超限高层结构构件抗震性能分析若干问题探讨

吴桂广， 焦 柯， 赖鸿立， 袁 辉

(广东省建筑设计研究院有限公司， 广州 510010)

0 前言

根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)[1](简称抗规)的要求，建筑结构以“三个水准”为抗震设防目标，即“小震不坏、中震可修、大震不倒”。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)[2](简称高规)中的3.11节“结构抗震性能设计”的要求，结构抗震性能目标应综合考虑抗震设防类别、设防烈度、场地条件、结构的特殊性、建造费用、震后损失和修复难易程度等各项因素选定。结构抗震性能目标分为A，B，C，D共四个等级，结构抗震性能分为1，2，3，4，5共五个水准，每个性能目标均与一组在指定地震地面运动下的结构抗震性能水准相对应。

虽然抗规和高规均对超限高层结构的抗震性能设计有相应的要求，但在工程实践过程中，超限高层结构在构件抗震性能方面存在关键构件、耗能构件的范围，构件与节点承载力的关联性，弱连接楼板如何加强等问题还有待进一步研究。

1 关键构件

关键构件是指失效可能引起结构的连续破坏或危及生命安全的严重破坏的构件。根据高规第3.11.2条文说明，工程师可根据实际情况确定关键构件，例如以下构件可指定为关键构件：1)底部加强部位的重要竖向构件；2)水平转换构件及与其相连竖向支承构件；3)大跨连体结构的连接体及与其相连的竖向支承构件；4)大悬挑结构的主要悬挑构件；5)加强层伸臂和周边环带结构的竖向支承构件；6)扭转变形很大部位的竖向(斜向)构件。

关键构件并不是越多越好，关键构件过多时，造成结构的耗能能力降低，反而对抗震不利，并且造成不必要的浪费。因此，应根据结构受力特点及耗能机制合理确定关键构件，对关键构件进行加强的方式包括提高关键构件的承载力和提高关键构件的延性。

1.1 底部加强区剪力墙

依据抗规，剪力墙弯矩和剪力调整系数见表1。从表1可知：1)底部加强区剪力墙的抗弯承载力不提高，说明了底部加强区宜先于非底部加强区出现抗弯屈服；2)底部加强区剪力墙的抗剪承载力显著提高，其调整系数远大于非底部加强区剪力墙的，说明了底部加强区不宜先于非底部加强区出现抗剪屈服；3)剪力墙的弯矩调整系数明显小于剪力调整系数，说明需保证剪力墙抗弯先于抗剪屈服。

剪力墙弯矩和剪力调整系数 表1

以剪力墙结构和框架-核心筒结构为例，列出典型的两种结构体系的平面布置情况，分别见图1(a)和图1(b)。图1(a)的剪力墙结构主要由四个角部剪力墙抗扭，且易出现拉力，例如，选取截面尺寸相同的同方向墙肢W1与W2的内力进行对比，W1和W2在水平地震作用下的拉力分别为6 106，16 031kN，扭矩分别为25，206kN·m，平面角部构件的拉力和扭矩明显比平面中部构件的大。图1(b)的核心筒外围剪力墙承担了70%以上整个核心筒的扭矩、弯矩和剪力。因此，把底部加强区受力较大的角部剪力墙和核心筒外围剪力墙指定为关键构件。由于其在罕遇地震作用下作为第一道防线先出现屈服，应保证构件屈服后结构仍具有较好的延性，可通过减小其轴压比或提高约束边缘构件配箍率的方式实现高延性的目标。

图1 底部加强区剪力墙示意图

1.2 水平转换构件及与其相连竖向支承构件

从抗规第6.2.2条和第6.2.5条可知，抗震等级一级的框支柱的弯矩放大系数为1.4，剪力放大系数为1.96，相比普通构件，明显提高了转换构件的抗弯、抗剪承载力。将水平转换构件及与其相连竖向支承构件指定为关键构件，对其进行加强的方式是提高其抗弯和抗剪承载力。

1.3 大跨连体结构的连接体及与其相连的竖向支承构件

以带钢桁架连廊(连廊49m跨，11m高)的框架-剪力墙结构为例，见图2(a)和图2(b)，通过荷载传递确定关键构件位置。从连廊构件轴力图(图3)可知，连廊荷载主要转换为斜腹杆的轴力，通过斜腹杆再传递至支承柱，支承柱受到连廊传来的弯矩和剪力较大。因此，把上述主要受力构件上下弦、斜腹杆和支承柱指定为关键构件。

