南山宝湾大厦超限结构抗震性能分析

侯 刚 曹 波 杨秋伟,2,3 冯晓东 张 梁

(1.绍兴文理学院 土木工程学院，浙江 绍兴 312000；2.宁波工程学院 建筑与交通工程学院，浙江 宁波 315211；3.浙江省土木工程工业化建造工程技术研究中心，浙江 宁波 315211；4.苏州设计股份有限公司 无锡分公司，江苏 无锡 214070)

0 引言

随着时代的快速发展，各式各样的现代超高层建筑出现在人们的眼前.建筑师为了满足业主的要求，对建筑进行各方面的改造和创新，设计了很多冲击人们视觉美感的建筑，如大跨度结构、多功能结构以及体型不规则且内部空间复杂的超高层建筑结构[1].由于这些建筑结构一般都是超高或是不规则的，因此在对结构进行抗震性能设计时，结构所具有的复杂性和特殊性都会引起大家关注[2].当采用框剪结构体系，在超B级超限高度情况下，楼层有较大面积的开洞且超过规范要求限制时，对结构的抗震性能是有很大影响的[3-5].需要对结构的水平荷载、轴向变形、结构侧移以及结构延性等特点在地震效应作用下进行校核检验，并对整体结构体系进行优化，使其具有良好的结构性能[5].

针对超限层建筑结构设计出现水平荷载分布不均匀、轴向变形以及结构构件的承载力和抗侧力达不到预期标准等问题.本文通过对南山宝湾大厦的结构设计研究，利用软件对结构进行整体计算分析比较，验证了结构在多遇地震下的各项性能指标以及在罕遇地震作用下的抗震性能设防目标都能够满足规范要求.

1 工程实例

工程选用南山宝湾大厦，由一栋塔楼组成，无裙房，地上35层，采用的是框架-剪力墙结构体系，主屋面高度为156.90 m，属于超B级超限高层建筑，楼层有较大面积开洞.塔楼以4.2 m层高办公空间为主，底层为10.5 m的大堂层，结构采用的安全等级为二级，50年的设计基准期，丙类的抗震设防类别[6].根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)[7](以下简称抗规)和《高层建筑混凝土结构设计规程》(JGJ 3—2010)[8](以下简称高规)，该工程的抗震设防为7度，0.10 g的基本地震加速度值，Ⅱ类的场地类别以及0.35 s的特征周期，结构超限情况为高度超限和平面不规则，计算三维模型见图1，标准层结构图见图2所示.

图1 三维模型图

图2 标准层结构图

根据塔楼的超限情况，依照《抗规》要求，设定C级是结构抗震性能目标，并确定构件在不同程度损害的承载力要求.根据结构特点及超限情况，结构构件抗震性能目标如表1所示.

表1 构件抗震性能目标

2 静力弹性计算分析

2.1 整体计算分析

该结构在双向地震和偶然偏心下，利用YJK软件依照CQC法进行整体分析计算.表2为整体分析计算结果.由计算分析结果可知，两个软件所分析的结构质量和周期比非常接近，说明对于该模型的分析结果具有一定的准确性.

表2 整体分析计算结果

从表2中的结构自振周期数据可以看出，该工程项目结构具有良好的抗扭转能力.根据《高规》3.4.5条，结构在偶然偏心影响下，X、Y向的最大层间位移和平均层间位移比都在规范要求的1.4以内.根据《高规》5.4.4条、《抗规》5.2.5条以及《高规》3.7.3条可知，该结构的钢重比和楼层最小剪切比也都满足规范要求.

2.2 弹性时程分析

根据《安评报告》[9]提供的5条天然波XZ1-1.632波、XZ2-1.632波、XZ2-2.632波、XZ3-1.632波、XZ3-2.632波和2条人工波DZ1.632波、DZ2.632波，在多遇地震下的用YJK软件对结构进行弹性分析.计算分析时，将采用的7条地震波的地震影响系数调整为35 cm/s2[10]，地震波均采用单向输入，设定波的阻尼比ξ为0.05，持续时间为40 s，时间间距为0.02 s.其中7条波反应谱曲线与规范反应谱所用的地震影响系数曲线对比图如图3所示.

图3 多遇地震时程分析波谱曲线与反应谱曲线

从图3可以看出，该结构所选的7条地震波的影响系数曲线和规范普所示的地震影响系数曲线基本一致.表3列出了各条波以及平均值与CQC法的基底剪力比较结果，根据表3所示我们可以得出，各条波计算所得基底总剪力，都超过CQC法基底总剪力的65%，同时7条波得基底剪力平均值也都超过CQC法基底剪力的80%.由计算结果可以表明各条波的选取合理，可以用于时程分析.

表3 剪力计算结果

楼层剪力图、楼层弯矩图以及最大层间位移角曲线图如图4、图5、图6所示.由图4可知，每条波的各层剪力曲线都不相同，但每条波的层剪力平均值曲线与CQC法所计算出的层剪力曲线基本一致[11].根据规范要求，结构中的剪力值选取两者中较大的一个值进行设计.由图5可知，每条波的最大楼层弯矩曲线走势基本一致，平均值曲线和CQC法所得曲线也比较相似.根据规范要求，结构中的弯矩值取两者较大值进行设计.从图6可知，每条波所得层间位移角曲线也都小于CQC法的层间位移角曲线.

