温州某超限高层抗震性能化设计

陈培威，张亚莉，王宇轩

(1.浙江大学建筑设计研究院有限公司，浙江 杭州 310000； 2.浙江经贸职业技术学院，浙江 杭州 310000)

0 引言

随着中国国力的日益增长和科技水平的不断进步，建筑设计师对美观的要求凌驾于经济效益之上，越来越多个性新颖、体型复杂的超限建筑层出不穷，本文仅以一超限高层为例探讨超限结构的设计流程和基本方法。

1 工程概况

1.1 基本情况

本项目位于浙江省温州市瓯海区，地上6层，地下1层，层高：-1F：4.8 m；1F～6F：5.4 m。主屋面高度32.4 m。结构体系为钢筋混凝土框架，3F～7F周边设有悬挑长度6 m～10 m不等悬挑钢构架。整体建筑效果如图1所示。

1.2 抗震超限情况和性能设计目标选取

1.2.1 结构概况

结构概况见表1。

表1 结构概况

1.2.2 结构超限项判别

具体内容见表2。

表2 同时具有下列三项及以上不规则的高层建筑工程

1.3 抗震性能化设计目标

根据性能化抗震设计要求，综合评估项目的安全性和经济性，设定结构抗震性能目标整体达到《高层建筑混凝土结构技术规程》[1]中性能C的要求。

2 多遇地震弹性分析

2.1 计算分析软件和模型选取

采用盈建科3.0.0作为主要结构分析软件，SAP2000.V15作为校核，按照设定的性能目标要求，需要对中震作用下竖向构件、转换梁柱以及跃层柱的承载力进行复核，确定其达到设定的性能目标[2]。YJK整体模型如图2所示，SAP2000整体模型如图3所示。

2.2 结构的周期和振型

采用YJK2.0.0和SAP2000.V15进行验算，周期计算结果见表3。

表3 周期计算结果

结论：周期比小于0.9，满足规范要求。

2.3 层间位移角

地震作用下和风荷载作用下最大位移角见表4。

表4 结构位移角

结论：由表4可知，在地震工况和风荷载工况，塔楼的层间位移角均能满足规范框架结构的1/550要求，控制工况为Y方向地震。

2.4 位移比指标

考虑偶然偏心影响的地震作用下，主楼竖向构件最大位移比结果见表5。

表5 最大位移比

结论：X地震工况下，1.2

2.5 楼层侧向刚度比

框架结构的楼层侧向刚度见表6。

表6 楼层侧向刚度

结论：根据高规3.5.2-1 条，楼层的侧向刚度比满足规范要求。

2.6 剪重比

结构各层剪重比见表7。

表7 剪重比 %

结论：各层均满足规范要求的最小值0.8%。

2.7 小震弹性时程分析

采用时程分析法时，按建筑场地类别和设计地震分组，在YJK 地震波数据中筛选2 条人工波和5 条天然波。选取的地震波符合《建筑抗震设计规范》(2016版)5.1.2-3条要求。

结果分析：根据计算结果，所选取的时程曲线能满足《建筑抗震设计规范》[3]5.1.2-3的选波要求。时程分析平均值较反应谱法小。时程曲线的结构响应平均值小于反应谱法的计算结果，当取七组时程曲线进行计算时，结构地震作用效应可取时程法计算结构的平均值与振型分解法计算结构的较大值，故采用反应谱法来进行抗震设计是偏于安全的。

2.8 小震分析小结

1)经计算分析，两个方向结构刚度相近，两种计算软件的反应谱分析结果之间具有一致性和规律性，符合工程经验和力学概念，结构设计合理。

2)结构在多遇地震工况下的最大层间位移角发生在Y向地震作用下，结构第2 层，为1/1 925，满足规范限值1/550的要求。

3)结构剪重比、框架柱轴压比均满足规范要求。

4)经过小震时程分析计算，结构动力特性基本相近，采用振型分解反应谱法的计算设计，能够保证结构的设计安全性。

3 中震作用下构件性能化设计

3.1 转换梁柱性能分析

对模型用盈建科3.0.0计算分析软件按性能目标C进行中震弹性计算。转换梁柱考虑竖向地震组合作用，荷载工况为1.2恒+0.6活+0.5竖震。经计算，框架柱中震弹性的配筋结果比小震弹性配筋结果略大。框架梁中震弹性的配筋结果与小震弹性配筋结果相近。所以取中震弹性、小震弹性配筋结果进行包络设计，就能满足结构在中震下弹性的性能要求。