图2 带连廊框架-剪力墙结构示意图

图3 连廊构件轴力分布图/kN

根据《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)[3](简称混规)第3.6.2条，采用“拆除构件法”模拟连廊的破坏情况，其中原模型连廊主要构件最大应力比(应力比=应力/极限强度标准值)为0.53，有较高的安全富余度。首先假定原方案(图4(a))1根下弦杆件失效后，下弦端部杆件出现破坏(最大应力比约为1.15)，见图4(b)，然后拆除破坏的下弦端部杆件后，左端竖杆、下弦右边端部杆件和上弦杆件发生破坏(最大应力比1.43)，再继续拆除上述破坏的杆件后，下弦跨中杆件继续出现破坏，最后整个连廊出现倒塌破坏；再假定1根腹杆失效后，下弦杆端部杆件出现破坏，构件破坏顺序与首先下弦杆件失效类似。说明了连廊的上下弦杆、斜腹杆和与其相连的竖向支承构件的破坏会引起连廊的整体倒塌，需要提高其安全储备，防止其出现连续倒塌。因此，对大跨连体结构的连接体及与其相连的竖向支承构件的抗震性能进行加强的方式应该是提高其抗弯和抗剪承载力，保证其具有足够的安全度。

图4 连廊构件应力比云图

1.4 大悬挑结构的主要悬挑构件

以带大悬挑(最大悬挑长度21.4m，悬挑箱体高18m)的钢框架-核心筒结构为例，吊柱、悬挑箱体和支承柱示意见图5。从1号悬挑翼悬挑箱体受力示意图(图6)可知，悬挑翼的主要荷载首先通过受拉吊柱传递给悬挑箱体，再通过悬挑箱体的受拉、受压斜撑和弦杆传递给核心筒支承柱，支承柱受到悬挑箱体传来的弯矩和剪力较大。因此，把上述主要受力构件吊柱、斜撑、弦杆和支承柱指定为关键构件。

图5 吊柱、悬挑箱体和支承柱示意图

图6 1号悬挑翼悬挑箱体受力示意图

采用“拆除构件法”模拟悬挑箱体的破坏情况，其中原模型悬挑箱体主要构件最大应力比为0.56(图7(a))，有较高的安全富余度。首先假定1根斜撑失效后，悬挑箱体1根竖杆出现破坏(最大应力比为1.31)，见图7(b)，然后拆除破坏的竖杆后，另外1根竖杆和2根斜撑出现破坏(最大应力为1.05)，再继续拆除上述破坏的杆件后，悬挑箱体大部分斜撑和竖杆出现破坏，从而导致整个悬挑翼出现倒塌破坏。说明了悬挑箱体的斜撑、竖杆、弦杆和与其相连的竖向支承构件的破坏会引起悬挑箱体的整体倒塌，需要提高其安全储备，防止其出现连续倒塌。因此，对主要悬挑构件及与其相连竖向支承构件的抗震性能进行加强的方式应该是提高其抗弯和抗剪承载力，保证其具有足够的安全度。

图7 箱体构件应力比云图

1.5 加强层伸臂和周边环带结构的竖向支承构件

设置加强层的目的是加强核心筒与周边框架的联系，提高结构整体刚度，控制结构位移。由于加强层的设置，使结构的楼层刚度、变形和剪力发生突变，以至整体结构传力途径发生改变，在地震作用下，加强层上、下层的构件容易发生破坏，因此，对加强层伸臂和周边环带结构的竖向支承构件的抗震性能进行加强的方式应该是提高其抗弯和抗剪承载力，保证其具有足够的安全度，避免因竖向支承构件的破坏导致加强层及其上部结构的倒塌，图8为加强层伸臂桁架、腰桁架和竖向支承构件示意图。

