超限高层混凝土大悬挑结构抗震性能分析

蒋守杰

(中国建筑第二工程局有限公司 华东公司，上海 200000)

随着社会的不断进步与发展，大空间房屋结构被广泛应用，目前大跨度空间结构成为房屋建筑最主要的结构形式之一，这种结构形式建筑具有楼层较高、悬挑结构较大等特点，目前超限高层混凝土大悬挑结构主要应用于体系场馆、核电站等建设项目中，多数为比较重要的公共设施，因此对超限高层混凝土大悬挑结构的稳定性与安全性要求更高[1]。但是超限高层混凝土大悬挑结构受力复杂，因此对其抗震性能分析具有较高的难度，虽然近几年超限高层混凝土大悬挑结构安全性受是各国工程界和学术界十分关心的问题，相关学者与专家针对结构抗震性能开展了一系列研究，取得了一些研究成果，但是现行分析方法在实际应用中效果并不理想，分析结果与实际情况存在较大的差距，分析误差比较大，现行方法已经无法满足实际需求，为此提出本课题研究[2]。

1 结构弹性时程特征提取

弹塑性是超限高层混凝土大悬挑结构抗震性能分析重要指标，其主要表现为混凝土大悬挑结构弹性时程特征，即在地震过程中混凝土大悬挑结构位移和变形情况，此次采用弹塑性分析方法提取到超限高层混凝土大悬挑结构弹性时程特征[3]。在有限元分析软件中建立超限高层混凝土大悬挑结构有限元模型，根据实际情况确定模型中节点数量和梁单元、壳单元数量，利用模型模拟出大悬挑结构在地震波作用下结构弹性时程特征。为了保证大悬挑结构弹塑性分析准确性，需要对地震动参数合理选取[4]。大悬挑结构弹性时程特征主要包括变形和位移两种，因此时程特征分析的地震波输入分为包含水平向加竖向地震波两种工况，将大悬挑结构水平方向平动振型作为第一振型，将垂直方向作为第二振型[5]。选择El-Centro 波、Pasadena 波以及Kobe 波作为输入地震波曲线，由于这3 种地震波并不能反映出建筑结构所在地真实地震情况，故对其进行调整，其调整公式如下所示。

式中η（t)——调整后的地震波加速度曲线；

Amax——调整后的地震波加速度最大值；

η0(t)——原始地震记录的地震波加速度曲线[6]。

将调整后的地震波曲线和最大值输入到模型中，对混凝土大悬挑结构模型加载，得到大悬挑结构水平和竖向地震作用效应值，其计算公式为

式中SE——大悬挑结构水平或竖向地震作用效应值；

j——表示大悬挑结构平动振型；

P——大悬挑结构平动振型对应的耦联系数；

SEJ——大悬挑结构水平方向平动振型；

Sui——大悬挑结构垂直方向平动振型；

Sj——大悬挑结构水平方向平动振型的阻尼比；

Sk——大悬挑结构垂直方向平动振型的阻尼比；

λ——两种振型的自振周期比[7]。

通过以上计算得到的大悬挑结构水平和竖向地震作用效应值，即可得到结构弹性时程特征，从而反映出结构弹塑性能，效应值越大，则表示结构弹塑性越强。

2 结构抗震性能评价分析

根据提取到的混凝土大悬挑结构弹性时程特征，采用线性回归分析方法对大悬挑结构抗震性能进行综合分析，其用公式表示为

式中κ——混凝土大悬挑结构抗震指数；

δ、ξ——回归系数；

SE,n——大悬挑结构水平地震作用效应值；

SE,m——大悬挑结构竖向地震作用效应值。

通过上述计算得到大悬挑结构抗震指数，指数值在0～1 区间，结构抗震指数越大，则表示大悬挑结构抗震性能越好，根据分析需求，此次设计非常好、比较好、一般、比较差、非常差5 个等级，根据计算到的抗震指数值确定抗震性能等级。如果结构抗震指数值在0～0.2 之间，则表示大悬挑结构抗震性能非常差；如果结构抗震指数值在0.2～0.4 之间，则表示大悬挑结构抗震性能比较差；如果结构抗震指数值在0.4～0.6 之间，则表示大悬挑结构抗震性能一般；如果结构抗震指数值在0.6～0.8 之间，则表示大悬挑结构抗震性能比较好；如果结构抗震指数值在0.8～1 之间，则表示大悬挑结构抗震性能非常好。根据以上评估规则确定大悬挑抗震性能等级，以此完成大悬挑结构抗震性能分析。

3 实验论证

3.1 实验准备与设计

完成上述方法设计后，以下设计一组对比实验，选择目前最为常用的两种方法作为对照对象，为了方便后续实验陈述，以下将两种方法分别用传统方法X、Y 表述。以某超限高层建筑工程为实验环境，该建筑高度为32.54m，平面尺寸为75m×13.45m，主体结构采用钢筋混凝土结构，图1 为结构顶层平面图。

图1 建筑结构顶层平面示意图

该建筑混凝土大悬挑高度为11.35m，悬挑部分楼板厚度为110mm，采用的钢筋种类为热轧钢筋，为典型的超限高层混凝土大悬挑结构建筑，利用本文设计方法对其抗震性能进行分析。根据该建筑实际情况，建立有限元模型，模型参数设定如下所示。

悬挑结构恒荷载（kN/m2) 1.85

悬挑结构活载（kN/m2) 3.41

悬挑梁线荷载（kN/m2) 65.42

热轧钢筋弹性模量 2.15×105

钢筋抗拉标准值（MPa）335

钢筋抗压设计值（MPa）270

El-Centro 波加速度（cm/s2) 100

Pasadena 波加速度（cm/s2) 100

Kobe 波加速度（cm/s2) 100

建立弹塑性分析有限元模型，对大悬挑结构弹塑性分析，分析结果如图2 所示。

图2 楼层位移

根据结构位移情况确定大悬挑结构弹塑性，进而分析结构抗震性能，以下对具体的分析效果进行评定。

3.2 实验结果与讨论

为了检验混凝土大悬挑结构抗震性能分析精度，选择误差作为评价指标，实验随机选取7 个大悬挑结构分析结果，将其与实际结构抗震系数对比，测算出分析误差，使用电子表格对实验数据记录，具体数据如表1 所示。

表1 3种方法分析误差对比（%）

从上表中数据可以看出，3 种方法在分析误差方面表现出明显的差异，设计方法最大误差仅为0.09%，数值较小，基本可以忽略不计，说明设计方法分析结果基本与实际情况一致。与设计方法相比传统方法X 分析误差比其低6.26%，传统方法Y 分析误差比其低8.12%，因此证明在分析精度方面设计方法优于两种传统方法，相比较两种传统方法更适用于超限高层混凝土大悬挑结构抗震性能分析。

4 结语

此次结合弹塑性分析方法优势，将其应用到超限高层混凝土大悬挑结构抗震性能分析中，提出了一种新的分析思路，有效提高了分析精度，为实际超限高层建筑工程中混凝土大悬挑结构抗震性能分析提供了理论支撑，同时也为该方面研究提供了参考依据，具有良好的现实意义。本文研究方法目前尚处于初步探索阶段，尚未在实际中得打大量的实践与应用，在某些方面或许存在不足，今后会在方法优化设计方法展开深层次探究，促进建筑行业又好又快发展。