王雪艷 傅傳國(guó)

摘要：為研究超高層、超大空間建筑的抗震性能，以超高層立式交聯(lián)電纜的高壓立塔為研究對(duì)象，以基底剪力、最大層間位移角和最大位移為分析參數(shù)，采用剪力墻結(jié)構(gòu)體系對(duì)塔樓結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。利用midas?Building軟件進(jìn)行不同地震作用下的抗震性能分析，研究結(jié)果表明：罕遇地震作用下塔樓的基底剪力約為多遇地震作用下基底剪力的3.34～3.95倍;罕遇地震作用下塔樓橫向位移最大值為54.054?mm，層間位移角最大值為1/134，滿足規(guī)范要求;罕遇地震作用下塔樓框架柱和框架梁均處于帶裂縫或屈服前狀態(tài)，說明塔樓結(jié)構(gòu)具有良好的耗能能力和抗剪性能。在罕遇地震作用下，該塔樓剪力墻結(jié)構(gòu)整體受力性能良好，能夠滿足罕遇地震下的抗震性能要求。

關(guān)鍵詞：剪力墻;抗震性能;彈塑性;時(shí)程分析;屈服狀態(tài);塑性鉸

中圖分類號(hào)：TP391.99;TU311.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1006-0871（2021）03-0006-06

DOI：10.13340/j.cae.2021.03.002

Abstract：To?study?the?seismic?performance?of?super?high?and?super?large?span?buildings，?taking?the?high?voltage?tower?of?the?super?high?vertical?xlpe?cables?as?the?research?object，?taking?the?base?shear，?the?maximum?story?drift?ratio?and?the?maximum?displacement?as?the?analysis?parameters，?the?tower?structure?is?studied?using?the?shear?wall?structure?system.?The?seismic?performances?under?different?earthquakes?are?analyzed?by?the?software?midas?Building.?The?results?show?that?the?base?shear?under?the?rarely?occurred?earthquake?is?approximately?3.34～3.95?times?as?big?as?that?of?the?frequently?occurred?earthquake.?The?maximum?displacement?in?horizontal?direction?under?the?rarely?occurred?earthquake?is?54.054?mm，?and?the?maximum?story?drift?ratio?is?1/134，?which?meets?the?code?requirements.?The?frame?columns?and?the?frame?beams?are?in?the?cracked?state?or?in?the?pre-yield?state?under?the?rarely?occurred?earthquake，?and?it?shows?that?the?energy?dissipation?capacity?and?the?shear?resistance?performance?of?the?structure?are?well.?Under?the?rarely?occurred?earthquake，?the?mechanical?performance?of?the?tower?shear?wall?structure?is?satisfactory，?and?the?seismic?performance?under?rarely?occurred?earthquake?meets?the?requiement.

Key?words：shear?wall;seismic?performance;elasto-plastic;time?history?analysis;yield?state;plastic?hinge

0?引?言

建筑結(jié)構(gòu)向高層和超高層發(fā)展是建筑設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)[1-3]，超高層建筑設(shè)計(jì)面臨更高的要求和挑戰(zhàn)。如何協(xié)調(diào)超高層建筑在安全、適用、耐久和經(jīng)濟(jì)等方面的特性，如何使建筑結(jié)構(gòu)更好地滿足抗震性能要求[4-5]，需要對(duì)具體工程進(jìn)行分析與評(píng)估，才能得出相應(yīng)的結(jié)論。本文結(jié)合工程實(shí)例，研究超高層、超大空間建筑抗震性能設(shè)計(jì)的思路和方法。

1?工程概況

1.1?工程簡(jiǎn)介

以某超限高層立式交聯(lián)電纜的高壓立塔為研究對(duì)象，該塔樓地下1層、地上21層（第21層為機(jī)房層），標(biāo)準(zhǔn)層高為7.0～8.0?m，建筑結(jié)構(gòu)總高度為148.8?m，高度等級(jí)為B級(jí)，平面尺寸為25.5?m×25.5?m。該建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為層高較高，樓層內(nèi)未設(shè)置分區(qū)而形成超大空間結(jié)構(gòu)。建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，建筑抗震設(shè)防分類為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類。

