某超限住宅项目动力弹塑性分析

刘庆刚

广州市设计院（510000）

1 工程概况

工程项目位于广州市海珠区，为4栋超高层住宅以及地下室，文章着重介绍其中的D栋。本项目的D栋塔楼为地下6层，地上44层，总计容面积为23994.5m2。房屋高度148.1m。地下1层高5.4 m，非塔楼范围3.5m，首层层高4.8m，2层层高4.1 m，5层层高4.4m，3层以上文化站层高3.5m、酒店层高3.1m、住宅层高3.1m，低区避难层层高5.4 m，高区避难层层高4.5m。地下室主要为车库与设备机房，地上1层为开场大堂，2层及以上主要功能为文化站、酒店、住宅，在14层与29层分别设置两层避难层。

根据建筑功能分区、平面布局使用舒适等要求，采用部分框支混凝土剪力墙的转换结构体系。为满足酒店、文化站大空间使用功能要求，6层及15层楼面以下取消部分竖向构件（剪力墙），在楼面采用型钢混凝土框梁架托墙转换上部竖向构件，以满足转换层上下两个功能分区的使用及运营特点。

2 结构超限情况及抗震性能目标

2.1 超限情况判别

高度超限:房屋高度为148.1m，超过高度限值。

扭转不规则:结构最大位移比为1.26（7层）。

构件间断:6层层楼面存在局部托墙转换。

其他不规则:15层楼面存在一片托墙转换。

根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》要求，本工程应进行超限高层建筑工程抗震设防专项审查。

2.2 性能目标选取

按照《建筑抗震设计规范》（GB50007—2010）[1]第1.0.1条规定的抗震设防目标（小震不坏、中震可修、大震不倒），考虑到本项目存在高度超限、构件间断、扭转不规则和其他不规则的四项超限，结合结构的经济性要求，本项目整体选择C级抗震性能目标。在多遇地震下，结构满足性能水准1。在设防烈度地震下，结构满足性能水准3。在预估罕遇地震下，结构满足性能水准4。对于框支框架（框支柱与框支梁）等关键构件，抗震性能目标提高至B级。

3 动力弹塑性分析

3.1 分析软件介绍

3.1.1 计算软件

动力弹塑性计算软件PKPM-SAUSAGE（PKPM Seismic Analysis Usage），运用一套新的计算方法，可以准确模拟梁、柱、支撑、剪力墙（混凝土剪力墙和带钢板剪力墙）和楼板等结构构件的非线性性能，使实际结构的大震分析具有计算效率高、模型精细、收敛性好的特点[2]。

3.1.2 材料本构

3.1.2.1 钢材

钢材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，考虑了包辛格效应。钢材的强屈比设定为1.2，极限应力所对应的极限塑性应变为0.025。

3.1.2.2 混凝土材料

一维混凝土材料模型采用规范指定的单轴本构模型,能反应混凝土滞回、刚度退化和强度退化等特性，其轴心抗压和轴心抗拉强度标准值按《混凝土结构设计规范》[3]表4.1.3采用。混凝土材料进入塑性状态伴随着刚度的降低。刚度损伤分别由受拉损伤参数dt和受压损伤参数dc来表达,dt和dc由混凝土材料进入塑性状态的程度决定。二维混凝土本构模型采用弹塑性损伤模型，该模型能够考虑混凝土材料拉压强度差异、刚度及强度退化以及拉压循环裂缝闭合呈现的刚度恢复等性质。

3.2 地震波选取

大震下地震波选取一条人工波和两条天然波，其 分 别 为TH024TG035、TH035TG035、RH2TG040。各波主方向加速度峰值调至220cm/s2，各向峰值比值为1∶0.85∶0.65，对结构X、Y两个方向分别作用各地震波主方向进行计算，时程取完整的地震波记录时程。

