某超限高層住宅抗震設(shè)計(jì)

王艷芳, 劉 鋒, 王 勇

(成都基準(zhǔn)方中建筑設(shè)計(jì)有限公司, 四川成都 610017)

1 工程概況

某超限高層住宅位于成都市錦江區(qū)一環(huán)路以東，東大街以南。場地較為平整，場地內(nèi)無其他保留建筑，周邊道路基本成型。地上建筑功能為住宅，地下室層數(shù)3層，主要為車庫及配套設(shè)施。該超高層住宅建筑為框架-核心筒結(jié)構(gòu)，房屋高度145.05 m，標(biāo)準(zhǔn)層平面圖如圖1所示。該建筑高寬比為5.04，核心筒高寬比為10.6，外筒剪力墻截面由800 mm漸變到350 mm，-1層板面～21 層板面框架柱采用鋼管混凝土疊合柱，其余層為鋼筋混凝土柱；疊合柱截面由1 300 mm×1 300 mm 漸變到1 000 mm×1 000 mm，混凝土強(qiáng)度等級由C60 漸變?yōu)镃40，外筒、柱截面收進(jìn)與混凝土強(qiáng)度等級變化錯(cuò)開布置。

該超限高層住宅的安全等級為二級，抗震等級為一級，設(shè)計(jì)使用年限為50 a，設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類，設(shè)防烈度為7度(0.1g)，設(shè)計(jì)分組為3組，場地類別為Ⅱ類，特征周期為0.45 s，基本風(fēng)壓為0.3 kN/m2，地面粗糙程度為C類。

2 超限程度及抗震性能目標(biāo)

根據(jù)GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]、JGJ 3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(以下簡稱《高規(guī)》)[2]和建質(zhì)[2015]67號《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》[3]有關(guān)規(guī)定，該超限高層住宅超過A 級高度限值130 m，屬超A 級高度的超高層建筑。該結(jié)構(gòu)平面規(guī)則，豎向規(guī)則，僅房屋高度超高。依據(jù)《高規(guī)》確定性能目標(biāo)為D，對應(yīng)的抗震性能設(shè)計(jì)目標(biāo)如表1所示。

3 多遇地震及風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

3.1 計(jì)算模型

多遇地震及風(fēng)荷載作用下采用YJK和ETABS兩種計(jì)算軟件，建模時(shí)考慮的主要因素有:(1)考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)振動(dòng)的影響，計(jì)算時(shí)采用考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)振動(dòng)影響的振型分解反應(yīng)譜法。(2)計(jì)算了雙向水平地震作用下的扭轉(zhuǎn)影響，并考慮單向地震時(shí)偶然偏心的影響。(3) 抗震計(jì)算時(shí)考慮的振型數(shù)使振型參與質(zhì)量不小于總質(zhì)量的90 %。

(a) 標(biāo)準(zhǔn)層建筑平面

(b) 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面圖1 標(biāo)準(zhǔn)層平面布置

表1 抗震性能設(shè)計(jì)目標(biāo)

3.2 多遇地震和風(fēng)荷載作用下計(jì)算結(jié)果對比分析

3.2.1 層間位移角

地震作用下建筑層間位移角變化曲線如圖 2所示，從圖中可以看出地震作用下樓層平均位移曲線平滑無突變，結(jié)構(gòu)豎向剛度變化均勻，有利于抗震。

圖2 層間位移角

3.2.2 抗剪承載力之比

根據(jù)《高規(guī)》第3.5.3 節(jié)要求，B 級高度高層建筑的樓層抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的層間受剪承載力不應(yīng)小于其相鄰上一層受剪承載力的75 %。由圖3 可見，該建筑不存在抗剪薄弱層。

3.2.3 樓層側(cè)向剛度分析

層抗側(cè)剛度比曲線如圖4所示，根據(jù)GB 50011《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》和《高規(guī)》，樓層剛度取為樓層剪力與層間位移角的比值，圖中數(shù)據(jù)為本層側(cè)向剛度與相鄰上層側(cè)向剛度的0.9 倍之比。從圖4可知，樓層抗側(cè)剛度比滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)沒有側(cè)向剛度突變。

圖3 樓層抗剪承載力比曲線

圖4 樓層側(cè)向剛度比曲線

3.2.4 軸壓比

框架柱和剪力墻軸壓比統(tǒng)計(jì)情況如圖5所示，《高規(guī)》第7.2.13 條規(guī)定：筒體的軸壓比限值為0.5。由圖可見，該建筑均滿足要求，為了保證底部的延性，底部大部分筒體軸壓比大部分均小于0.45，個(gè)別大于0.45小于0.5；框架柱軸壓比限值為0.70(極短柱為0.65)，由圖5可知，該建筑底部大部分框架柱軸壓比不超過0.60，且均小于0.65。

