基于抗震性能分析的超限高层设计

刘 震

(上海中梁地产集团有限公司，上海 200331)

1 性能目标及性能水准

针对不同抗震设防要求、场地条件以及建筑的重要性，采用不同的性能目标[1,2]和抗震措施。根据《高层建筑混凝土结构技术规范》[3]结构抗震性能目标分为A,B,C,D四个等级，结构抗震性能分为五个水准。

2 本工程性能目标的确定

本工程拟采用抗震性能目标C对超限高层进行分析设计，具体表述如下：

1)7度多遇地震下，结构完好，进行弹性设计，竖向构件无损坏，耗能构件无损坏，不需修理即可继续使用；

2)7度设防烈度下，轻微损坏，进行不屈服计算，结构薄弱部位或重要部位构件不屈服，不考虑地震内力调整；抗震承载力满足强度标准值，材料分项系数、作用分项系数取1.0；允许部分选定的部位进入屈服阶段，但不得发生脆性破坏(如剪切等)；一般修理后可继续使用；

3)7度大震下中等损坏，进入限定屈服状态，模拟非线性分析，满足既定的变形要求，重要部位构件允许达到屈服但满足既定的变形要求(混凝土的层间变形控制在1/50)，竖向构件不发生脆性破坏；修复或加固后可继续使用。

3 工程实例

3.1 工程概况

本工程为高层五星级酒店，地上建筑面积为62 940 m2，共10层，建筑高度42.6 m。建筑首层为商业用房及酒店配套用房，层高6 m；2层为宴会厅、会议室等酒店配套用房，层高5 m；3层、4层为酒店配套用房及客房，层高3.5 m；5层以上为酒店客房，层高3.5 m。钢筋混凝土框架结构，标准层平面呈圆弧形，标准柱网尺寸为8.7 m×9.8(10.3)m。

3.2 超限判定

本工程建筑高度为A级高度限值，满足(建质[2010]109号)规定表一的要求；结构规则性判断结果如下：

一项不规则项超限：

第3项：本层侧向刚度小于相邻上层的50%。

X向地上2层与地上3层侧向刚度之比为0.477。

Y向地上2层与地上3层侧向刚度之比为0.362。

三项不规则项超限：

第1a(1b)项：考虑偶然偏心的扭转位移比大于1.2。

相邻层质心相差大于相应边长15%。

第4a(4b)项：相邻层刚度变化大于70%或连续3层变化大于80%。

竖向构件位置缩进大于25%。

第7项：斜柱(78.7°)。

3.3 各项不规则超限具体情况

1)根据计算结果，偶然偏心下的扭转位移比：X方向最大值为1.34>1.2；Y方向最大值为1.23>1.2，但均小于1.4;

2)根据计算结果，标准层偏心率自2层向上逐渐减小：X方向最大值为12.5%<15%，Y方向最大值为5.7%<15%；

3)根据计算结果，本工程3层处X向,Y向层刚度比值(本层侧移刚度与上一层相应侧移刚度70%的比值或上三层平均侧移刚度80%的比值中之较小者)分别为0.79,0.64，不满足规范要求；

4)主楼部分带有2层裙房，裙房结构高度为H1=13+0.5=13.5 m，结构总高H=41.5 m，H1/H=0.325>0.2，需考虑竖向缩进的影响，缩进的竖向位置在3层楼面处。竖向缩进百分比：A—A剖面处为35%>25%；B—B剖面处为47%>25%，且大于35%(见图1)；

5)主体结构两侧两端两排8根柱子在4层以上向同一方向倾斜向上，斜柱与水平面角度为78.7°;

6)根据计算结果，塔楼与底盘的质心偏心率：X方向为4.5%<20%；Y方向为8.1%<20%(见图1)；

7)根据计算结果，本工程受剪承载力比值均满足规范要求。

总结：以上不规则项中，第1)项、2)项不重复计入，第6)项，7)项均满足规范要求，故存在1项平面不规则、3项竖向不规则，应属于超限高层建筑。

3.4 计算分析内容

1)整体结构多遇地震作用下弹性分析。

首先进行结构多遇地震作用下弹性分析，各项指标满足现有规范的基本要求。

2)重要结构构件的中震和大震下的弹塑性分析。

对结构受力关键部位(竖向构件)以及斜柱(主要为两端头4层以上8根斜柱)，进行详细的计算分析，确保相应部位结构构件在相应烈度地震下的受力性能。

3.5 重要构件的中震和大震下的弹塑性分析

3.5.1重要构件抗震性能目标和抗震性能水准的设定

本工程4层至屋面两端两排8根柱子为向同一方向同一角度倾斜而上的斜柱，这8根框架柱为本工程的关键及薄弱构件。为确保整体结构的安全，对上述结构构件提出具体的抗震性能目标。具体按以下规定进行设计：

