超高层公寓结构抗震设计

刘 嘉 慧

(中信建筑设计研究总院有限公司,湖北 武汉 430014)

超高层公寓结构抗震设计

刘 嘉 慧

(中信建筑设计研究总院有限公司,湖北 武汉 430014)

简要介绍了某超高层公寓的结构抗震设计过程，对抗震性能设计进行了重点介绍，判别结构薄弱部位，提出结构加强措施，达到结构设计安全适用的效果.

性能设计；弹性时程；静力弹塑性分析

0 工程概况

本项目为武汉万科现代城第五期工程L栋的一栋塔楼，位于江汉区常青路与中环线交汇处.超高层公寓地下2层，地上50层(含裙房4层)，裙房层高5.2 m，标准层层高2.9 m，地面以上总高度155.1 m，为B级高度的钢筋混凝土高层建筑.结构形式为剪力墙结构，基础型式采用桩筏基础，上部结构的嵌固端在地下室顶板面.抗震设防烈度为6度(0.05 g)，设计地震分组为第一组，场地土类别为Ⅱ类.50年超越概率63%、10%、2%的设计峰值加速度和对应设计反应谱特征周期分别为30.8 cm/s2、86.7 cm/s2、155.8 cm/s2和0.45 s、0.50 s、0.55 s.建筑结构安全等级为二级，抗震设防类别为丙类.地下一层、裙房及裙房上一层抗震等级为一级，其他抗震等级为二级.

1 结构布置

平面无凸凹，楼板整体性较好，扭转指标在允许范围内.竖向规则、均匀，无转换层.底层楼、电梯间剪力墙厚200 mm～400 mm，其余剪力墙厚500 mm～700 mm，从下向上逐渐减薄，标准层结构平面布置图见图1.

注：地震波作用角度为90°时，主方向最大剪力为9475 kN

裙房层高5.2 m，标准层高2.9 m，层高急剧变化易导致侧向刚度不规则.通过反复试算发现，在两者之间设置一层高3.5 m的过渡层，即可有效减小侧向刚度的变化，避免侧向刚度不规则.

2 超限情况及性能设计目标

超限情况主要有两种：(1)建筑高度155.1 m，高度超限，为B级高度钢筋混凝土剪力墙高层建筑；(2)扭转不规则，结构考虑偶然偏心的扭转位移比大于1.2，但不大于1.4.

结构抗震性能目标确定为性能目标D.多遇地震，满足弹性设计要求；设防烈度地震，关键构件(指底部加强部位剪力墙、错层剪力墙及转换梁)轻度损坏，普通竖向构件部分中度损坏，耗能构件中度损坏、部分比较严重损坏；罕遇地震，关键构件中度损坏，普通竖向构件部分比较严重损坏，耗能构件比较严重损坏.

3 多遇地震弹性分析

3.1 弹性静力计算

分别采用了SATWE和PMSAP进行了多遇地震下的弹性静力计算，并做对比验证.计算表明，结构沿主轴方向振动形式相近，地震作用竖向分布合理；刚度比、抗剪承载力比、周期比、剪重比、有效质量参与系数、层间位移角、位移比等，均满足规范要求；剪力墙、框架梁及连梁的配筋均在合理范围.

3.2 弹性时程计算

两条天然波(USER1、USER2)和一条人工波(USER3)，均由武汉地震工程研究院提供，采用SATWE进行多遇地震下的弹性时程计算.规范谱与地震波谱对比见图2，三条时程曲线的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符.计算表明，弹性时程分析所得的内力和位移沿高度方向的变化曲线与采用振型分解反应谱法所得的变化曲线的变化趋势基本一致；每条波计算所得结构底部剪力不小于振型分解反应谱法计算结果的65%，同时3条波计算所得结构底部剪力的平均值不小于振型分解反应谱法计算结果的80%(主方向最大楼层剪力曲线见图3).因时程法的包络值略大于振型分解反应谱法，设计计算中采用了时程法的包络值，通过设计软件中的分层地震作用放大系数加以实现.

图2 规范谱与地震波谱对比图 图3 主方向最大楼层剪力曲线

4 设防烈度地震不屈分析

设防烈度地震作用下，第4性能水准的结构，应对关键构件进行正截面承载力不屈服验算.采用等效弹性方法计算竖向构件及关键部位构件的组合内力，结构阻尼比取0.07，连梁刚度折减系数取0.4，采用SATWE程序计算.需注意的是，在设防烈度地震或罕遇地震下抗震承载力验算时，风荷载不参与荷载组合.现设计软件均已添加“中震不屈设计”选项，实现较为容易.

结果表明，底部加强部位剪力墙、错层剪力墙及转换梁正截面承载力均满足要求.中震作用下弹塑性层间位移角曲线均匀变化，不存在突变；中震作用下最大弹塑性层间位移角为1/595(出现在26层X向)，满足《建筑抗震设计规范》附录M中构件层间弹塑性变形验算的要求.

