某超限高层建筑结构弹塑性动力时程分析实例

李 忻

(天津滨海新区公共产业建设投资有限公司建设管理分公司，天津 300457)

·结构·抗震·

某超限高层建筑结构弹塑性动力时程分析实例

李 忻

(天津滨海新区公共产业建设投资有限公司建设管理分公司，天津 300457)

以实际工程为例，通过分析工程的基本设计条件，对超限高层建筑进行罕遇地震作用下结构弹塑性动力时程分析，并提出切实可行的设计方法及抗震加强措施，以满足建筑抗震性能目标要求。

超限高层建筑，弹塑性时程分析，性能目标，罕遇地震

0 引言

随着城市发展对建筑的功能及造型要求越来越高，涌现出大批的超限高层建筑[1]，如何正确对其进行结构计算分析，这是广大结构设计人员必须要面对的问题。现以实际工程为例，对其结构进行罕遇地震作用下弹塑性动力时程分析，并提出相应抗震加强措施以满足性能目标要求。

1 工程概况及结构体系

本住宅工程位于繁华市中心，地上54层，地下设2层地下室，长33 m，宽27 m，总高度172.55 m，为超高建筑。根据建筑功能要求并结合结构受力的需要，采用剪力墙结构，剪力墙抗震等级一级。剪力墙混凝土强度等级C55～C30，剪力墙截面变化与混凝土强度变化沿高度错开布置。

2 基本设计条件

本工程超限类型为超高建筑，设计使用年限为50年，建筑结构安全等级为二级，结构重要性系数Y0=1.0，抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第三组，基本加速度值为0.10g。抗震设计性能目标为C[2，3]，性能目标C是指多遇地震下满足性能水准1的要求，设防烈度地震下满足性能水准3的要求，预估的罕遇地震下满足性能水准4的要求。其他荷载严格按照GB 50009—2012建筑结构荷载规范要求取值。

结构计算采用中国建筑科学研究院编制的多高层建筑结构弹塑性静力、动力分析软件PUSH&EPDA。

3 罕遇地震作用下结构弹塑性动力时程分析

3.1 罕遇地震作用计算

根据既定的性能目标，本工程在预估的罕遇地震作用下，关键构件的抗震承载力满足罕遇地震不屈服，部分竖向构件以及大部分耗能构件进入屈服阶段，但钢筋混凝土竖向构件的受剪应符合下式规定：

罕遇地震下的阻尼比取0.07。

例如，我们可选取二层一片墙体进行验算。墙体截面为400×4 350，混凝土强度等级为C55。罕遇地震作用下计算结果中读出结构的受力为:VGE8=120 kN;VEK=5 831 kN;VGE8+VEK=5 951 kN;0.15fckbh0=0.15×35.5×400×(4 350-220)=8 796 kN>5 831 kN。

此墙体截面满足要求。类似的，可以按此方法复核其他墙体。

3.2 罕遇地震作用下弹塑性动力时程分析

1)地震波选取。选取3组地震波，1组为场地人工波USER021，另2组为天然波USER4和USER5。

2)各组地震波分析结果汇总。

a.基底剪力。每组地震波作用下结构的基底剪力最大值如表1所示。

表1 最大基底剪力

由表1可以看出，3组地震波作用下结构在X,Y两个方向的基底剪力最大值分别为41 334 kN和41 874 kN，对应的剪重比分别为7.29%和7.38%；均是在USER021这组人工波的作用下最大，因此，主要针对响应较大的人工波USER021的结果进行详细分析。

b.最大层间位移角和最大层间有害位移角。每组地震波作用下结构的最大层间位移角、最大层间有害位移角及对应的楼层见表2。

表2 最大层间位移角和最大层间有害位移角

由表2可以看到，结构在X向最大层间位移角为1/198(36层)；Y向最大层间位移角为1/149(48层)。可知结构在罕遇地震作用下的弹塑性层间位移角最大值满足既定的目标。

c.X，Y方向地震波作用下结构损伤情况。剪力墙受压超过屈服极限裂缝、受拉裂缝均出现在3层～7层和顶部3层区域。

3.3 罕遇地震下结构弹塑性结果分析

1)不同的地震波会对弹塑性动力时程分析的计算结果产生一定的影响，对应所选取的三组地震波响应的楼层剪力和楼层弯矩相差均不大，X向楼层剪力较平均值最大偏差17%，Y向最大偏差22%；楼层剪力均不超过大震剪力，这说明地震波的选取是基本合理的。

