某超高层建筑结构抗震设计与分析

2013-05-16陈震

江汉大学学报（自然科学版） 2013年6期

陈震

（江汉大学机电与建筑工程学院，湖北武汉 430056）

0 引言

我国不少城市处于地震多发区，近年来发生的一些地震给人们的生命和财产带来了极大的损害。随着我国大中城市高层建筑数量迅速增加和楼层高度不断加大，抗震设计的重要性日益突出。高层建筑结构的抗震设计是土木工程领域十分重视的问题，也是高层建筑设计中至关重要的部分。笔者对某超高层建筑的抗震设计及分析方法进行阐述，并提出了相应的抗震措施。

1 工程概况

此超高层建筑为商业办公楼，地上42层，地下2层；地下室一层层高5.7 m，标准层层高4.3 m，地面以上主要高度182 m。总建筑面积地上83740 m2，地下3400 m2。

场地类别为Ⅲ类，等效剪切波速值为185.3～203.5 m/s，覆盖层厚度为56.9～63.3 m，场地液化等级为轻微液化。基础类型为桩筏基础，采用钻孔灌注桩加后压浆工艺，单桩竖向承载力特征值Ra=7500 kN，桩长约50 m，桩身直径1000 mm，桩进入持力层深度不小于1 m，3.5 m厚的桩端持力层为中风化泥岩。地上部分结构体系为全现浇钢筋混凝土框架—核心筒结构，地上有塔楼的地下室为现浇钢筋混凝土框架—核心筒结构，地上无塔楼的地下室为现浇钢筋混凝土框架结构。

地上部分塔楼及其相关范围抗震等级为1级，地上有塔楼的地下室及其相关范围抗震等级为1级，地上无塔楼的地下室部分抗震等级为4级。

2 结构性能目标分析

2.1 结构抗震性能要求

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）［1］，本工程为 B级高度的一般不规则结构，结构性能目标选定以C级。为了保证C级性能目标实现，要求结构：

1）在多遇地震作用下满足第一抗震性能水准；

2）在设防烈度地震作用下满足第二抗震性能水准；

3）在预估的罕遇地震作用下满足第三抗震性能水准。

该工程各抗震性能水准按表1［2］进行。

2.2 地震作用下结构设计要求

在多遇地震作用下，结构构件的承载力及结构变形按一般情况计算及复核，满足弹性设计要求。弹性计算分析的详细结果表明，结构沿主轴方向振动形式相近，结构振型、周期、位移形态和量值在合理范围内；结构的地震作用响应沿高度的分布合理；有效质量系数和楼层剪力的大小满足规范要求，剪力墙及连梁截面满足剪应力控制要求，配筋均在合理范围内［3］。

在设防烈度作用下（不计入风荷载效应组合），允许部分框架梁、连梁正截面承载力进入屈服阶段，结构进入弹塑性状态。

表1 C级抗震性能在各地震水准下结构预期的震后性能状况

在罕遇地震下，部分竖向构件及大部分耗能构件进入屈服阶段，结构应进行弹塑性分析。

3 结构基本信息及模型的建立

3.1 结构基本信息

结构抗震设计参数取值见表2。

表2 结构抗震设计参数取值

3.2 模型的建立

根据结构计算图纸在PKPM中建立几何模型，并按表2中各参数取值输入，建立结构计算模型。

可采用等效弹性的方法计算结构构件的组合内力，考虑结构阻尼比的增加及剪力墙连梁刚度的折减。在SATWE的“结构设计参数补充定义”中的“地震信息”中，地震影响系数αmax和场地特征周期Tg分别按中震输入。荷载组合通过自定义荷载组合添加。

采用等效弹性的方法用SATWE进行大震作用下的计算，在SATWE的“结构设计参数补充定义”中的“地震信息”中，地震影响系数αmax和场地特征周期Tg分别按大震输入。