1.2?結(jié)構(gòu)方案設(shè)置

采用剪力墻結(jié)構(gòu)體系對(duì)立塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震研究，塔樓四周為4個(gè)矩形筒體剪力墻，四周中線位置為4個(gè)L形剪力墻，隨著層高增加，剪力墻厚度逐漸減小。該結(jié)構(gòu)層高較大，為提高豎向承載力，以結(jié)構(gòu)中心為原點(diǎn)，在y向中軸線上距x向中心3.6?m處設(shè)有2根方形變截面柱，柱底層邊長(zhǎng)為1.3?m?？蚣苤图袅ι显O(shè)有框架梁，兩端剪力墻上設(shè)有連梁。立塔第3層為外伸懸挑結(jié)構(gòu)，主次梁樓蓋體系采用鋼筋混凝土，地基采用筏板基礎(chǔ)。剪力墻標(biāo)準(zhǔn)層布置示意見圖1。

1.3?抗震性能目標(biāo)確定

根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》附件1“超限高層建筑工程主要范圍參照簡(jiǎn)表”[6]，逐項(xiàng)對(duì)項(xiàng)目規(guī)則性進(jìn)行判定。由判定結(jié)果可知：該立塔平面規(guī)則，豎向剛度逐層變化均勻，高度接近B級(jí)超限，不存在其他不規(guī)則情況。綜合考慮結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防類別、場(chǎng)地條件、設(shè)防烈度、結(jié)構(gòu)特殊性、震后損失，以及修復(fù)難易程度等多種因素進(jìn)行評(píng)判，參照《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ?3—2010）[7]提供的設(shè)計(jì)方法，選擇C級(jí)抗震性能目標(biāo)。

1.4?分析軟件和計(jì)算假定

主要采用midas?Building分析軟件進(jìn)行計(jì)算，結(jié)構(gòu)材料為鋼筋混凝土，采用剛性樓板假定。在風(fēng)載荷分析時(shí)，設(shè)置地面粗糙度為B類，承載力為1.1倍基本風(fēng)壓，考慮扭轉(zhuǎn)風(fēng)振。設(shè)計(jì)2個(gè)地震分組，場(chǎng)地類別為Ⅲ類，整體計(jì)算時(shí)考慮偶然偏心，振型組合形式為完全二次項(xiàng)組合（complete?quadratic?combination，CQC）方法。根據(jù)“高規(guī)、抗規(guī)從嚴(yán)”的要求調(diào)整薄弱層地震內(nèi)力，不考慮重力2階效應(yīng)，考慮活載荷不利分布，采用蘭佐斯法進(jìn)行特征值分析控制。分析參數(shù)設(shè)置見表1。

2?多遇地震和設(shè)防地震作用下塔樓抗震性能分析

2.1?多遇地震作用下塔樓抗震分析

在多遇地震作用下，采用振型分解反應(yīng)譜法[8]在YJK和midas?Building軟件中計(jì)算塔樓的抗震性能，采用彈性時(shí)程分析法[9]進(jìn)行補(bǔ)充。計(jì)算結(jié)果顯示：塔樓樓層質(zhì)量分布相對(duì)均勻，未出現(xiàn)異常突變;考慮前21階振型時(shí)，有效質(zhì)量因數(shù)在x和y向均大于90%;前2階模態(tài)均為平動(dòng)，第1扭轉(zhuǎn)模態(tài)出現(xiàn)在第3階模態(tài);2個(gè)軟件計(jì)算得到的扭轉(zhuǎn)周期比分別為0.464和0.470，二者差值在允許范圍內(nèi);結(jié)構(gòu)位移比和位移角均滿足規(guī)范要求，最大層間位移比曲線與最大層間位移角曲線無明顯突變，結(jié)構(gòu)基本處于彈性受力狀態(tài)。結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度比計(jì)算結(jié)果在限定范圍內(nèi)，表明該結(jié)構(gòu)不存在剛度突變與明顯薄弱層;樓層剪力與傾覆彎矩的計(jì)算結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)具有良好的受剪承載力與抗傾覆能力;立塔剪重比與剛重比的驗(yàn)算結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)具有良好的穩(wěn)定性。

