某C形高层建筑的抗震设计分析

2024-05-15安徽省城建设计研究总院股份有限公司安徽合肥230051

安徽建筑 2024年4期

汪瑞（安徽省城建设计研究总院股份有限公司，安徽合肥 230051）

0 引言

钢筋混凝土结构的抗震设计，首先需要对建筑结构方案进行把控，注重抗震概念设计，只有建筑物具有合理的抗震性能并满足“三个水准”抗震设防目标，才能在地震灾害发生时不被损毁。对于特别不规则的建筑，应采取更有效的加强措施或对薄弱部位采用相应的抗震性能化设计方法[1]，采用“两阶段设计”实现“三个水准”设防目标，确保其安全性。

1 高层建筑混凝土结构抗震设计原则

1.1 合理的建筑结构平面布置方案

对于高层建筑的抗震设计，建筑结构平面布置方案的合理性尤为重要，由于地震作用发生的随机性和不确定性，地震作用效应很难准确预估。大量的震害调查研究表明，平面布置规则对称、刚度分布均匀、传力路径明确的结构具有良好的抗震性能，不会轻易损坏；而平面布置复杂不规则、存在明显薄弱部位的结构破坏程度一般都较为严重，主要是因为对于简单对称规则的结构在采取相应抗震构造措施和处理时较为容易。因此，确定合理的建筑结构体系和布局尤为重要，也是抗震概念设计的关键内容。高层建筑抗震设计时，应尽量采用规则对称结构布置方案，避免具有较多不规则项或明显薄弱部位的结构布置。

1.2 多道抗震防线

单一结构体系只有一道抗震防线，地震发生时一旦破坏就会造成建筑物倒塌。如果建筑物具有多道抗震防线，采用多重抗侧力体系，第一道防线的抗侧力构件在地震作用下遭到破坏后，建筑物不会倒塌，其余防线的抗侧力构件立即接替，承担后续的地震作用，确保建筑物仍然具有一定的安全度。当建筑物基本周期与地震动周期相同或接近时，多道防线就更显示出其优越性。当共振发生时，第一道抗侧力防线破坏，第二道防线进入工作状态，建筑物自振周期发生变化，与地震动周期有较大差异，共振现象消除，避免建筑物发生二次严重破坏[2]。因此，对于高层建筑的抗震设计，其结构体系应有明确的计算简图及合理的传力路径，注重加强薄弱部位的抗震能力，设置多道抗震防线，使建筑物具有更大的安全冗余度。

1.3 三水准设防、两阶段设计

《建筑抗震设计规范（2016 版）》（GB 50011-2010）对于建筑抗震设防的基本思想和原则为“三个水准”抗震设防目标，采用“三水准、两阶段”的设计方法。抗震设防的三个水准目标即“小震不坏、中震可修、大震不倒”，采用“两阶段设计”实现“三个水准”设防目标，第一阶段是采用“小震”的地震动参数计算弹性地震作用标准值和对应的地震作用效应，并进行结构构件的截面承载力抗震验算，满足了“小震不坏，中震可修”的目标。对于绝大多数结构，可只进行第一阶段设计，通过概念设计及抗震构造措施实现“大震不倒”的要求。第二阶段是对地震时易倒塌的结构、抗震性能差的结构（如单跨框架）、特别不规则结构（有明显薄弱部位）进行弹塑性变形验算并采取相应的构造措施，实现“大震不倒”的目标。

2 结构抗震设计优化对策

2.1 优化场地选址

地震震害的形成原因可以分为地震动作用直接引起结构破坏和不合理的场地选址两种。地震灾害调查分析研究表明，地表错动、边坡失稳、滑坡、泥石流、软土震陷及地基土液化等都是造成建筑物破坏的主要原因。按目前的科技发展水平，很难做到经济有效地防御地震，避让是唯一有效的办法，也就将建筑物建设场地选在地质条件稳定和安全的地带。一般地，距离发震断裂带越远，次生地质灾害发生的可能性就越小。因此，在抗震设防区应遵循“选择有利地段、避开不利地段、严禁选择危险地段”的原则进行建筑物选址。

2.2 合理选择结构体系

高层建筑抗震设计时，应进行多种结构体系的比选，选用最为可靠的抗侧力结构体系，首选具有多道抗震防线的结构型式，如框架-剪力墙结构、框架-核心筒、筒中筒结构等。地震发生时，地震动对建筑物的破坏很大，且一般情况下会发生多次余震，给建筑物带来累积性破坏。对于单一结构体系，地震极易造成建筑物直接倒塌，威胁人民的生命和财产安全；而采用框架-剪力墙结构、筒体结构的建筑物在地震发生有多道防线来抵御地震作用，有效地延缓甚至阻止建筑物的倒塌，减小了人民群众人身伤害及财产损失。因此，在高层建筑混凝土结构抗震设计时，合理的结构赘余度及采用多重抗侧力体系是非常必要的。