Pushover计算模型从SATWE转换而来，几何尺寸、材料参数、设计要求均同SATWE［4］。

4 结构计算分析

首先进行多遇地震阶段的结构设计，再进行非线性分析以校核设防烈度地震、罕遇地震性能水准。根据校核结果调整结构设计进行第2次设计。计算内容包括［5］：

1）采用我国建筑设计单位广泛使用的PKPM软件中的SATWE及TAT计算模块计算。按反应谱计算了多遇地震作用，计算单向地震作用时考虑了偶然偏心的影响，双向地震作用与偶然偏心不同时考虑。

2）采用SATWE按弹性时程分析法选取5组天然波（SATWE自带的TH1TG045、TH2TG045、TH4TG045、TH3TG055、TH4TG055）和 2组人工模拟的场地波（安评报告提供的人工波Hlj5063-1、Hlj5063-2）进行了多遇地震作用计算。

3）根据设定的性能目标，采用SATWE进行了设防烈度地震作用下的整体结构构件承载力复核。

4）采用SATWE进行了罕遇地震下的底部剪力墙抗剪截面验算。

5）采用SATWE进行了静力弹塑性分析，即Pushover分析。在该工程所进行的Pushover分析中，选择两种水平侧向荷载加载方式，即：弹性CQC地震力、倒三角荷载。每种加载方式分别按X正、负方向和Y正、负方向加载，共计8个荷载工况。分别对每个荷载工况进行Pushover分析，得到相应的加速度需求谱曲线和加速度能力谱曲线。结构的性能点为两曲线的交点，其所对应的位移角曲线坐标即为最大层间位移角。

5 主要抗震计算结果

5.1 多遇地震作用计算结果

1）办公楼平面规则、简单、刚度和承载力分布均匀，建筑物的平面边缘无凹凸，楼盖整体性较好，筒体内洞口较多，扭转指标扭转位移比，X方向为1.22，Y方向为1.22，结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比均小于0.85，且第一自振周期没有扭转成分。

2）建筑结构竖向规则、均匀、无转换层，钢筋混凝土墙体侧向刚度自下而上逐渐减小，中区以上筒体角部开洞，且洞口上下位置不一致，结构层间位移均满足规范要求。

3）多遇地震作用下，有效质量系数和剪重比验算结果满足规范要求。

5.2 时程分析结果

根据软件所绘制的X、Y方向最大楼层剪力曲线和各楼层X、Y方向位移曲线，整理出时程分析结果数据如表3所示。

表3 时程分析结果

由计算结果可知：弹性时程分析所得的内力和位移平均值沿高度方向的变化规律与采用振型分解反应谱法所得的内力和位移变化规律基本一致，但是时程分析平均值计算的地震力在局部楼层出现大于CQC法的计算剪力，可以把CQC计算的顶部楼层放大1.1倍。因此，设计阶段地震剪力应采用各楼层CQC法和弹性时程分析法的包络值［6-7］。