1)在中震作用下：

2)在大震作用下：

3.5.2重要构件的抗震性能设计的实施

1)计算分析采用的程序和主要设计参数。

采用SATWE程序根据上述抗震性能设计目标进行相关结构构件的计算分析，中震及大震验算均采用弹性分析(适当考虑结构弹塑性)。主要分析计算参数取值如下：

水平地震影响系数最大值取0.23(中震)、0.45(大震)；

结构的阻尼比取为0.06(中震)、0.07(大震)；

中震弹性计算时：荷载效应以及材料强度均采用设计值，承载力抗震调整系数γre按规范取值；

中震以及大震不屈服计算时：荷载效应以及材料强度均采用标准值，承载力抗震调整系数γre取1.0。

2)中震下斜柱正截面不屈服计算结果。

计算结果表明，在中震作用下，斜柱的计算配筋值比小震弹性下的计算配筋值大，施工图斜柱纵筋配筋拟采用中震不屈服计算结果。

3)中震下斜柱受剪弹性计算结果。

计算结果表明，在中震作用下，斜柱的箍筋配筋值未超过小震弹性下的计算配筋值。

4)大震下斜柱抗剪截面限值条件验算。

计算结果表明：大震作用下，4层及以上层斜柱最大计算剪力值为3 090 kN，4层以上斜柱截面为900×900，混凝土的等级为C40，0.15fckbh0=0.15×26.8×900×870=3 147.7 kN,斜柱受剪截面满足规范要求；均未出现不满足剪压比限值的情况，满足大震下抗剪截面限值条件。

3.6 罕遇地震弹塑性静力推覆分析(PUSH)

3.6.1弹塑性分析的目的

1)了解结构在罕遇地震下的弹塑性性能，根据弹塑性变形验算，判断结构在罕遇地震下的抗倒塌能力；

2)了解框架的损伤和塑性变形情况，着重发现结构的薄弱楼层以及薄弱构件；

3)根据上述分析结果，针对薄弱部位和薄弱构件提出切实可行的构造措施。

分析计算采用中国建筑科学研究院PKPMCAD工程部编制的“PUSH&EPDA”。

3.6.2计算结果分析

1)最不利方向的能力曲线、需求曲线及抗倒塌验算简图如图2所示。

根据图2中显示，最不利方向的需求层间位移角为1/124<1/50，可满足“大震不倒”的最低性能目标要求。

2)最不利方向第44加载步结构位移曲线及层间位移角曲线见图3。

根据图中显示，罕遇地震下层间位移角曲线呈折线型，在2层和5层楼面处存在较大幅度的弯折，主体结构存在明显的薄弱楼层。图中显示，最大层间位移角楼层为第5层。

3)最不利方向第39加载步结构塑性铰及弹塑性状态见图4。

根据结构弹塑性状态简图可知，在罕遇地震作用下，大部分塑性铰都出现在框架梁上，框架柱中仅在两端斜柱有塑性铰出现，基本可以实现“强柱弱梁”的设计原则。

根据上述情况，两端斜柱为本工程的相对薄弱构件，施工图设计时拟采取提高斜柱纵筋及箍筋的配筋率等措施进行加强处理。

3.7 抗震设计结论

1)两种软件的计算结果比较接近，结构构件在多遇地震下均处于弹性工作状态，层间位移角满足规范要求，可保证小震完好、无损坏。

2)通过对某些重要构件进行中震弹性分析(主要为斜柱)，重要构件结构的抗震性能目标达到预定目标。在中震作用下，构件的宏观破坏程度可以满足轻度损坏级别，在大震作用下，构件的宏观破坏程度介于中度损坏～比较严重破坏之间。

综上所述，本工程抗震设计基本可以达到预期的性能目标，在规范规定的地震作用下，结构是安全的。

4 结语

通过以上工程实例以及理论阐述，可以得到以下结论：

1)通过基于性能的抗震设计方法应用于实际工程的分析设计，可将工程切实可行的推行下去，这种抗震设计理念是未来结构抗震设计的必然趋势；

2)抗震性能分析计算过程的复杂性，必须具有行之有效的计算软件以达到业主和使用者对建筑功能要求。

参考文献：

[1] 张毅刚，杨大彬.基于性能的空间抗震设计研究现状与关键问题[J].建筑结构学报，2010，31(6):145-152.

[2] 马宏旺，吕西林.建筑结构基于性能抗震设计的几个问题[J].同济大学学报，2002,30(12):1429-1434.

[3] JGJ 3—2001,高层建筑混凝土结构技术规程[S].