某超高层结构抗震性能分析

冯平

摘要：超高层公寓，结构体系为框支-剪力墙结构体系。根据结构的超限情况确定结构抗震性能目标，并进行了多遇地震下弹性分析和罕遇地震结构静力弹塑性分析。

关键词：超限高层；框支-剪力墙；抗震性能目标；静力推覆

一、工程概况

广东省深圳市后海中心区西南角，后海大道东侧，由独栋高层公寓和商业裙楼组成，公寓49层，高149.50米，商业裙楼4层，地下室共4层，总建筑面积为37228.79㎡。本工程±000为绝对标高5.050m，基坑开挖深度约16.5m。

本工程结构为框支-剪力墙结构，转换层位于6层楼面，商业裙楼部分4层，裙房屋面高度18.50米为框架结构。裙房部分层高为4.5～5m，公寓部分层高为2.85m。总平面图及建筑效果图详见图1、图2。

本工程建筑物的设计使用年限为50年，结构安全等级为二级，结构重要性系数取1.0。工程场地的抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值0.10g，设计地震分组为第一组。场地土类别为中软土，建筑场地类别为II类，场区地面脉动卓越周期为0.39s。根据不工程建筑特点，建筑抗震设防类别为丙类。

根据《建筑结构荷载规范》GB50009-2001，深圳地区50年一遇基本风压值W0=0.75kN/m2，承载力设计时取基本风压的1.1倍。地面粗糙度为C类，风载体型系数取1.4，风压高度变化系数按国家规范取值。

上部典型结构平面

二、结构主要设计参数及抗震等级

1.主要设计参数

2.抗震等级

根据建筑物的情况及设防烈度本工程各部位等级如下：

注：与塔楼相邻两跨范围地下室部分抗震等级同塔楼对应楼层。

三、结构抗震超限类型判断

根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》的通知（建质[2010]109号）文件的要求，对本工程结构不规则性的进行逐项检查，本工程存在以下超限情况：

1.本工程为框支剪力墻结构，149.50m>100m，为超B级高度。

2.考虑偶然偏心的扭转位移比最大为1.37>1.2，为扭转不规则。

3.平面凹凸尺寸大于相应边长的30%，本项目l/Bmax=0.68，凹凸不规则。

4.复式上层有效宽度小于50%，开洞面积大于30%，楼板不连续。

5.第五层为转换层，竖向构件间断。

根据上述超限类型逐条检查，本工程存在高度超限和多条一般规则性超限，包括扭转不规则、凹凸不规则、楼板不连续、构件间断，不存在特别不规则超限的情况，综合而言本工程属超限高层建筑。

四、抗震性能目标的选定及不同抗震性能水准执行标准

1.抗震性能目标

根据本工程的结构特点和超限情况，选定本工程的抗震性能目标为《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010中的C级目标，即：多遇地震下满足性能水准1要求；设防烈度地震下满足性能水准3要求；预估的罕遇地震下满足性能水准4要求。各性能水准结构预期的震后性能状况可参见文献1。

2.构件性能目标

根据结构整体抗震性能目标的情况，对整体结构中关键构件、耗能构件和普通竖向构件的性能目标进行细分，以便在后续的计算分析和设计中有由更为具体的指导。

五、多遇地震及风荷载作用下弹性静力分析结果

1.主要计算结果对比

对整体结构，采用中国建筑科学研究院PKPM CAD工程部编制的《高层建筑结构空间有限元分析与设计软件》SATWE（新规范2010年9月份版）进行计算，同时采用韩国MIDAS GEN 7.8版软件进一步分析计算作为参考对照。主要计算结果见下表：

从上述对比看出两个软件计算结果较为接近，结构模型计算记过较为可信。

2.层间位移角曲线比较

结果表明SATWE与Midas Gen计算结果整体趋势一致。

4.主要计算结果总结

弹性静力对比分析结果来看，SATWE及Midas Gen两种软件分析的各项指标和变化规律基本一致，表明结构模型真实，可靠；计算结果较为合理，满足规范要求。从线弹性分析结果来看，塔楼具有合适的刚度，满足各种工况下的计算要求。软件分析的各项指标表明塔楼受力及变形均无明显突变。两种计算软件分析结果符合工程经验及力学概念所作的判断。结构方案是合理且满足规范要求的。