3.2 普通梁柱性能分析

对轴压比较大位置的框架柱、框架梁的配筋结果分析，框架柱中震弹性的计算结果比小震弹性计算结果略大。框架梁中震弹性的计算结果与小震弹性计算结果相近。因此，取中震弹性、小震弹性计算结果进行包络设计，即可满足转换构件在中震作用下抗剪弹性，抗弯不屈服的性能目标[4]。

3.3 中震作用下的楼板分析

结构1层有开洞、2层有错层,4层～6层楼板凹进较大，洞口周边楼板可能承担较大的拉力。为保证结构在地震作用下的整体性，对板凹进周边楼板设定了中震弹性的性能目标。部分楼层板配筋包络计算结果如图4，图5所示。

根据上述结果，1层楼板由于平面极其不规则，且其下有地下室挡墙存在，需整体加厚为160 mm，经计算，采用钢筋10@150，双层双向布置即可满足设计要求，其下存在地下室挡墙的板带，应垂直于挡墙方向再局部加强。2层配筋采用8@150，双层双向布置即可满足设计要求，错层连接处以及悬挑板附近顶筋进行加强。4层～6层配筋采用8@150，双层双向布置即可满足设计要求。洞口角部应加配构造斜筋进行加强。

3.4 中震分析小结

1)转换柱和框架柱中震弹性的分析结果比小震弹性结果稍大。转换梁和框架梁的中震弹性结果与小震弹性计算结果基本接近。所以整体结构可以通过中震和小震配筋包络设计，实现性能化抗震设计目标的要求。

4 结构大震弹塑性分析

4.1 计算分析方法

本工程罕遇地震作用下的弹塑性变形分析采用动力弹塑性分析方法，计算软件使用SAP2000 V15 程序，对整体模型进行分析。框架梁和框架柱采用梁单元模拟，地下连续墙采用壳单元模拟。初始的时变静力荷载作用阶段采用静力分析；在罕遇地震作用阶段采用直接积分法非线性时程分析，时间步长为0.02 s，每隔4 步输出一次计算结果，即输出结果的时间步长为0.08 s，计算中的地震波的持续时间取为20 s，基本涵盖了地震波的有效持续时间，也大于10 倍的结构第一阶自振周期。

4.2 结果分析

1)大震弹性及弹塑性基底剪力计算结果汇总(如表8所示)。

表8 弹塑性及弹性时程分析基底剪力 kN

结论：大震弹塑性基底剪力小于大震弹性的基底剪力，结构在大震下构件有一定程度耗能，进入了塑性。

2)大震弹塑性的最大层间位移角。

大震下结构X向最大层间位移角为1/543。

大震下结构Y向最大层间位移角为1/422。

满足规范不小于1/100 的限值要求。

4.3 大震分析小结

经动力弹塑性分析计算，可以大概定性评判结构在大震作用下的受力性能，大震作用下的结构短板和薄弱环节。在对罕遇地震波进行时程分析后，结构主要抗侧力构件没有严重损伤，只在楼面凹进以及错层的位置框架梁端产生了塑性铰，进行了能量的耗散，局部耗能构件屈服不会引起整体倒塌和危及结构整体安全。在罕遇地震作用下，下部混凝土结构的层间位移角远小于规范限值，满足大震塑性变形的要求。总体而言，大震下结构性能满足“大震不倒”的要求[5-6]。

5 结论及抗震措施

计算结果表明，本结构X，Y向结构刚度相近，竖向布置规则，平面不规则。通过两种计算软件的反应谱计算结果分析，结果具有大体一致性和普遍规律性，符合工程力学概念所做出的判断。层间位移角、侧向刚度、剪重比和轴压比均满足规范设计要求。由于存在平面开洞、错层、跃层、凹进等平面不规则状况，扭转位移比超限属于超限结构。针对超限采取的抗震措施如下：

1)整体结构采用构件抗震性能目标化设计，转换柱和框架柱，转换梁和框架梁满足保证中震弹性设计。

2)通过中震和小震配筋包络设计，实现性能化抗震设计目标的要求。开洞、凹进以及错层楼板在中震作用下进行应力复核，满足中震作用下，楼板钢筋受拉不屈服，并根据计算结果配置楼板轴向抗拉钢筋。

3)经过大震分析表明，结构在大震作用下满足构件抗震性能目标化的设计要求。

4)通过屈曲分析可知，跃层柱的计算长度小于规范的计算长度，有足够的安全储备。结构的框架柱计算均可按规范取值。

综上所述，通过采取以上措施可确保结构满足所设定性能目标要求。