某超限高层基于性能的弹塑性静力分析

唐华东

（广东省电信规划设计院有限公司，广东 广州 510630）

1 工程概况

该工程是位于海南省海口市海甸岛的大型住宅项目，本超限高层建筑是该工程住宅群其中一栋，地上部分共31 层，结构高度为93.95 m，建筑立面效果及计算模型如图1、图2 所示。

图1 建筑立面效果

图2 计算模型

本工程结构使用年限为50 年，建筑的设防类别为标准设防类（丙类），地区的设防烈度根据《建筑抗震设计规范（2016 年版）》（GB 50011—2010）（以下简称《抗规》）取Ⅷ度（0.3g），地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类。场地特征周期取0.45 s；基本风压值为0.75 kN/m2，地面粗糙度类别为B 类。

2 结构地基基础设计

根据地勘、结构方案体系及现场施工条件等资料，本工程基础采用高强混凝土预应力管桩，桩端持力层为第⑤层粉砂或第⑥层粉质黏土，桩极限端阻力标准值为4500 kPa，桩侧土为粉砂层及粉质黏土层。桩径选用500 mm，单桩竖向承载力特征值为2000 kN。

抗浮措施：为满足地下室整体抗浮要求，地下室部分桩基础采用抗拔桩，单桩抗拔承载力特征值为500 kN。

严重液化土层说明：本场地存在严重液化土层，为第③层粉砂层，根据《抗规》要求，宜全部消除液化沉陷。本工程采用高强混凝土预应力管桩，桩端持力层为第⑤层粉砂或第⑥层粉质黏土，均为非液化土层；工程桩有效桩长大于25 m，桩端入非液化土层深度大于15 m，可全部消除地基液化沉陷。

3 上部主体结构设计

3.1 结构方案体系

本文分析的工程设计选用剪力墙结构作为结构体系，剪力墙厚度200 mm～500 mm，标准层梁截面主要为200 mm×500 mm 和200 mm×400 mm，地下室顶板为嵌固端，地下室顶板板厚为h=250 mm，标准层板厚为h=100 mm，屋面层板厚为h=120 mm，混凝土强度等级为C30～C60。

3.2 嵌固层的设置

本超限高层地下室顶板没有存在大开洞的情况，设计时，此层楼面作为嵌固端，采用现浇梁板楼盖结构，首层楼板厚为250 mm，采用双层双向配筋，且每层每个方向的配筋率大于0.25%；地下一层与首层等效剪切刚度比均大于2，如表1 所示。

表1 地下一层与首层等效剪切刚度比

3.3 结构超限情况及性能目标

3.3.1 结构超限情况

针对该超限高层建筑进行多遇地震下的弹性分析，根据多遇地震的分析成果对结构的超限情况判断如下[1]。

（1）高度超限。本工程结构高度超过《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）[2]规定的最大适用高度，属于B 级高度。

（2）扭转不规则。X 向位移比为1.31，大于1.20，属于扭转不规则。

（3）凹凸不规则。本工程长宽与宽度之比为0.56，大于0.3，属于凹凸不规则。

3.3.2 性能目标

根据《抗规》要求[3]，建筑物的结构应将“三个水准”的目标作为抗震的设防标准，即“小震不坏、中震可修、大震不倒”。建筑物抗震的设防标准要求如表2所示。

表2 建筑物抗震的设防标准要求

根据本高层建筑超限的实际情况，结构抗震性能化设计按性能目标D，核算方法根据《高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ 3—2010）》中3.11 条所列各水准的验算公式核算。选取的抗震性能标准如下。

在众值烈度作用下满足第1 抗震性能水准的要求，在基本烈度作用下满足第4 抗震性能水准的要求，在最大预估烈度作用下满足第5 抗震性能水准的条件。不同抗震性能标准的结构构件承载力设计要求如表3 所示。其中，本次讨论工程的关键构件定为底部加强区部分剪力墙。

表3 不同抗震性能标准的结构构件承载力设计要求

综上所述，本工程为一般不规则结构，属于高度超限的高层建筑，采用YJK 软件分析本工程在罕遇地震作用下的静力弹塑性，结果显示，各种指标都显示良好，大体上满足规范性能目标D 的相关条件。

4 静力弹塑性分析

静力弹塑性分析采用EPDA&PUSH 软件。经过对建筑物结构的弹塑性推覆剖释，认识到在大震作用下，建筑物的结构构件进入塑性阶段的水平以及结构的全局抗震性能，从而找到结构的关键薄弱环节，同时采取一定的加强办法[4]。静力弹塑性剖释核算结果如表4 所示，在罕遇地震作用下，X 向和Y 向层间弹塑性位移角分别为1/123 和1/151，均满足规范限值的规定。X 向的性能点曲线如图3 所示，Y 向的性能点曲线如图4 所示。

表4 静力弹塑性剖释核算结果

由图3 中X 向性能点曲线可知：在达到性能点时，总加载步号为166.2 步，性能点基底剪力为37 085 kN，性能点顶点位移为581.9 mm，性能点对应的最大层间位移角为1/123（＜1/100），满足大震作用下规范规定的变形要求。

图3 X 向性能点曲线

由图4 中Y 向性能点曲线可知：在达到性能点时，总加载步号为124.7 步，性能点基底剪力为37 779 kN，性能点顶点位移为525.9 mm，性能点对应的最大层间位移角为1/151（＜1/100），满足大震作用下规范规定的变形要求。

图4 Y 向性能点曲线

5 设计和抗震措施

为保证超限结构安全，可采取以下3 种加强措施。

（1）对于剪力墙，本工程属剪力墙结构，其底部加强区满足“中震抗弯部分屈服、抗剪不屈服”的要求，因此，在设计时，应提高一级抗震等级要求，即特一级抗震等级要求，并参考设防烈度地震下计算结果配置剪力墙竖向钢筋和型钢，通过提高约束边缘构件的配筋率（大于1.4%）、竖向分布筋配筋率（大于0.4%）等措施提高底部加强区的剪力墙延性和承载能力。

（2）对于标准层平面凹凸不规则形成的楼板拐角区域等造成的楼板薄弱位置，可依据弹性楼板剖释结论加强构件配筋，同时对楼板的抗剪截面进行验算，确保楼板平面剪力的传递。

（3）扭转不规则主要出现在塔楼的角部，设计时可采用减低角部部位上竖向构件的轴压比、提升配箍率和配筋率等办法，提高建筑物构件的延性，规避脆性损坏。

6 结语

本工程为一般不规则高度超限结构，抗震性能化目标为D。本文选用YJK 等几种核算软件对结构实行了核算剖释，除了可确保结构在多遇地震下全部处于弹性状态外，同时增加了关键部位的构件在设防地震和罕遇地震下的核算。结果显示，各种目标都显示良好，大体上满足规范性能的相关条件。而且对关键性构件采用了加强措施，保证在地震作用下结构的延性并满足了抗震性能目标。综上可知，本工程结构是可行且安全的[5]。