六.罕遇地震作用静力及动力弹塑性分析

1 罕遇地震分析目的及设防目标

根据文献2的有关要求：当建筑物遭受高于本地区抗震设防烈度的预估的罕遇地震影响时，不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。结构在较大的地震作用下某些部位要发生屈服甚至破坏退出工作，从而结构的工作状态会从弹性过渡到弹塑性，随着塑性的发生和发展，结构的反应性能会发生改变，因此需要考虑结构进入非线性状态的地震反应分析。

该性能水准要求结构在罕遇地震下宏观损坏程度为中度损坏，耗能构件可发生中度损坏，部分比较严重损坏，关键构件轻度损坏，普通竖向构件部分中度损坏，地震后结构需经过修复或加固后才可继续使用。计算主要采用Midas Gen。

2.静力弹塑性分析

本工程静力弹塑性分析采用通用有限元软件MIDAS/Gen进行，推覆荷载分别按X向和Y向的第一模态形式和CQC计算所得楼层剪力分布加载，初始荷载为1.0恒载+0.5活载。并按照ATC—40所建议的方法对各阶段结果进行评价；

各阶段性能点对应的含义：

A点：未加载状态。

B点：出现塑性铰。

IO = 直接居住极限状态（Immediate Occupancy）

LS = 安全极限状态（Life Safety）

CP = 坍塌防止极限状态（Collapse Prevention）

C点：开始倒塌点。

不同性能水准下的塑性铰位移限值

E点：最大变形能力位置。

3.静力弹塑性分析结果

推覆分析得到的结构在罕遇地震作用下的性能点位置对应的层间位移角和基底剪力如下：

从以上推覆结果可以看出，模态加载形式对应的层间位移角较大，CQC楼层剪力分布加载形式基底剪力较大。加载方向正负结果基本一致，结果均满足相关规范要求。

X向性能点层间位移角 Y向性能点层间位移角

从以上输出结果可以看出，7度大震作用结构达到性能点时最大层间弹塑性位移角（X向1/226.40、Y向1/240.62）满足规范要求，小于1/120；在到达性能点以后推覆曲线仍处于较为明显的上升段，说明结构整体承载能力有一定富余，结构整体有较好的延性。

4.静力推覆性能点铰状态分析

通过对结构不同部位推覆性能点的出铰状态的细致分析，判断结构关键部位和薄弱部位是否滿足预定的性能目标和是否“强剪弱弯”等延性破坏的要求。并根据分析结构调整静力线弹性设计结果，为施工图设计提出指导性意见。

下面主要以模态推覆出铰情况展开分析：

从上图可以看出，结构整体出铰情况较浅，绝大部分铰分布在转换层以上部位，B状态较较多，个别部位出现超过CP状态铰。出铰程度较深的部位主要集中在转换层上部6～12层的范围。

5.静力推覆分析总结和结论

X和Y方向Pushover能力谱曲线在性能点之后仍均存在上升段，对应性能点时楼层最大位移角（第一模态推覆）分别为1/226.40（X）和1/240.62（Y）；通过对竖向构件、转换构件和关键部位出铰状态分析可以看出，整个过程在部分楼层弯曲铰有较充分发展，剪切铰发展较少，剪切铰发展程度较浅基本处于B～IO（直接居住）阶段。弯曲铰发展也呈现墙肢局部薄弱部位和整体结构四周发展较多，程度较深，墙肢整体仍处于较浅的发展阶段。整个推覆过程表现出较为合理的屈服发展变化，“强剪弱弯”，延性较好，在大震作用下结构整体的性能有较好的保障。针对推覆过程中塑性铰发展较多的墙肢端，底部加强区、转换梁、框支柱、支撑及结构四角墙肢在施工设计过程中应考虑中震大震的性能表现，设计过程中考虑适当提高其纵筋和箍筋的配筋率或按其不利情况进行包络设计，以提高其在大震作用下的延性。

X向性能点出铰情况 Y向性能点出铰情况

七、结束语

本工程为属特别不规则的超限高层结构，采用PKPM、MIDAS两种软件弹性对比进行分析，并采用Midas Gen进行静力和动力弹塑性分析。结果表明，各项控制指标符合规范要求，经采取对重要构件和关键性构件作适当加强，能保证结构满足各阶段预先设定的性能目标。

参考文献：

[1]《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010[S] 中国建筑工业出版社，2010.

[2]《建筑抗震设计规范》GB50011-2010[S] 中国建筑工业出版社，2010.

[3]艾奕康建筑设计（深圳）有限公司 后海公馆超限高层建筑工程抗震设防可行性论证报告.2011.11