5.3 静力弹塑性分析结果

对前述8种荷载工况进行了Pushover分析，得到各塔楼的各个工况下的能力谱-需求谱曲线、性能点及最大层间位移（见图1～图8）。

图1 弹性CQC地震力下X正方向能力谱-需求谱曲线

图2 弹性CQC地震力下X负方向能力谱-需求谱曲线

图3 弹性CQC地震力下Y正方向能力谱-需求谱曲线

图4 弹性CQC地震力下Y负方向能力谱-需求谱曲线

图5 倒三角荷载下X正方向能力谱-需求谱曲线

图6 倒三角荷载下X负方向能力谱-需求谱曲线

图7 倒三角荷载下Y正方向能力谱-需求谱曲线

图8 倒三角荷载下Y负方向能力谱-需求谱曲线

由能力谱-需求谱曲线可以看出［8-9］：

1）能力谱-需求谱曲线较为平滑，在设定目标范围内，各工况下得到的能力曲线均平滑上升，未出现突变段。各个工况的加速度需求谱曲线和能力谱曲线均有交点。

2）能力谱曲线反映了结构在相应方向上的抗推覆能力。同一荷载模式下X正、负方向和Y正、负方向的能力谱曲线形式基本相同，说明这些方向上的抗推覆能力也非常相近。

5.4 各工况的内力和变形情况

软件所计算出的各种地震荷载作用下基底剪力情况见表4。

表5中列出了弹性地震力CQC和倒三角荷载下X正、负方向和Y正、负方向上中震、大震作用时弹塑性层间位移角及所在楼层。

由表5可知：到达罕遇地震性能点时，各塔楼最大弹塑性位移角远小于1/100，满足规范要求及性能目标设定的要求。

表4 基底剪力表 /kN

表5 中震、大震作用下弹塑性层间位移角 /弧度

分析各工况的中震、大震作用下弹塑性层间位移角分布情况，结构具有以下特点：

1）位移角沿整个建筑高度范围变化均匀，说明结构侧向刚度分布基本均匀，无刚度突变的情况。

2）中震作用下结构的弹塑性变形值均不超过弹性位移限值的2倍。

3）能力谱曲线较为平滑，位移与基底剪力基本呈线性递增，曲线在大震性能点后继续加载若干步后才出现下降段，说明结构在抗倾覆能力上有较大余地。

4）大震作用下弹塑性层间位移角均小于1/120，且不大于0.9倍的塑性变形，符合规范的要求。

中震和大震作用下结构的塑性铰及裂缝表现见表6。

由表6可知：中震作用下整体结构抗震性能水准达到第二水准的要求。在大震作用下，结构总体上仍然处于弹性工作状态，满足性能目标C的要求。

表6 地震作用下塑性铰及裂缝表现

通过比较各塔楼在各工况下中、大震作用时的变形及塑性铰的发展状态，得出以下结论：

1）底部筒体连梁最先出现塑性铰，然后逐渐向上部楼层连梁发展塑性铰。

2）随后框架梁与内筒剪力墙连接处及与框架柱连接处出现塑性铰。

3）最后框架柱之间的框架梁出现塑性铰。

4）大震作用时，框架柱未出现塑性铰。

5）连梁的屈服起到耗能作用，变形增加，而使剪力墙在大震作用时仍然处于弹性工作状态。

6）结构弹塑性层间位移均满足规范限值规定，整体结构抗震性能达到第三水准的要求。

6 结构抗震措施

针对以上结构抗震计算的结果及分析，建议采用以下结构抗震措施：

1）由于连梁上出现了塑性铰，应通过严格控制其配筋率来提高其延性。对过早出现塑性铰的连梁，采用交叉暗撑，并同时满足强剪弱弯的要求。

2）对在中震及大震作用下，结构的顶部和底部出现裂缝的少数剪力墙以及个别开设了门窗的洞口形成的短剪肢，应加强其配筋构造，并适当提高水平配筋率。

3）部分轴力设计值较大的墙肢采用承载能力高的型钢混凝土剪力墙，并提高其分布筋的最小配筋率为0.35%（一般部位）～0.40%（底部加强部位）。由于核心筒开洞形成的短墙肢按边缘构件设计，并适当提高其配筋率，核心筒角部墙体均按约束边缘构件设计，其纵向钢筋最小配筋率不小于1.2%，边缘构件纵筋构造配筋率不小于0.8%，并适当增大配箍特征值。对设防烈度地震作用下不屈服，而抗震承载力不足以抵抗罕遇地震的核心筒连梁，采用交叉暗撑予以加强。

4）加大筒体角部开洞的剪力墙厚度，并保持上下截面一致；采用交叉暗撑对上下洞口位置不一致的连梁于以加固。

5）由于部分楼层框架承担的地震剪力的最大值超过底部总地震剪力的10%，而有些却小于结构底部总地震剪力的20%，计算时应对框架部分承担的地震剪力按（1）式进行调整，框架部分承担的地震剪力调整值 =MIN（0.2×底部总地震剪力，1.5×楼层地震剪力标准值中的最大值）。

6）为弥补筒体结构由于楼梯及电梯井布置密集造成的板平面刚度减小，将板的厚度提高至150 mm，并采用双层双向通长配筋。