(a)X向

(a)X向

(a)X向

由上述分析得，起主要控制作用的是CQC法分析得出的结果，对上部楼层设计时要注意到时程曲线所计算出两者剪力的较大值.弹性时程计算结果显示，在多遇地震作用下，整体结构及构件都满足规范要求，结构能够达到C级抗震性能水准[11].

3 罕遇地震作用下的动力弹塑性分析

根据《高规》规定超B级高度以及混合且复杂的超高层建筑结构还应补充动力弹塑性分析.该结构的超限情况属于超B级高度超限且楼层还有大面积开洞的平面不规则，所以补充动力弹塑性分析是非常有必要的.该工程采用perform-3D软件对整体结构进行动力弹塑性分析，根据分析结果来判定结构是否能够满足罕遇地震下的抗震性能目标.

3.1 材料本构

该工程假定钢筋为理想弹塑性材料，本构关系采用三折线模型，见图7.不管是否屈服，卸载后在重新加载都能恢复弹性状态.混凝土的本构关系采用多折线模型，根据混凝土结构设计规范(GB 50011—2002)附录C的公式确定相关参数[12]，混凝土设计考虑受压不考虑受拉其本构图如图8所示.

图7 钢筋本构模型

图8 混凝土本构模型

3.2 地震波输入

该工程选取了三组五条地震波，分别为人工模拟波DZ1.02、天然波DZ2-1.02(天然波DZ2-2.02)、天然波DZ3-1.02(天然波DZ3-2.02)对结构进行动力弹塑性计算分析.每条地震波的主要参数见表4所示.对于人工模拟的地震波，采用单向输入，分别计算X向和Y向单方向地震作用，对于天然波则采用主、次方向双向单点输入.

表4 地震波的主要参数

3.3 分析结果对比

分别采用Perform-3D和YJK软件对结构进行分析，结果如表5所示.从表5可以看出两个软件分析出的模型质量非常接近，周期差也在5%以内，周期比小于0.85，满足规范要求.

表5 结构自振特性

3.3.1 层间位移角分析

表6为各地震波的最大层间位移角及所在楼层，图9为典型地震波作用下各楼层最大层间位移角.由表6可见，结构在罕遇地震作用下X、Y向的最大弹塑性层间位移角分别为1/250，1/181，都小于规范中弹塑性层间位移角限值1/100，满足规范要求.

表6 动力弹塑性分析结果

图9 层间位移角

3.3.2 结构构件抗震性能评估

选取一条在X方向地震响应比较大的波，对此进行性能评估.在Perform-3D中，可以通过Min.Radio值来判断构件进入塑性的程度，如图10所示，其中数值为1时损伤程度最高，已经超过了预定目标.Min.Radios数值从0.8～0.4时损伤程度逐渐降低，且均不超过预定的损伤程度[13].当结构在某个状态下，随着颜色逐渐变化，其结构的塑性程度也在发生变化，当数值达到1时，结构开始进行下一状态.

图10 塑性程度颜色图例

图11(a)表示楼层框架和连梁性能处在IO状态下，从图11(a)中我们可以看出楼层框架仍处于弹性状态下，但一些框架梁有较小的变形，表明进入塑性状态下，大部分梁还是处于弹性状态即处于正常运行状态.图11(b)是楼层框架和连梁性能处在LS状态下，在这个阶段我们可以看出，由于地震的作用，楼层的框架梁和连梁大部分都进入了塑性阶段，但楼层的上部和下部的变形都比较小.其中框架梁和连梁基本处于LS阶段，即生命安全阶段.

(a)IO性能

4 研究结果对比分析

郭明等[14]在《深圳塘朗F地块T6超限高层结构设计与分析》中，使用YJK软件，采用CQC法进行抗震计算.得出结构的最大层间位移角小于规范要求且结构X、Y向的钢重比也都大于《高规》规定要求，最大层间位移与平均层间位移比都在规范要求的1.4以内，符合本文的计算分析结果.另外，在多遇地震作用下结构的弹性时程分析得出的结论同样满足规范要求与本文利用YJK软件对结构进行弹性时程分析得出的结论基本一致.

黄桥平[15]在《合肥某超限建筑结构设计》中，利用Perform-3D软件对塔楼进行了罕遇地震下的弹塑性时程分析，得出了在罕遇地震作用下，结构在X、Y向的最大层间位移角都小于规范1/100限值要求，与本文对结构进行动力弹塑性所分析的结果基本一致.

5 结论

该工程项目通过YJK和Perform-3D软件对结构进行弹性时程分析和动力弹塑性分析得出以下结论：

(1)依据YJK和SATWE两种软件的对比分析结果，结构构件在多遇地震作用下仍然完全处于弹性阶段，满足规范要求.

(2)通过对结构的弹塑性时程分析，结构中的关键构件能够在罕遇地震下达到规范要求，同时也能满足抗震性能目标设定的C级要求.

(3)在罕遇地震下，结构的局部屈服但仍处于安全状态且层间位移角都在规范要求内，能够满足“大震不倒”的设防性能要求.

(4)结构的各项构性能指标都能够满足规范要求，可以认为该工程项目的结构设计是安全可靠的.