大厦裙楼的抗震性能化设计与研究①

2018-06-28，，

佳木斯大学学报（自然科学版） 2018年2期

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(中信建筑设计研究总院有限公司,湖北武汉 430014)

1 工程背景

为了研究抗震性能化设计在实际工程中的应用，以实际工程金银湖大厦裙楼为例，该项目位于湖北省武汉市东西湖区金银湖街，项目由一栋塔楼和一栋6层裙楼组成，裙楼功能由商业和影院构成，地上6层，地下3层，建筑物总高度31.8m，为A级高度高层建筑，结构形式为框架结构，图1 为该建筑的结构模型图，标准层结构平面如图2所示。

根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》[1]附件1中表2，裙楼存在三项不规则，分别为扭转不规则、凹凸不规则和楼板不连续(影院层为两层通高，开洞面积大于30%)，属于规则性超限高层建筑。根据《建筑抗震设计规范》[2](以下简称《抗规》)3.4节内容，裙楼存在较多楼层扭转位移比大于1.4，属于特别不规则建筑，需要做专门研究。为此需要依据《高层建筑混凝土结构技术规程》[3](以下简称《高规》)设定性能目标进行抗震性能化设计，并进行静力弹塑性分析补充验算，确定结构是否达到预期的性能目标。

2 结构抗震性能目标

根据结构超限情况，并考虑造价等因素，裙楼的抗震设防目标定为《高规》规定的C 级。根据《高规》，表1给出了不同地震水准下的结构构件的性能目标。裙楼存大悬挑梁(悬挑长度超过4m)和大跨预应力梁，对该梁应提高其性能目标，特规定大震作用下，该梁正截面不屈服，抗剪承载力符合《高规》式3.11.3-2的要求。

表1 构件抗震性能目标

注：表中式1～式4表示《高规》公式3.11.3-1～3.11.3-4。

3 结构抗震性能化设计分析

根据预先设定的结构抗震性能目标，裙楼进行抗震性能化设计，需要分别验算结构在小震、中震和大震作用下的构件性能状况是否满足预定性能要求。

3.1 小震弹性计算分析

根据抗震性能目标要求，在小震作用下，结构构件均处于弹性，为此采用了两种有限元计算程序YJK和Midas Building对整体结构进行了线弹性计算。两种软件计算指标结果对比见表2，两种软件的计算结果基本规律一致，计算误差均在3%以内，表明该计算结果是正确的。根据软件计算配筋结果，结构构件均处于弹性状态，可见该裙楼在小震作用下满足性能目标的要求。

表2 弹性主要计算结果对比

注：表中以YJK计算结果为主，Midas计算结果进行校核。

图1 裙楼的结构模型图

图2 裙楼标准层结构平面布置

3.2 小震弹性时程补充计算分析

裙楼属于特别不规则建筑，小震作用下，除了需要进行线弹性计算验算性能目标要求外，还需要进行弹性时程补充计算。依照《抗规》要求，选用了五组天然地震动记录(No1、No2、No3、No4和No5)和两组人工波(No6和No7)，每条波包含X、Y两个方向的分量。地震波的频谱特性、有效峰值和有效持续时间满足规范要求，其频谱与目标反应谱曲线的比较如图3所示，在结构主要周期点附近，地震波的反应谱和《中国地震动参数区划图》[4]中的小震反应谱吻合较好。

按照《抗规》要求，裙楼采用了双向地震波输入，其中主次方向地震波强度比按1：0.85输入，多遇地震峰值加速度取22gal(根据《中国地震动参数区划图》取值)。地震波有效持续时间均大于5倍结构基本周期。工程裙房平面不规则，存在斜交抗侧力构件，最大地震力作用方向角度为37.71度，因此工程裙房选取0度(X1方向)、90度(Y1方向)及37.71度(X2方向)、127.71度(Y2方向)两组共四个方向分别同时输入主次地震波，每一组地震波交换一次主次方向，7组地震波共计28次双向输入计算，取最不利情况的结果进行包络。小震弹性时程分析基底剪力计算结果见表3～4，由表中计算分析结果可知，弹性时程分析选取的7组地震波符合规范规定，从两组地震波的分析结果对比可以看出，地震波沿X2、Y2方向输入时，得到的基底剪力普遍大于X1、Y1方向结果。图4给出了各楼层波平均值曲线，由图知，楼层反应谱计算的结构层间剪力大于多条时程曲线计算所得结构层间剪力的平均值，小震线弹性计算能包络住小震弹性时程计算，由此可见小震作用下，结构线弹性计算结果满足抗震性能目标即可。

