点即为性能点，性能点对应的位移角曲线坐标即为最大层间位移角。在弹性CQC地震力荷载作用下进行Pushover分析，得到的各塔楼的能力谱—需求谱曲线、性能点及最大层间位移。见图2～图5。

可以看出，各工况下的能力谱—需求谱曲线有以下特点：

1）能力谱曲线较为平滑，在设定目标范围内，各荷载下得到的能力曲线均平滑上升，未出现陡降段或突变段，各能力谱在中震、大震作用下均与需求谱有交点。

图2 弹性CQC地震力下X正方向能力谱-需求谱曲线

图3 弹性CQC地震力下X负方向能力谱-需求谱曲线

图4 弹性CQC地震力下Y正方向能力谱-需求谱曲线

2）从不同方向进行加载得到的能力谱曲线反映了结构在不同方向上的抗推覆能力，在推覆过程中，同一荷载模式下X方向能力谱与Y方向能力谱曲线变化非常相似，曲线基本相同，说明两个方向的抗推覆能力也非常相近；同一荷载模式下同一坐标轴方向的正、负两个方向能力谱曲线也基本相同，说明结构沿正、负两个方向的抗覆能力也基本相同。

图5 弹性CQC地震力下Y负方向能力谱-需求谱曲线

6.4 抗震性能设计判别

该工程办公楼为抗震6度、高度超出150 m但未超出210 m的框架核心筒及规则性超限结构。对该工程住宅塔楼进行EPDA的弹塑性分析，并以此作为对结构抗震性判别的手段。按建筑功能及业主意见要求结构达到抗震性能目标D级。抗震性能目标D要求：小震满足性能水平1a的要求，中震满足性能水平3的要求，大震下满足性能水平4的要求，其高度可超过JGJ3-2010《高层建筑混凝土结构技术规范》B级的规定，某些不规则性限制可有所放宽。

通过EPDA对本工程进行弹塑性静力分析（Pushover），确定与3个地震水平（小震、中震、大震）对应的结构3个变形阶段，基底剪力及结构变形情况见表4[6-7］。

可见，各种地震作用下，位移角均满足规范限值1/100的要求[8-9］。

7 结论

该工程商业办公楼为抗震6度超150 m的框架核心筒结构，属B级高度高层建筑且规则性超限。在多遇地震作用下，该工程结构在侧向刚度规则性、楼层抗剪承载力规则性、平面刚度规则性等方面满足现行规范的相关要求，针对具体超限情况，采用有效、可信的分析手段，并采取一系列加强结构抗震性能的措施。在满足建筑功能的前提下，使该工程的结构体系达到“小震不坏，中震可修，大震不倒”的要求，并能达到抗震性能设计的预定性能目标D级的要求。从PKPM和ETABS两种软件的计算结果看：结构总体计算信息中的主要结果基本能吻合。