3.3 大震下整体性能分析

3.3.1 基底剪力

结构在所选的各条地震波作用下的最大基底剪力:小震CQC大震最大基底剪力X向6527.10 kN、Y向6280.89kN，TH024TG035大震最大基底剪力X向27000kN、Y向22600kN，TH035TG035大震最大基底剪力X向26900kN、Y向31000 kN，RH2TG040大震最大基底剪力X向42300kN、Y向34500kN，各条地震波剪力计算值均在正常计算范围之内，可以认为计算结果有效可信。

3.3.2 层间位移角

结构在各波大震作用下层间位移角最大值。D栋在TH024TG035地震动下，X向层间位移角最大，为1/284。在TH035TG035地震动下，Y向层间位移角最大，为1/218。在RH2TG040地震动下，Y向层间位移角最大，为1/225。

3.3.3 结构能量耗散分布情况

各地震波能量耗散情况相似，取RH2TG040主X向地震波的能量耗散情况对结构能量耗散机制进行说明。通过资料可知，结构的总功主要由阻尼耗能消耗。在塑性耗能中，墙柱以及墙梁耗能为主要部分，振动过程吸收较多的地震能量。由耗能时程看出，随着地震能量的输入，结构的总功及阻尼耗能不断增大。在结构地震后期不再震动，动能耗散完毕减为零，并产生大量的塑性耗能，充分发挥结构体系的耗能机制。

3.4 大震下结构破坏形态及抗震性能总结

罕遇地震作用下，结构楼层质心处层间位移角时程包络满足性能目标C的不大于1/125的抗震设防要求。

在罕遇地震作用下，结构剪力墙的受压损伤主要集中墙的底部，多为无损伤或轻微损伤。剪力墙的受拉损伤主要集中于底部剪力墙以及框支梁，为轻微至轻度损伤。可见，剪力墙满足抗弯部分中度损坏性能水准要求[4]。

连梁作为剪力墙结构主要耗能构件，在罕遇地震作用下大部分连梁出现受压损伤和一定的受拉损伤，主要表现为弯剪破坏，所有连梁都满足抗剪截面要求。可见，连梁满足中度损坏、部分比较严重损坏的性能水准。框架梁都满足抗剪截面要求。可见，框架梁满足中度损坏，部分比较严重损坏的性能水准[5-7]。框架梁、连梁进入塑性，消耗了大部分地震动输入能量，使结构刚度降低、周期加长，较小地震力作用的输入[8]。

综上所述，罕遇地震作用下各项指标均满足性能水准4的抗震性能目标要求。

4 结语

本工程在小震作用下，主要技术指标满足规范要求，所有结构构件均处于弹性阶段，结构完好无损或无需修理即可使用。在中震作用下，结构底部部分剪力墙出现拉应力，对拉应力大于1倍ftk的剪力墙墙肢，设置型钢，使混凝土名义剪应力小于1倍ftk，以控制墙肢横向裂缝的宽度，剪力墙均满足中震抗剪弹性、抗弯不屈服，框架梁和连梁满足抗剪不屈服、少数抗弯屈服，所有构件满足性能水准3。在罕遇地震（大震）作用下，静力及动力弹塑性时程分析结果表明，主体结构进入弹塑性受力状态，楼层的最大弹塑性层间位移角满足规范的限值要求，结构整体的损伤程度并不严重，连梁在全楼绝大多数楼层均进入塑性耗能状态，框架梁梁端在全楼绝大多数楼层出现塑性铰并进入屈服状态。通过以上结论可认为，罕遇地震（大震）作用下竖向构件性能保持良好，结构能达到“大震不倒”的抗震设防要求。为了增强结构在罕遇地震下的延性变形，对结构薄弱部位采取比规范更严格的构造措施，即对转换梁柱的性能目标提高至B级，以达到抗震性能设计的要求。通过以上基于结构性能的抗震设计分析，可以证明本工程满足国家制定的相关规范，达到业主希望得到的性能目标，即本工程抗震性能达到性能目标C级（框支框架提高至B级）的要求。

综上所述，本项目能实现设定的抗震性能目标预期，满足结构抗震安全性要求。