图3 地震波频谱特征

图4 楼层剪力曲线

表3 X1、Y1方向弹性时程分析基底剪力计算结果

表4 X2、Y2方向弹性时程分析基底剪力计算结果

3.3 中震等效弹性验算分析

根据《高规》对结构在第3性能水准下的要求，中震作用下，主要验算内容有：结构层间位移角验算，关键构件和普通竖向构件(框架柱)正截面承载力不屈服验算，关键构件(框架柱)受剪承载力弹性验算，耗能构件(框架梁)受剪截面验算。层间位移角计算结果见图5。采用YJK计算软件进行中震不屈服验算，根据计算结果，在设防地震作用下，结构位移角满足《抗规》表M.1.1-2性能3的要求；构件验算结果满足性能水准3的要求。

3.4 大震等效弹性验算分析

根据《高规》对结构在第4性能水准下的要求，大震作用下，主要验算内容有：结构层间位移角验算，关键构件(框架柱)抗震承载力不屈服验算，关键构件和普通竖向构件(框架柱)受剪截面剪压比验算。层间位移角计算结果见图6。采用YJK计算软件进行大震不屈服验算，根据计算结果，在罕遇地震作用下，结构位移角满足《抗规》表M.1.1-2性能3的要求；构件验算结果满足性能水准4的要求。

图5 中震楼层层间位移角和楼层位移曲线

图6 大震楼层层间位移角和楼层位移曲线

3.5 静力弹塑性补充计算分析

按照《高规》要求，大震作用下，除了需对结构进行了等效弹性计算，还需要采用有限元分析软件对结构进行静力弹塑性分析补充计算。采用有限元软件Midas Building进行静力弹塑性分析计算，框架梁采用FEMA骨架曲线，框架柱采用三折线骨架曲线。因裙楼属于规则性超限的高层建筑，且结构平面呈三角形，存在斜交抗侧力构件，因此分别沿结构两组方向(X1+Y1、X2+Y2)进行加载分析。考虑到结构受力比较复杂，因此分别采取振型、等加速度和层剪力三种加载方式进行正反两个方向的加载推覆分析。经对比计算结果，X2+Y2这组方向在层剪力加载模式下，结构基底剪力和顶点位移均最大，因此只需验算地震力在X2+Y2该组方向下结构的构件性能水准是否满足要求。

大震作用下，X2向性能点处结构等效阻尼比约为12.36%，顶点位移为0.142m，最大层间位移角1/255；Y2向性能点处结构等效阻尼比约为11.33%，顶点位移为0.136m，最大层间位移角1/238。性能曲线详图7所示，最大层间位移角满足《抗规》表M.1.1-2性能3的要求。

图7 大震性能点曲线

3.6 结构构件抗震性能评价

构件的抗震性能评价主要从构件塑性变形与塑性变形限值的比值关系、塑性铰出现部位、构件损伤程度等方面来评判，以保证结构不因局部构件的破坏而产生严重的破坏或倒塌。判定标准主要是依据ATC-40(1996)和FEMA-273(1997)中提供的能力谱法来评价结构的抗震性能。根据静力弹塑性分析计算结果可知，结构整体抗震性能和各类结构构件的抗震性能都满足预先设定的抗震性能目标。

(1) 框架柱

推覆分析过程中，框架柱塑性铰首先出现在中下部，随着时间推移，柱塑性铰逐渐增多，当推到大震性能点步骤时，框架柱塑性铰绝大部分都处于B状态，框架柱塑性铰状态分布见图8。