某超高层建筑结构在罕遇地震作用下的抗震性能评估

孟 磊 （安徽省金田建筑设计咨询有限责任公司，安徽 合肥 230000）

0 引言

建筑结构在强烈的罕遇地震作用下，进入弹塑性阶段刚度会发生退化，并出现塑性内力重分布。在预估罕遇地震作用下对工程采用动力弹塑性时程分析方法进行结构整体补充计算，可以达到以下目的：①计算结构在罕遇地震作用下的动力响应，包括结构的整体变形情况、主要构件塑性及损伤情况，考察各构件破坏顺序及破坏程度，评价整体结构的弹塑性行为，确认结构是否满足“大震不倒”的设防水准要求；②研究结构关键部位、关键构件的变形形态和损伤情况；③论证结构整体在罕遇地震作用下的抗震性能，判断结构薄弱部位所在位置；④根据以上分析结构，针对结构薄弱部位和薄弱构件提出相应的加强措施，用以指导施工图设计。以上可借助专业分析软件PERFORM-3D能进行复杂的结构非线性动力时程分析来评估罕遇地震下性能[2-3]。

1 工程概况

项目选址于六安市梅山南路，周边道路交通便利，景观资源良好。建筑功能为以商业、办公为主的大型综合体。27#楼为办公塔楼，结构高度179.8 m，室内外高差100mm，地下室3层，地面以上42层（含三个避难层），标准层高为4.0m，结构体系为框架-核心筒结构。26#楼商业裙楼为大型商业，地面以上7层，建筑结构高度33.0m，层高均同27#楼为办公塔楼，结构体系为框架结构。27#办公塔楼和26#商业裙楼之间通过抗震缝分隔开，如图1所示。本文围绕27#楼办公塔楼结构抗震设计展开，重点对其罕遇地震作用下的抗震性能进行评估。建筑效果图如图2所示。

图2 建筑效果图

2 分析材料模型（本构关系）

在PERFORM-3D分析模型中，不考虑混凝土受拉作用，受压采用Mander模型，考虑箍筋对混凝土的约束，以及对其强度及延性的提高作用。混凝土本构采用多折线进行模拟，如图3(a)所示。混凝土材料轴心抗压强度标准值 (fck)按《钢筋混凝土设计规范》附录C表4.1.3采用。钢筋的非线性材料模型采用双线性随动硬化模型，在循环过程中，无刚度退化，考虑了钢材的包辛格（Bauschinger）效应，钢材的强屈比设定为1.2，极限应力所对应的极限塑形应变为0.025，如图 3(b)所示。

图3 材料模型

3 抗震性能目标

本工程房屋不规则性超过使用范围较少，结合抗震设计的概念进行设计防烈度、抗震设防类别、超限情况，按照《高层建筑混凝土结构技术规程》[1]第3.11节要求设定本工程结构的抗震性能目标为C级，不同地震水准下的结构、构件性能水准详见表1。

4 地震波的选取

本工程选用二条天然波(NatWave01，Natwave02)和一条人工波(ArtWave01)，按《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3-2010)表4.3.5提供的主方向地震作用最大加速度峰值0.22g和主方向、次方向地震峰值加速度比值1.00：0.85，调整后分别沿建筑物两个主轴方向各输入一次，进行弹塑性时程分析。

加速度最大值规一化的地震波时程曲线如图4所示，地震波反应谱与规范谱对比曲线如图5所示，各地震波的特征周期需符合《抗规》表5.1.4-2的要求，有效峰值加速度按《抗规》表5.1.2-2的要求采用，地震波的有效持续时间均不小于5倍的结构基本周期。三组地震波的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所用的地震影响系数曲线相比，在对应于结构主要振型的周期点上相差不大于20%，满足规范在统计意义上相符的要求。

结构抗震性能设防目标表1

结构大震弹性时程分析与振型分解反应谱法的底部剪力对比见表2所示，计算结果表明可满足《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)第5.1.2.3条要求，这说明地震波的选取是合适的。

图4 地震波时程曲线

5 结构的总体反映分析

图6给出在地震波组AatWave01作用下结构弹性和弹塑性反应的顶部位移时程对比曲线。在罕遇地震作用下，当结构进入塑性后，刚度会产生退化，弹塑性分析相对弹性分析的结构顶部位移有一定程度的偏移。

图5 地震波反应谱与规范谱曲线对比

图6 结构顶部的位移时程曲线

图7给出在地震波组AatWave01作用下结构弹性和弹塑性反应的底部剪力时程对比曲线。在罕遇地震作用下，当结构进入塑性后，刚度会产生退化，弹塑性分析相对弹性分析的结构底部剪力有一定程度的降低。