(a) 剪力墻軸壓比

(b) 框架柱軸壓比

3.3 多遇地震作用下結(jié)構(gòu)彈性時(shí)程分析

根據(jù)《高規(guī)》第5.1.13條規(guī)定，該建筑為超限高層結(jié)構(gòu)，需要進(jìn)行彈性動(dòng)力時(shí)程補(bǔ)充分析。采用盈建科建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件，選取3條地震波(2條為天然波USER1(TH4TG045)和USER2(Chi-Chi, Taiwan-03_NO_2474)，1條為場地人工擬合波USER3(ArtWave-RH2TG055))，按7度(0.1g)、Ⅱ類場地進(jìn)行多遇地震作用下彈性動(dòng)力時(shí)程分析。

3條地震波影響系數(shù)曲線和規(guī)范所采用的影響系數(shù)曲線在基本周期上的對比結(jié)果如表2?？梢姡M時(shí)程曲線的平均地震影響系數(shù)曲線與規(guī)范振型分解反應(yīng)譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計(jì)意義上相符，滿足規(guī)范要求。

YJK反應(yīng)譜法、彈性時(shí)程分析計(jì)算結(jié)果對比如表3所示，由分析結(jié)果可知：

(1)根據(jù)《高規(guī)》4.3.5條規(guī)定，該建筑所選地震波滿足“彈性時(shí)程分析時(shí)，每條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力在振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的±35 %范圍內(nèi)，多條時(shí)程曲線

表2 基本周期偏差對比

表3 YJK反應(yīng)譜法、彈性時(shí)程分析計(jì)算結(jié)果對比

注：表中百分比為彈性時(shí)程基底剪力與反應(yīng)譜基底剪力之比。

計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值在振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的±20 %范圍內(nèi)”的要求。

(2)在反應(yīng)譜法的層間剪力小于地震波區(qū)域，按照《高規(guī)》第4.3.5-4條：結(jié)構(gòu)地震作用效應(yīng)取時(shí)程法計(jì)算結(jié)果的包絡(luò)值和振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的較大值進(jìn)行設(shè)計(jì)。該建筑絕大部分樓層反應(yīng)譜層剪力大于時(shí)程分析結(jié)果，施工圖設(shè)計(jì)時(shí)取時(shí)程分析法計(jì)算結(jié)果的包絡(luò)值與振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的較大值進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4 罕遇地震下結(jié)構(gòu)等效彈性分析和彈塑性時(shí)程分析

4.1 罕遇地震作用下等效彈性計(jì)算

采用YJK 軟件振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行大震等效彈性計(jì)算，結(jié)合《高規(guī)》中“不同抗震性能水準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)要求”的相關(guān)公式，進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能計(jì)算分析，整體計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 大震不屈服整體參數(shù)計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果表明:

(1)大震不屈服的基底剪力約為小震基底剪力的5.45 倍，剪力墻均能滿足大震作用下抗剪截面要求。

(2)底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻滿足大震下抗剪不屈服。

(3)底部加強(qiáng)區(qū)范圍框架柱的剪壓比均小于規(guī)范限值，受剪截面滿足規(guī)范要求。底部加強(qiáng)區(qū)框架柱體積配箍率計(jì)算值均小于規(guī)范構(gòu)造要求，可滿足大震抗剪不屈服的性能目標(biāo)要求。

(4)非底部加強(qiáng)區(qū)框架柱的最小抗剪截面驗(yàn)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求，達(dá)到預(yù)設(shè)的抗震性能目標(biāo)。

4.2 罕遇地震作用下彈塑性時(shí)程分析

4.2.1 模型建立

采用SAUSAGE進(jìn)行罕遇地震動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析?；炷敛捎脧椝苄該p傷模型，軸心抗壓和軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值、混凝土本構(gòu)關(guān)系曲線按GB 50010-2010(2015版)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄C取值，混凝土的本構(gòu)模型如圖6所示。鋼材及鋼筋均采用帶強(qiáng)化段的雙折線模型，鋼材的極限強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度按GB 50010-2010(2015版)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》取值，鋼材及鋼筋的本構(gòu)模型如圖7所示。梁、柱及斜撐采用Timoshenko梁單元模擬，該單元計(jì)入剪切變形剛度，轉(zhuǎn)角和位移各自獨(dú)立插值。

圖6 混凝土滯回曲線示意

圖7 鋼材及鋼筋雙折線隨動(dòng)硬化模型

計(jì)算模型僅考慮地上結(jié)構(gòu)，SAUSAGE 與YJK兩種軟件計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)前3 階自振周期及對應(yīng)的振型基本相同，說明模型的合理性。

4.2.2 整體計(jì)算結(jié)果

大震彈塑性時(shí)程分析，選取3 條地震波(2 條為天然波USER1(TH4TG045)和USER2(Chi-Chi,Taiwan-03_NO_2474)，1 條為場地人工擬合波USER3(ArtWave-RH2TG055))。

每組地震波作用下結(jié)構(gòu)最大層間位移角如表5所示，X方向的層間位移角最大值為1/293，結(jié)構(gòu)在Y方向的層間位移角最大值為1/252。層間位移角均滿足抗震性能目標(biāo)1/100 的限值要求。