2.3 结构方案优化

建筑与结构相互依存、密不可分，建筑创作需要结构创新作为技术支撑，很多著名的建筑作品往往是二者完美结合的成果。抗震设计与结构技术联系密切，性能化设计、消能减震、隔震技术等都具有较为成熟的研究成果和大量的工程实践，可以合理地应用到结构抗震设计中，既能满足建筑的功能要求、实现立面效果，又能满足结构的抗震设防目标，形成最优的结构方案。寻求更加合理有效的抗震新技术，并将这些技术应用到实际工程项目中，以实现安全适用、技术先进、经济合理、方便施工的目标，不应把结构方案局限于常用的结构体系中，要尽可能多地考虑不同的结构体系，并进行对比，选出最优的结构方案。因此，结构方案的优化及确定在结构设计中尤为重要。

2.4 严控扭转效应

《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3-2010）[3]对于扭转效应的控制主要概括为对位移比、周期比两个宏观指标的控制。

当位移比达到不规则判别的界限值时，整个结构的竖向受力体系和水平受力体系受力都非常不均匀。震害调查研究表明，处于薄弱的边缘部位且受力变形较大的竖向构件扭转效应明显，随着地震作用效应累积，较快进入受损状态，造成局部倒塌甚至结构的整体破坏。

周期比是判断结构扭转效应的另一项重要指标，当扭转振型为结构第一振型时，表明扭转振动成为主振型，结构抗扭刚度小，对结构抗震非常不利。若计算结果表明结构的抗扭刚度较弱，需要调整优化结构布置。抗侧力构件宜对称、均匀布置，使结构的刚度中心与质量中心尽量重合；加大外围构件的抗侧刚度；设置防震缝解决了地震作用下的扭转问题，可以把体型复杂的建筑划分为若干较为简单的抗震分析模型，方便分别计算地震作用并采取相应的抗震措施。

3 实例分析

3.1 工程概况

某老年医学康复中心工程（南地块）位于安徽路以东、锦绣大道以南，8#楼位于地块东南角，地下2 层（地下一层设夹层），地上11 层的介助介护养护单元，主体结构高度44.95m，塔楼呈C 形，在适当位置设有一道200 宽防震缝，划分为两个L 形的结构单元，其中上部结构单元凸角尺寸较小，小于相应边长的30%。下部L 形结构单元水平肢长37.4m，宽17.0m；垂直肢长49.0m，宽16.9m。8#介助介护养护单元地上建筑面积为24448.67m2,地下建筑面积为5513.24m2，整体YJK 结构模型见图1，标准层结构平面布置图见图2。

图1 整体YJK结构模型

图2 标准层结构平面布置图

3.2 上部结构

标准层典型楼板厚度为120mm，屋面板厚度为120mm，内部主梁截面尺寸为350mm×600mm，外框架主梁截面尺寸为400mm×850mm；次梁截面尺寸为250mm×550mm、200mm×500mm。塔楼地下室负二层顶板厚度350mm(人防顶板)，负一层顶板及夹层顶板厚度180mm，地下室负二层顶板采用大板结构，主梁截面尺寸为600mm×900mm，地下室负一层顶板及夹层顶板采用的主梁截面尺寸为350mm×800mm，次梁截面尺寸为300mm×600mm，典型柱网为8.0m×8.0m；框架柱截面尺寸为800×800mm～1000×1300mm，剪力墙厚度为200～400mm。

3.3 基本参数

合肥地区基本风压取50 年一遇的风压值0.35kN／m2(舒适度计算取0.25kN／m2)，地面粗糙度为B类。抗震设防烈度为7 度，基本地震加速度为0.10g，设计地震分组为第一组，抗震设防类别为乙类，根据安徽省及合肥市防震减灾条例，计算采用的基本地震加速度提高一档至0.15g，场地类别为Ⅱ类，特征周期为0.35s。抗震设计等级：上部结构单元为框架结构，框架抗震等级为一级，下部结构单元为框架-剪力墙结构，剪力墙为一级，框架为二级。墙、柱混凝土强度等级为C30～C55，梁、板混凝土强度等级为C30～C35，地下室底板、外墙混凝土强度等级为C35（抗渗等级P8）。