利用midas?Building軟件，采用5條天然地震波和2條人工地震波進(jìn)行彈性時(shí)程補(bǔ)充分析，每條時(shí)程曲線計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)底部剪力和平均地震影響因數(shù)均滿足在統(tǒng)計(jì)意義上相符的要求。利用CQC方法與時(shí)程分析法得到的樓層最大層間位移角和層剪力分別相近，說明平均地震響應(yīng)趨勢(shì)相似，結(jié)構(gòu)整體符合要求。彈性時(shí)程分析法得到的位移和剪力平均值均小于振型分解反應(yīng)譜法的計(jì)算結(jié)果，說明時(shí)程分析對(duì)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)不具有控制作用，相應(yīng)樓層的最大剪力因數(shù)不需要放大。

綜上所述，在多遇地震作用下，結(jié)構(gòu)的抗傾覆剛度、抗扭剛度和樓層承載力均達(dá)到相關(guān)規(guī)范規(guī)定的各項(xiàng)指標(biāo)，表明該立塔結(jié)構(gòu)滿足彈性設(shè)計(jì)要求，具有良好的抗震性能。

2.2?設(shè)防地震作用下塔樓抗震分析

在設(shè)防地震作用下，層間位移角滿足設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)具有較好的承載力和抗傾覆能力。框架柱承載力和剪力墻承載力驗(yàn)算表明框架柱和剪力墻均滿足剪壓比要求，各層框架柱和剪力墻均能滿足“中震彈性、中震不屈服”的性能目標(biāo)[10]。

對(duì)塔樓所有樓層剪力墻進(jìn)行設(shè)防地震作用下的偏拉驗(yàn)算，除底部墻肢外其他剪力墻未出現(xiàn)拉應(yīng)力，墻肢沒有出現(xiàn)水平裂縫，抗傾覆剛度沒有發(fā)生嚴(yán)重退化，說明剪力墻具有良好的抗剪承載力。針對(duì)底部加強(qiáng)區(qū)超出混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的剪力墻，可以提高其縱向配筋率或設(shè)置型鋼，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗震性能。

根據(jù)YJK軟件計(jì)算結(jié)果可知，耗能構(gòu)件未產(chǎn)生壓彎屈服，剪壓比未超過限值，結(jié)構(gòu)構(gòu)件均能滿足性能設(shè)計(jì)要求，可根據(jù)設(shè)防地震作用下結(jié)構(gòu)構(gòu)件的配筋進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。

3?罕遇地震作用下塔樓抗震性能分析

3.1?分析方法選擇

在罕遇地震作用下，地震響應(yīng)一般是非線性的，結(jié)構(gòu)材料進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，結(jié)構(gòu)側(cè)移效應(yīng)更明顯，傳統(tǒng)的線性分析方法難以適用，需要進(jìn)行非線性分析[11-12]。采用非線性分析方法研究罕遇地震下構(gòu)件損傷和剩余變形，分析結(jié)構(gòu)的抗震性能，評(píng)估結(jié)構(gòu)是否滿足抗震性能目標(biāo)。

3.2?材料本構(gòu)關(guān)系和單元選擇

利用midas?Building軟件進(jìn)行動(dòng)力彈塑性分析。采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB?50010—2010）[13]中的混凝土單軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，不考慮混凝土材料的受拉特性，僅鋼筋承受拉力。鋼材本構(gòu)模型采用雙折線模型，鋼筋屈服后使用折減剛度，采用彈性剛度進(jìn)行卸載和重新加載。剪力墻單元采用剪切本構(gòu)模型。滯回模型是動(dòng)力彈塑性分析的基本參數(shù)，本文采用修正武田三折線滯回模型。