每組地震波作用下結(jié)構(gòu)的基底剪力最大值如表6所示，X方向的最大地基剪力為53 036 kN，結(jié)構(gòu)在Y方向的最大地基剪力為51 655 kN,剪力墻均能滿足大震下抗剪截面要求，底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻水平筋在合理范圍，滿足在大震下抗剪不屈服。

表5 每組地震波對應(yīng)的結(jié)構(gòu)層間位移角最大值

表6 每組地震波對應(yīng)的基底剪力最大值

4.2.3 構(gòu)件抗震性能分析結(jié)果

構(gòu)件的抗震性能分析主要選取地震反應(yīng)最大的地震波ArtWave-RH2TG055 進(jìn)行分析。

4.2.3.1 剪力墻

圖8、圖9 給出了剪力墻受壓損傷分布。從圖中可以看出，由于設(shè)置合理的剪力墻開洞形成連梁，連梁在大震下?lián)p傷耗能效果明顯，從而有效保護(hù)承重墻肢，絕大部分剪力墻肢沒有損傷，只有底部局部剪力墻在角部邊緣構(gòu)件處出現(xiàn)受壓損傷，但損傷因子最大值小于0.5，損傷寬度小于50 %。綜合考慮，絕大部分剪力墻為輕微損壞或無損壞，滿足預(yù)設(shè)的性能目標(biāo)。

圖8 一層剪力墻損傷分布情況

4.2.3.2 框架柱

圖10給出了框架柱混凝土受壓損傷分布。從圖中可以看出，混凝土受壓損傷因子均小于0.1，鋼筋未出現(xiàn)塑性應(yīng)變，為輕微損壞或無損壞，整體結(jié)構(gòu)仍可保證抗震承載力，框架在大震作用下的承載力仍有一定富余，滿足二道抗震防線的要求。

圖9 剪力墻整體損傷

圖10 疊合柱混凝土受壓損傷

4.2.3.3 框架梁及耗能構(gòu)件

圖11給出了框架梁混凝土受壓損傷分布?？梢钥闯?，少部分框架梁混凝土損傷因子達(dá)到0.2～0.3，鋼筋塑性變均小于0.001；大部分框架梁表現(xiàn)為輕微損壞或輕度損壞，少量框架梁出現(xiàn)中度損壞?？紤]到框架梁可進(jìn)行塑性內(nèi)力重分布，整體結(jié)構(gòu)仍可保證抗震承載力。圖9可以看出連梁有較明顯損傷，起到充分耗能的作用。

(a)分層統(tǒng)計(jì)

(b)全樓統(tǒng)計(jì)

5 抗震加強(qiáng)措施

5.1 核心筒的加強(qiáng)措施

核心筒是本結(jié)構(gòu)的主要抗側(cè)力構(gòu)件，因此必須采取措施提高核心筒墻體的強(qiáng)度、剛度及延性，使其抗側(cè)剛度和整體結(jié)構(gòu)延性更好地匹配。該建筑針對核心筒的具體措施有：

(1)控制底部加強(qiáng)部位核心筒外圈剪力墻在重力荷載代表值作用下的軸壓比大部分小于0.45，均小于0.50(規(guī)范限值為0.50)，以保證其延性。

(2)剪力墻豎向和水平分布筋除滿足規(guī)范規(guī)定的配筋率要求外，還滿足以下要求：底部加強(qiáng)部位核心筒外圈剪力墻的水平分布筋按小震彈性、中震彈性、大震不屈服進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)；邊緣構(gòu)件縱筋、豎向分布筋按小震彈性、中震不屈服進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。根據(jù)大震彈塑性計(jì)算結(jié)果對底部加強(qiáng)部位外筒剪力墻的水平分布筋配筋率進(jìn)行加強(qiáng)：1層、2層板面水平分布筋配筋率提高至0.6 %。

(3)核心筒角部墻體按照柱子配筋，并且墻體厚度通高保持一致。

(4)核心筒角部開洞處的連梁按照小震作用下連梁剛度不折減進(jìn)行計(jì)算。

5.2 外框架的加強(qiáng)措施

作為二道防線的外框架應(yīng)保證具有一定的承載能力和延性，針對框架柱的具體措施有：

(1)控制疊合柱在考慮地震作用組合軸壓力作用下的軸壓比大部分不超過0.6；混凝土柱軸壓比大部分不超過0.7。

(2)框架承擔(dān)的總剪力依據(jù)0.2V0和1.5Vfmax的較小值進(jìn)行調(diào)整，依據(jù)調(diào)整后的框架柱剪力進(jìn)行施工圖設(shè)計(jì)。

(3)疊合柱與普通混凝土柱過渡段設(shè)置2 層芯柱。

6 結(jié)束語

通過對該超限住宅建筑進(jìn)行多遇地震下的反應(yīng)譜分析、彈性時(shí)程分析，罕遇地震下的等效彈性分析、彈塑性時(shí)程分析，對結(jié)構(gòu)的整體性能和構(gòu)件性能做了充分的評估，設(shè)計(jì)時(shí)采取包絡(luò)設(shè)計(jì)。綜合各種分析結(jié)果，該超限高層建筑能夠滿足性能目標(biāo)D的要求。