3.4 上部结构嵌固端选取

根据高规第12.2.1 条，当地下室顶板作为上部结构嵌固部位时，地下一层与相邻上层的侧向刚度比（剪切刚度）不小于2.0。本项目地下室均采用现浇梁板结构体系，地下室顶板厚度为180mm，地下室部分结构模型已考虑地上结构周边外延不大于20m 的地下室范围。计算结果表明结构在X向、Y向的嵌固剪切刚度比值分别为2.27、3.17，地下一层顶板满足要求。同时，考虑地下室夹层顶板存在的实际嵌固作用，其板厚及配筋均按嵌固端要求设计。

3.5 结构抗震设计

3.5.1 结构不规则情况

本项目设置结构缝后，上部结构单元仅存在扭转不规则项，可按《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3-2010）相关要求进行抗震计算并采取相应的抗震构造措施。本文重点分析下部结构单元的抗震设计，下部结构单元存在扭转不规则、平面凹凸不规则等不规则项，属于一般不规则高层结构，在考虑偶然偏心影响的规定水平地震力作用下，第6 结构标准层的扭转位移比为1.28，X 向风荷载作用下，第8 结构标准层的扭转位移比为1.26，平面凸角尺寸约为相应投影方向总尺寸的55%，远大于《建筑抗震设计规范（2016 版）》（GB 50011-2010）第3.4.3 条30%的限值要求，接近《2010 超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》的实施细则中60%的要求。因此，下部结构单元采用抗震性能化设计方法，性能目标确定为D 级，性能水准为1、3、5，结构各部分性能要求见表1。地震作用的主要计算参数见表2。

表1 主要构件性能目标

表2 地震作用的主要计算参数

3.5.2 采取的结构抗震措施

本项目主体结构高度44.95m，低于《建筑抗震设计规范（2016 版）》（GB 50011-2010）7 度区框架结构的最大适用高度（50m），但由于抗震设防类别为乙类，计算采用的基本地震加速度提高一档至0.15g，计算地震作用较大，且下部结构单元呈L 形，凹凸尺寸远大于规范限值，存在较为突出的扭转不规则，下部结构单元选用具有多道防线的框架-剪力墙结构体系，剪力墙是主要抗侧力构件，为第一道防线，框架为第二道防线。同时，针对部分工况下位移比超限的情况，调整剪力墙布置，使结构的刚心与质心尽量重合，增大结构的抗扭刚度，减少中部剪力墙的刚度，适当加大各楼层外围框架梁的截面尺寸，避免设置转角窗和大开洞。在考虑偶然偏心影响的规定水平地震力作用下，扭转位移比大于1.2，但远小于1.4；扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期比值为0.77，远小于0.90，满足《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3-2010）第3.4.5条要求。

针对结构平面呈C 形，在适当位置设置防震缝，形成两个较为规则的结构单元，针对上部结构单元X 向超长及下部结构单元Y 向超长，分别合理设置伸缩后浇带，减少温度应力对结构的影响。

塔楼固嵌端范围内采用现浇梁板结构，板厚增加至180mm 以利于水平力的传递，同时考虑地下室夹层顶板存在的实际嵌固作用。

3.6 计算分析

3.6.1 YJK与ETABS计算结果对比

对8#楼下部结构单元，采用YJK 和ETABS 两种结构软件进行计算分析，对比结果见表3，结果表明，两种软件的计算结果基本吻合。

表3 YJK和ETABS计算结果对比

3.6.2 弹性动力时程补充分析

下部结构单元采用时程分析法进行多遇地震下的补充计算，按建筑场地类别和设计地震分组，选用2 组实际强震记录和1 组人工模拟的加速度时程曲线，地震波的主向地震加速度峰值约为40cm/s2，次向地震加速度峰值约为34cm/s2，弹性时程分析时，每条地震波计算得到的结构底部剪力均满足规范相关要求，弹性计算结果取时程分析法的包络值和振型分解反应谱法的较大值，在计算总信息中输入“地震作用放大系数”满足包络设计要求。

3.6.3 中震不屈服分析

由于下部结构单元凹凸比例较大，除按规范要求进行设计外，补充中震不屈服分析。底部加强区剪力墙按抗剪弹性、压弯及拉弯不屈服进行设计，普通竖向构件按抗剪不屈服、压弯及拉弯不屈服进行设计。

同时，由于楼板具有传递竖向荷载及水平荷载的作用，在地震作用下将水平力传递、分配给竖向构件并与竖向构件一起协调变形，补充设防地震工况下的楼板应力分析。楼板采用弹性板6 假定，经YJK 软件进行计算分析可知，在设防地震作用下，楼板大部分区域的面内拉、压应力一般为0.1～0.7MPa，小于C30 混凝土的抗拉强度标准值（ftk=2.01MPa），楼梯间以及电梯间周边局部出现应力集中，应加强该区域配筋。