梁、柱和支撐定義為彎矩-旋轉(zhuǎn)單元（集中鉸），其中梁定義為彎矩鉸，柱定義為軸力鉸、彎矩鉸和剪力鉸，支撐定義為軸力鉸。采用Newmark-β直接積分法

根據(jù)恢復(fù)力模型獲得構(gòu)件內(nèi)力，隨時(shí)間步更新構(gòu)件剛度。

3.3?基底剪力分析

依據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB?50011—2010）[14]相關(guān)要求，根據(jù)建筑場(chǎng)地類別和地震分組等因素，選擇2組實(shí)際記錄的罕遇地震天然地震波和1組人工模擬罕遇地震波進(jìn)行分析。地震波采用雙向輸入，主、次方向的加速度峰值比為1.00∶0.85，主方向峰值加速度取2.20?m/s2。地震波分析步長(zhǎng)均取0.02?s，持續(xù)時(shí)間均為30?s。罕遇地震波作用下塔樓x向最大樓層剪力曲線見圖2。

在各地震波作用下塔樓x向最大樓層剪力曲線比較平滑，僅在7層發(fā)生小幅度轉(zhuǎn)折，因此立塔結(jié)構(gòu)在7層或其相鄰層可能存在薄弱處。根據(jù)動(dòng)力彈塑性分析，得到該塔樓在罕遇地震作用下的基底剪力，將其與多遇地震作用下的基底剪力進(jìn)行對(duì)比，見表2。

由此可知，罕遇地震作用下基底剪力約為多遇地震作用下基底剪力的3.34～3.95倍。

3.4?最大層間位移角分析

罕遇地震作用下塔樓的最大層間位移角與最大位移見表3。

由此可知：塔樓x和y向最大層間位移角出現(xiàn)在天然地震波作用下，分別為1/134和1/148，均小于限值1/100;x和y向最大層間位移分別為52.239和54.054?mm，說明該立塔結(jié)構(gòu)x和y向未出現(xiàn)較大差別，結(jié)構(gòu)平面布置合理。

3.5?構(gòu)件出鉸順序和損傷破壞情況分析

如果僅對(duì)罕遇地震作用下的結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角進(jìn)行控制，不能保證結(jié)構(gòu)一直保持直立狀態(tài)，因此還需要根據(jù)彈塑性變形和強(qiáng)度退化程度，衡量結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞情況。前文分析可知，在天然波1的x向作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)最大，因此本文僅對(duì)天然波1的x向作用下的塔樓出鉸結(jié)果、出鉸順序和構(gòu)件損傷破壞情況進(jìn)行分析與評(píng)估。

根據(jù)應(yīng)變與基準(zhǔn)應(yīng)變的比值設(shè)置纖維應(yīng)變等級(jí)為1～6級(jí)，以此判斷混凝土和鋼筋纖維的損傷程度。在天然波1的x向作用下，剪力墻混凝土的剪切應(yīng)變等級(jí)見圖3。

結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)（1級(jí)應(yīng)變）的占比為42.3%，處于混凝土開裂至初始屈服狀態(tài)（2級(jí)應(yīng)變）的占比約為12.9%，處于混凝土屈服至屈服后狀態(tài)（3級(jí)和4級(jí)應(yīng)變）的占比約為19.6%，處于屈服后破壞狀態(tài)（5級(jí)應(yīng)變）的占比約為9.2%，處于開裂帶裂縫狀態(tài)（6級(jí)應(yīng)變）的占比約為15.9%，極少部分剪力墻發(fā)生重度破壞。

剪力墻的水平和豎向應(yīng)變等級(jí)分布分別見圖4和5，水平和豎向鋼筋的應(yīng)變分別見圖6和7。在天然波1的x向作用下，剪力墻水平應(yīng)變和水平鋼筋的應(yīng)變較小，而剪力墻豎向應(yīng)變和豎向鋼筋的應(yīng)變相對(duì)較大，在各個(gè)等級(jí)狀態(tài)均有分布。由此可知，水平剪力對(duì)剪力墻沒有控制作用，剪力墻主要由地震作用產(chǎn)生的傾覆力矩控制。剪力墻豎向壓應(yīng)變?cè)趚向僅有0.2%處于嚴(yán)重破壞狀態(tài)，剪力墻豎向鋼筋約有3.8%處于受拉屈服狀態(tài)。

由圖5和7可知，剪切屈服變形主要位于剪力墻連梁、框架梁和底部剪力墻，且隨著高度增加，破壞程度逐漸減弱。底部剪力墻四周損毀較為嚴(yán)重，因此需要加強(qiáng)該區(qū)域，以提高結(jié)構(gòu)抗震性能，實(shí)現(xiàn)預(yù)期設(shè)定“關(guān)鍵構(gòu)件輕度損壞、普通豎向構(gòu)件部分中度損壞、耗能構(gòu)件中度損壞或部分比較嚴(yán)重?fù)p壞”的抗震性能目標(biāo)。