图8 伸臂桁架、腰桁架和竖向支承构件示意图

1.6 扭转变形很大部位的竖向(斜向)构件

以Y字形的8层框架-剪力墙结构为例，结构平面示意图见图9，由于结构的扭转效应较大，偶然地震作用下的最大位移比为1.55，说明地震作用下楼层的扭转角较大，角部竖向构件的剪力也较大，并且还可能存在较大拉力，使其受到轴向拉力、弯矩、剪力和扭矩的共同作用。例如，选取截面尺寸相同的同方向竖向构件(C1与C2，C3截面相同，W3与W4截面相同)内力进行对比，首层C1，C2，C3，W3和W4在设防地震作用下的拉力分别为4 205，3 205，1 680，6 694，5 362kN，平面角部构件的拉力比其他位置的拉力大25% ～150%，且角部延伸一跨的竖向构件仍存在较大的拉力。因此，角部两跨范围的竖向构件(图9中虚线方框内的角部框架柱)应指定为关键构件，其在罕遇地震作用下先于其他位置的竖向构件出现屈服，为保证构件屈服后结构具有较好的延性，可通过减小其轴压比或提高最小配筋率的方式实现高延性的目标。

图9 8层框架-剪力墙结构平面示意图

2 耗能构件

一般情况，框架-剪力墙结构、剪力墙结构和框架-核心筒结构的框架梁、连梁定义为耗能构件。选取典型项目说明耗能构件在罕遇地震作用下的耗能情况。图10为典型某框架-核心筒结构首层的剪力墙、连梁、框架柱和框架梁损坏云图，从图中的构件损坏情况发现，构件损坏程度从高到低的顺序为连梁、剪力墙、框架梁和框架柱。

图10 剪力墙、连梁、框架柱和框架梁损坏情况

2.1 框架梁耗能

一般情况，在地震作用下，中下部的框架梁首先出现损坏，接着损坏范围向上发展，最后发展至中上部楼层甚至顶部楼层的框架梁出现损坏，但框架梁的损坏程度不大，大部分框架梁出现轻微至轻度的损坏，少量出现中度至重度损坏，框架梁损坏较小的原因是梁构件设计时未考虑楼板与梁共同作用，梁配筋偏大，而大震下考虑了楼板与梁共同作用，一部分地震力由楼板承担，使梁内力减小。因此，对框架梁进行设计时，楼板可指定为弹性板或弹性膜，考虑楼板的刚度作用，减小梁构件配筋，提高框架梁的耗能比例。

2.2 连梁耗能

图11为典型某框架-核心筒结构在不同时刻剪力墙和连梁损坏顺序情况，其中带“/”表示连梁发生轻度损坏，“Δ”表示连梁发生重度损坏，“×”表示连梁发生严重损坏。在罕遇地震作用下，下部楼层的连梁首先出现损坏，然后损坏范围向上发展，最后发展至顶部楼层的连梁出现损坏，连梁的损坏程度较大，大部分连梁出现中度至重度的损坏，个别出现严重损坏。连梁作为主要的耗能构件，连梁构件的塑性耗能对剪力墙和柱等竖向构件的抗震性能起到有利作用。因此，对连梁进行设计时，连梁折减系数取值不宜过小，并适当提高连梁的配筋面积，以达到提高连梁耗能能力和延性的目的。

图11 不同时刻剪力墙和连梁损坏情况

3 框架梁柱节点验算

3.1 节点剪力设计值

根据混规，以顶层一级抗震等级的框架梁柱节点核心区的剪力设计值Vj计算为例，其计算公式见下式：

(1)

其中：

(2)

式中Mbua为根据框架梁实配钢筋面积计算的正截面抗震受弯承载力对应的弯矩值。

3.2 提高节点抗震性能措施

根据混规框架梁柱节点核心区的抗震承载力应符合以下计算公式：

Vj≤1/γRE[1.1ηjftbjhj+0.05Nηjbj/bc+

(3)

式中：ηj为正交梁对节点的约束影响系数；Asvj为核心区有效验算宽度范围内同一截面验算方向箍筋各肢的全部截面面积；s为核心区箍筋间距。

从式(3)可知，提高节点抗震性能的方法包括：1)加强节点区箍筋；2)增强框架梁对梁柱节点区的约束(梁宽度小于1/2柱宽度时有效)，可适当加大框架梁的截面宽度或框架梁端部设置水平加腋，以加大框架梁对梁柱节点的约束宽度。

4 弱连接楼板

4.1 弱连接楼板在抗震中作用

一般情况下楼板为非抗震构件，不考虑楼板的抗震性能，其主要作用是约束竖向构件协同工作和传递水平力。从实际工程的楼板损坏情况发现：1)常规结构楼板的损坏程度较轻；2)存在细腰或连接体的结构，细腰和连接体处的楼板损坏程度较大，其楼板损坏分别见图12(某39层部分框支剪力墙结构带细腰楼板损坏图)[4]和图13(华策国际大厦结构带连接体屋楼板损坏图)[5]。