5 罕遇地震分析

5.1 受剪截面验算

罕遇地震作用下，第5性能水准的结构，应对竖向构件的受剪截面进行验算.采用SATWE程序计算，提取出剪力墙所受剪力，与受剪承载力0.15fckbh0比较.结果表明，竖向构件的受剪截面满足要求，且有较大富裕.

5.2 静力弹塑性分析

采用MIDAS/Gen进行中、大震作用下的结构静力弹塑性分析(Pushover分析)，在MIDAS/Gen中使用ATC-40(1996)和FEMA-273(1997)提供的能力谱法来对建筑物的抗震性能进行评价.Pushover分析完成后，可根据中震、大震反应谱评价结构的性能，可观察各荷载工况下结构各阶段的变形形状，结构各薄弱部位的塑性发展顺序及塑性铰发生状态；对关键构件在中震、大震性能点处的性能进行评价，针对局部薄弱环节进行加强；可检验结构各个构件是否超过弹塑性极限状态，是否满足大震不倒的要求.

本工程采用两种类型的侧向荷载分布模式，即模态分布模式和加速度常量分布模式.考虑到结构布置及荷载分布的非对称性，每种荷载分别按X、Y两个主方向加载，每个方向分别考虑正负不同情况，共有8个荷载工况.能力谱曲线较为平滑，顶点位移与基底剪力基本呈线性递增，在设定目标范围内，各荷载工况下的能力曲线均平滑上升，不存在陡降或突变.各荷载工况能力谱曲线与罕遇地震的需求谱曲线均有交点，同一加载模式下同一坐标轴方向的正负两个方向能力谱曲线基本相同.主要结构部分在大震作用下的塑性铰分布如图4所示，其中MX+为模态分布模式X正向加载，AY+为加速度常量分布模式Y正向加载.

大震作用下，底部剪力墙少数出现刚进入屈服状态的PMM铰，未出现剪切铰，大部分为弹性；框架柱为弹性，无塑性铰出现；部分连梁出现弯曲塑性铰，部分连梁塑性铰进入IO状态，极少数连梁塑性铰进入LS状态,，未出现剪切铰；部分框架梁梁端出现刚进入屈服状态的塑性铰，少数框架梁塑性铰进入IO状态 ,极少数框架梁塑性铰进入LS状态.

大震作用下弹塑性层间位移角曲线均匀变化，不存在突变；大震作用下最大弹塑性层间位移角为1/400(出现在27层X向)，满足《高层建筑混凝土结构技术规程》表3.7.5层间弹塑性位移角限值的要求.

图4 PUSH-MX+PUSH-AX+PUSH-MY+PUSH-AY+塑性铰分布图

6 结 论

多遇地震下的弹性设计，达到结构“小震不坏”的抗震设防要求；设防烈度地震下的抗震性能设计，所有竖向构件均不屈服，少数框架梁、连梁出现刚进入屈服状态的塑性铰，损伤为延性破坏，经过一般修理即可继续使用，达到“中震可修”的抗震设防要求；罕遇地震下的抗震性能设计，结构具有一定的强度与变形能力储备，达到“大震不倒”的抗震设防要求.

针对结构薄弱部位，采取如下抗震加强措施：(1)地下一层、裙房及裙房上一层抗震等级由二级提高至一级；(2)公寓楼上部转换桁架及相邻构件抗震等级由二级提高至一级；(3)部分连梁出现塑性铰，应严格控制配筋率，提高连梁延性，同时满足强剪弱弯的要求；(4)底部少数剪力墙在罕遇地震作用下出现塑性铰，应加强剪力墙底部的配筋构造.

[1]GB50011-2010，建筑抗震设计规范[S]

[2]JGJ3-2010，高层建筑混凝土结构技术规程[S]

[3]汪大绥，贺军利，张凤新.静力弹塑性分析(Pushover Analysis)的基本原理和计算实例[J].世界地震工程，2004,20(1)：45～53

[4] 秦明乐，张绍亮，韩超.大连万达公馆3号楼超限高层结构设计[J].山西建筑，2010，36(7) ：47～48

Seismic Design of the Super-high Apartment

LIUJia-hui

(CITIC General Institute of Architectural Design and Research Co.,Ltd.，Wuhan 430014，China)

In this paper, seismic design of the super-high apartment was briefly introduced, and performance-based seismic design was emphatically introduced. Discrimination of weak parts of the structure and strengthening measures to achieve the effect of structural design for safety were put forward.

performance-based design; elastic time-history analysis; static elastic-plastic analysis

2016-11-22

刘嘉慧(1985-),男，工程师，一级注册结构工程师,从事结构设计工作.

10.3969/j.issn.1008-4185.2017.01.003

TU 97

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