在天然波1的x向作用下，梁、柱和塔樓整體屈服狀態(tài)塑性鉸分布見圖8～10，其中第1階為開裂狀態(tài)、第2階為屈服狀態(tài)和第3階為極限狀態(tài)。塔樓整體塑性鉸處于第1階開裂狀態(tài)的比例為34.3%，處于第2階屈服狀態(tài)的比例為60.4%，未出現(xiàn)第3階極限狀態(tài)。由梁和柱損傷狀況可知：連梁發(fā)生破壞并出現(xiàn)塑性鉸，連梁和框架梁有67.3%的鉸處于第2階屈服狀態(tài)，連梁和框架梁未發(fā)生完全破壞;柱有73.6%鉸處于第1階開裂狀態(tài)，無柱鉸處于第2階屈服狀態(tài)，框架柱處于輕微損壞狀態(tài)。

連梁、框架梁和框架柱的塑性鉸在各分析步驟下的發(fā)展過程為：在0～5.0?s時(shí)，框架梁、連梁和框架柱基本沒有第2階塑性鉸;在5.0～10.0?s（第1個(gè)地震波峰）時(shí)，框架梁和連梁大量出現(xiàn)第2階塑性鉸，框架柱未出現(xiàn)第2階塑性鉸;在10.0?s后，塑性鉸的數(shù)量和發(fā)展深度未出現(xiàn)較大變化。

假設(shè)D為結(jié)構(gòu)實(shí)際發(fā)生的總變形值，D2為結(jié)構(gòu)第2屈服狀態(tài)值，D/D2即為結(jié)構(gòu)延性因數(shù)。塔樓整體延性因數(shù)計(jì)算結(jié)果見圖11。塔樓整體有68.9%的區(qū)域延性因數(shù)小于1，表明該塔樓結(jié)構(gòu)大部分區(qū)域?qū)嶋H變形位移小于屈服時(shí)位移。

塔樓總體上滿足抗震概念設(shè)計(jì)中的“強(qiáng)墻肢弱連梁”要求，連梁和框架梁在罕遇地震作用下先進(jìn)入屈服狀態(tài)，耗散后續(xù)地震波能量，因此剪力墻等構(gòu)件塑性鉸的數(shù)量和發(fā)展深度相應(yīng)減少。連梁和框架梁先進(jìn)入塑性階段對(duì)保證整體結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下不倒塌具有重要作用，并且連梁進(jìn)入塑性階段的比例明顯高于框架梁。

4?結(jié)?論

采用剪力墻結(jié)構(gòu)體系對(duì)某超限高層立式塔樓的抗震性能進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論。

（1）該塔樓橫向最大位移較均衡，層間位移角最大值為1/134，滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB?50011—2010）[14]中不大于1/133（90%塑性變形）的限值要求，能夠達(dá)到罕遇地震作用下的抗震設(shè)防目標(biāo)。

（2）在罕遇地震作用下，塔樓雙向基底剪力約為多遇地震作用下基底剪力的3.34～3.95倍，說明地震波選用準(zhǔn)確，結(jié)構(gòu)耗能合理。

（3）在地震波雙向作用下，除底部個(gè)別墻垛處剪力墻進(jìn)入剪力屈服狀態(tài)外，其余底部剪力墻均為剪切屈服前狀態(tài)或帶裂縫工作狀態(tài)。應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)底部剪力墻的配筋，以增強(qiáng)其抗剪能力。

（4）框架柱和框架梁均處于帶裂縫或屈服前狀態(tài)，仍有一定安全裕度，能夠確保結(jié)構(gòu)具有良好的耗能能力和抗剪性能。

（5）在罕遇地震作用下，塔樓整體受力性能良好，能夠滿足抗震性能目標(biāo)。

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[13]?混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB?50010—2010[S].

[14]?建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范：GB?50011—2010[S].

（編輯?武曉英）