2)对应三组地震波响应的X向最大层间位移角为1/198，Y向最大层间位移角为1/149，满足既定的结构在罕遇地震作用下的弹塑性层间位移角不大于1/120规定。

3)弹塑性动力时程分析三组地震波显示的梁铰、剪力墙裂缝的分布基本相同。首先部分剪力墙出现裂缝，然后连梁出现铰，最后部分连梁、框架梁出现屈服。

4)剪力墙出现裂缝的区域主要集中在3层～7层和顶部3层区域，尤以3层～7层为甚。在3层～7层剪力墙出现裂缝的形式多样，有受拉、受压裂缝，虽然有些墙肢出现屈服，但并没有破坏，能满足大震不倒的要求，设计时予以重点加强；在顶部3层区域剪力墙主要是受拉裂缝，设计时增大墙肢竖向分布筋配筋率予以加强。

5)楼、电梯筒位置墙体罕遇地震作用下弹塑性分析中发现出现较多裂缝，配筋率适当提高到0.6%。

6)罕遇地震下部分出现拉应力的剪力墙应提高配筋率或增设钢板。

7)由上述结论可以确定结构在罕遇地震作用下能满足既定的性能水准要求。

4 抗震加强措施

在罕遇地震作用下，结构主要采取以下措施：

1)对关键竖向构件其抗震承载力按大震不屈服及小震弹性包络设计，并满足性能4的相关要求。

2)根据罕遇地震的分析结果，为提高结构整体抗震性能采取以下加强措施：

a.底部加强区竖向构件构造按特一级控制。

b.剪力墙在第1层～第2层楼面标高墙身钢筋配筋率0.5%。

c.剪力墙在第2层～第7层楼面标高(加强区)墙身钢筋配筋率0.4%。

d.剪力墙在顶部3层墙身钢筋配筋率0.3%。

e.楼电梯筒剪力墙0.6%。

f.底部加强区的部分剪力墙边缘构件设置型钢。

5 结语

1)在罕遇地震作用下采用中国建筑科学研究院编制的多高层建筑结构弹塑性静力、动力分析软件PUSH&EPDA进行弹塑性动力分析，得到结构的塑性铰的分布和确定薄弱层的弹塑性变形，用以指导、优化结构设计。

2)对关键竖向构件其抗震承载力按大震不屈服及小震弹性包络设计，并满足相关性能要求。

3)提出相应的抗震加强措施，以满足性能目标要求。

[1] 全国超限高层建筑工程抗震设防审查专家委员会.抗震设防专项审查办法[DB/OL].建设部网站.

[2] 徐培福,戴国莹.超限高层建筑结构基于性能抗震设计的研究[J].土木工程学报,2005(1)：57-58.

[3] 季 静,黄 超,韩小雷，等.基于性能的设计方法在超限高层建筑结构设计中的应用研究[J].世界地震工程,2007(1)：34-35.

[4] JGJ 3—2010，高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[5] GB 50011—2010，建筑抗震设计规范[S].

On analysis of elastic-plastic time-history of some super-high-rise building

Li Xin

(ConstructionAdministrativeBranch,PublicIndustrialConstructionInvestmentCo.,LtdofBinhaiNewRegionofTianjinCity,Tianjin300457,China)

Taking some project as the example, the paper undertakes the structural elastic-plastic time-history analysis under rare earthquake of the super-high-rise building, and points out feasible design methods and seismic improvement measures, so as to meet the demands for the seismic performance aim of buildings.

super-high-rise building, elastic-plastic time-history analysis, performance aim, rare earthquake

1009-6825(2015)16-0017-02

2015-03-29

李 忻(1968- )，男，高级工程师

TU973

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