各组地震波作用下的结构层间位移角曲线见图8。由图8可知，结构在X方向的层间位移角最大值为1/307，对应层号在第23层，在Y方向的层间位移角最大值为1/195，对应层号在第35层。结构在两个方向的最大层间位移角均满足《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3-2010)表3.7.5关于框架核心筒结构体系层间位移角1/100的限值要求。说明结构整体刚度较大，高于预期性能目标，能够满足“大震不倒”的要求。

弹性分析的最大底部剪力与反应谱的对比 表2

图7 结构底部的剪力时程曲线

图8 结构的层间位移角曲线

6 构件的性能评价

根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)第5.1.2.3条规定，本工程选取三组时程曲线输入进行计算，结构地震作用效取时程法计算结果的包络值与振型分解反应谱法(CQC)计算结果的较大值对结构构件进行罕遇地震下性能评估。

6.1 剪力墙墙肢

剪力墙墙肢受拉、受压和受剪的性能状态分别如图9(a)～(c)所示。图中可知，在罕遇地震的各组地震波作用下，分析结果表明剪力墙墙肢在底部区域受力相对较大，但钢筋拉应变小于其屈服应变εy，混凝土压应变小于其峰值应变εp，剪应力小于其剪切强度，构件基本上无损坏。符合设定的抗震性能目标。

图9 剪力墙的性能状态

6.2 剪力墙连梁

剪力墙连梁的性能状态如图10所示。图中可知，在罕遇地震的各组地震波作用下，梁单元损伤程度较大的部位一般在梁端位置。梁的性能等级大多数处于“中度损坏”以下，只有极少数达到“重度损坏”，符合梁作为耗能构件设定的抗震性能目标。连梁的最大塑性变形处于有限安全性能段，小于性能点CP，符合设定的抗震性能目标。

6.3 钢筋混凝土框架柱

钢筋混凝土框架柱的性能状态如图11所示。由图可知，在罕遇地震的各组地震波作用下，塔楼的框架柱基本上无损坏，裙房顶部部分钢筋混凝土柱产生了塑性损伤，形成弯曲塑性铰，柱的最大塑性变形处于运行控制性能段，小于性能点IO，构件轻度损坏，符合设定的抗震性能目标。

图10 剪力墙连梁的性能状态

6.4 钢筋混凝土框架梁

钢筋混凝土框架梁的性能状态如图12所示。图中可知，在罕遇地震的各组地震波作用下，大部分钢筋混凝土梁产生了塑性损伤，形成塑性铰。钢筋混凝土梁的最大塑性变形处于有限安全性能段，小于性能点CP，梁构件均控制在中度损坏以下，极少数梁为比较严重损坏，满足结构抗震性能水准4的要求。

图11 钢筋混凝土框架柱的性能状态

7 结论

本工程使用PERFORM-3D软件并选取三组地震波进行大震弹塑性时程分析和抗震性能评估结构进行罕遇地震作用下的动力弹塑性时程分析，对结构性能进行评价，总体结论如下。

图12 钢筋混凝土框架梁的性能状态

①结构在X方向的层间位移角最大值为1/307，对应层号在第23层，在Y方向的层间位移角最大值为1/195，对应层号在第35层。结构在两个方向的最大层间位移角均满足高规[1]框架核心筒结构体系层间位移角1/100的限值要求。同时满足《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)附录M表M.1.1-2结构构件实现抗震性能要求的层间位移参考指标示例要求。

②剪力墙墙肢在底部区域受力相对较大，但钢筋拉应变小于其屈服应变εy，混凝土压应变小于其峰值应变εp，剪应力小于其剪切强度，构件基本上无损坏，满足预设性能目标的要求。

③大部分剪力墙连梁均已屈服，构件中度损坏，部分严重损坏；裙房顶部部分框架柱已屈服，构件轻度损坏；大部分框架梁均已屈服，构件中度损坏，部分严重损坏。

④结构在罕遇地震作用下，塑形变形发展的顺序：连梁→楼面梁→剪力墙→框架柱，连梁吸收了不少的地震作用，塑性变形相对集中，损坏严重，框架柱基本上无损坏。

综上所述，本结构体系具有合理的屈服机制和良好的弹塑性耗能能力，弹塑性耗能构件明确，弹塑性耗能仅发生在确定的构件和区域，结构构件的性能满足所选定的结构抗震性能目标的结构抗震性能水准4的要求，结构在罕遇地震时具有足够的变形能力和合适的承载能力，避免倒塌。