图12 某39层部分框支剪力墙结构带细腰楼板损坏图

图13 某双塔连体结构连接体层楼板损坏图

虽然楼板为非抗震构件，但为保证结构平面的完整性，以有效约束竖向构件协同工作和传递水平力，楼板在设防地震作用下承载力宜满足不屈服要求，在罕遇地震作用下不应发生破坏，否则结构体系将不成立。

因此，为保证结构的整体性，细腰处的楼板和框架梁应定义为关键构件，提高其承载力和延性。

4.2 弱连接楼板弹塑性分析方法对比

以某39层部分框支剪力墙结构为例，说明弱连接楼板的损坏和破坏情况，其中细腰处的楼板厚度为200mm，框架梁截面为300mm×900mm，其标准层结构平面布置图见图14。

图14 标准层结构平面布置图

表2为静力和动力弹塑性对比结果，从表2结果可知：1)动力弹塑性的基底剪力比静力弹塑性的基底剪力小11%～18%，最大层间位移角大20%～40%。2)静力弹塑性楼板采用刚性板，不能反映细腰处的构件损坏情况(图15)；动力弹塑性发现细腰处的楼板和框架梁损坏严重(图12和图16)，损坏后塔楼的整体变形也进一步加大。

静力和动力弹塑性对比结果 表2

图15 静力弹塑性构件损坏

图16 动力弹塑性构件损坏图

因此，对于平面细腰的结构，采用静力弹塑性分析不能反映薄弱位置的构件性能和变形，结构偏于不安全，应采用动力弹塑性分析。

4.3 楼板抗震承载力验算

常规项目可仅进行楼板在设防地震作用下的抗拉承载力验算，楼板按双层双向配筋时按式(4)验算[6]：

As=N/2ξfyk

(4)

式中：As为楼板抗拉验算的配筋面积；fyk为钢筋强度标准值；ξ为材料利用系数。

但细腰和连接体处的楼板在大震作用下损坏较大，除了将弱连接处的楼板和框架梁定义为关键构件外，还应补充大震作用下的楼板抗拉不屈服和抗剪截面验算，其中抗剪截面验算可根据广东省《高层建筑混凝土结构技术规程》(DBJ 15-92—2013)[7]第11.2.23条，见下式：

Vf≤0.12βcfckbctc

(5)

式中：Vf为按弹性楼板模型计算的楼板剪力；bc，tc分别为楼板的宽度和厚度；βc为混凝土强度影响系数；fck为混凝土强度抗压标准值。

以某双塔连体结构连接体处楼板抗剪截面验算为例，连接体层平面布置图和楼板编号见图17。考虑两个塔楼相对变形对连接体位置楼板产生面内剪力，内力取值由弹性楼板计算的应力值积分所得。以下选取剪力较大的楼板区域进行大震抗剪截面验算，见表3，经验算，楼板的抗剪截面验算结果满足要求。

图17 连接体层平面布置图和楼板编号

楼板抗剪截面验算 表3

5 结论

(1)应根据构件的受力特点和耗能机制确定关键构件，对关键构件的抗震性能加强方式分为提高其延性和承载力。对于受力较大且需要参与耗能的关键构件宜通过提高其延性的方式进行加强，比如底部加强区剪力墙和扭转变形较大的竖向构件；对于受力较大且容易发生连续破坏的关键构件应通过提高其承载力的方式进行加强，比如水平转换构件及与其相连竖向支承构件，大跨连体结构的连接体及与其相连的竖向支承构件，加强层伸臂和周边环带结构的竖向支承构件等。

(2)梁构件抗弯配筋面积越大，对节点抗剪越不利，施工图设计中不宜盲目加大框架梁支座的纵向受力钢筋配筋面积。

(3)平面细腰结构采用静力弹塑性分析不能反映薄弱位置的构件性能和变形，结构偏于不安全，应采用动力弹塑性分析。在抗震性能设计中，弱连接楼板仅在设防地震作用下进行不屈服验算不能有效保证结构平面的完整性，建议将弱连接处的楼板和框架梁定义为关键构件，并补充罕遇地震作用下抗拉不屈服和抗剪截面验算。