百郦湾项目超限复杂高层组合结构动力弹塑性分析

冯喜军，周 磊，杨 杰，齐 欣

（1.甘肃建总置业发展有限公司，甘肃 兰州 730050；2.甘肃建投科技研发有限公司，甘肃 兰州 730050）

0 引言

对高层建筑而言，一般按照 GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》［1］的“三水准，两阶段”进行高层结构的设计，而超限复杂高层建筑还需要进行专门的论证分析及研究。本文针对甘肃省一典型超限复杂高层项目——甘肃建投地产·百郦湾项目，进行罕遇地震作用下的动力弹塑性分析。采用 PERFORM 3D 软件进行结构的非线性弹塑性分析，选取一组人工波和两组天然波在大震作用下主要受力构件的力学性能，研究关键构件的受力变形特点，并提出有效的加强措施及建议，保证结构在大震下的安全可靠。

1 工程简介

本项目位于兰州市七里河区大滩村，南滨河路以南，T088# 规划路以东，B097# 规划路以北。本项目拟建一栋高层酒店办公楼，总建筑面积约为 7.98 万 m2。其中地上 25 层，地下 2 层，建筑面积约 5.83 万 m2，结构高度 99.0 m。裙房为 6 层，高 28.1 m，建筑功能为办公大堂及酒店大堂、商业、宴会厅及餐厅等。5F～13F 建筑功能为办公，14F 为设备转换层，15F～25F 建筑功能为酒店，其中在 23F 有一个两层通高的室内泳池。其中 1 层高为 5.10 m，2 层至 4 层层高为 5.0 m，5F～13F 层高为 4.0 m，14F 设备层层高为 2.1 m，15F～22F 层高为 3.6 m，23F 层高为 4.1 m，24F 层高为 4.3 m，25F 层高为 3.6 m。建筑效果图如图 1 所示。

图1 建筑效果图

2 主要设计参数及荷载取值

本工程设计使用年限及耐久性均为 50 年，建筑结构安全等级为二级，γ0=1.0，设防分类为标准设防类（丙类），本工程与岩土直接接触的基础（含连系梁）、地下室底板两侧、侧壁两侧、顶板外侧、屋面及室外露天构件（含混凝土雨篷构件等）以及水池的环境类别为二 b 类，地下室内部的其他构件为二 a 类，其余构件为一类。

根据 GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》，结构的抗震设防具体参数如表 1 所示。

表1 结构抗震设防的设计基本参数

3 结构体系及结构布置

本结构采用部分框支剪力墙结构（转换层设置在 5F），其地下部分为两层完整的全埋地下室，故结构嵌固端取在地下室顶板。结构整体三维模型如图 2 所示。

图2 结构整体三维计算模型图

转换柱为十工劲型钢混凝土柱，截面尺寸为1 700 mm×1 700 mm（H1000×700×30×30），转换梁为工形劲型钢混凝土梁，截面尺寸为 1 700 mm×2 300 mm（H 1 800×700×30×30）上托 600 mm 厚钢板剪力墙，钢板厚 20 mm，转换层楼板厚 180 mm，主要构件截面信息如表 2 所示。

表2 结构主要构件截面信息

根据住房和城乡建设部发布的《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》（建质〔2015〕67 号）［2］，本建筑结构存在以下超限情况：

1）楼层总高度超部分框支剪力墙结构 A 级最大适用高度［3］；

2）裙房顶角部位移比＞1.3且＜1.4，塔楼位移比＜1.25，个别楼层质心存在偏心；

3）2F 酒店大堂上空和 5F 右侧宴会厅上空楼板不连续；

4）刚度突变（13F，14F 设备层层高 2.1 m），竖向体型收进；

5）构件间断（局部剪力墙不连续，在 5F 顶转换）；

6）局部穿层柱、局部斜柱；

7）塔楼偏置；

8）局部高位托墙转换（转换层处于 5F）。

4 罕遇地震作用下动力弹塑性分析

本项目存在局部楼层质心偏心、酒店大堂及宴会厅楼板不连续等 8 项超限情况，属于复杂超限高层建筑，应对其在大震作用下的动力弹塑性进行研究分析。

本项目采用 PERFORM 3D 软件进行结构的非线性弹塑性分析，选取一组人工波和两组天然波，分析结构在大震作用下，结构主要受力构件的力学性能、塑性发展分布及趋势，考察整体结构的薄弱点及塑性发展机制，研究关键构件的受力变形特点，提出设计加强措施及建议，保证结构在大震下的安全可靠。

4.1 结构分析模型

在 PERFORM 3D 中建立空间三维非线性分析模型，需满足如下条件：

1）剪力墙单元为 4 节点单元，具有平面内的弯曲、竖向拉压和剪切行为，平面外则仅考虑受弯刚度；

2）墙单元截面采用含钢筋纤维和混凝土纤维的纤维截面及非弹性剪切纤维来模拟，并通过这两种纤维的轴向拉压和弯曲来反应整片墙的平面内行为，可以模拟轴力P和弯矩M的相互作用以及中性轴的偏移，剪力墙中钢筋的屈服利用钢筋纤维材料的屈服来实现，剪力墙中混凝土的开裂及压碎需要通过混凝土纤维材料的变形来模拟，而剪切行为的模拟则需要利用非弹性剪切材料来实现；

3）连梁采用跨中设置剪切铰的杆单元模拟，框架梁、柱均采用集中塑性铰模型，楼板采用刚度楼板假定；

4）结构荷载（恒载及活载）考虑为点、线荷载；

5）质量源按下式进行计算：W=1.0DL +0.5 LL。

4.2 罕遇地震作用下结构的层间位移角

本工程在大震作用条件下，输入地震波主方向加速度值 400 cm/s2，选取一组人工波和两组天然波分析结构的最大层间位移角是否超过规范限值，地震加载方式为主次波分别加载，并考虑三向地震作用。

结果表明，最大弹性位移角出现在输入人工波 1 时，且以Y向为主方向输入时地震反应大于以X方向为主方向，结构弹塑性层间位移角如图 3、图 4 所示。

图3 人工波 1（主波以 X 向为主）层间位移角

图4 人工波 1（主波以 Y 向为主）层间位移角

4.3 罕遇地震作用下结构构件性能

根据结构模型在人工波 1（主波以Y方向为主）的分析结果，结构在人工波 1（主波以Y向为主）罕遇地震作用下，框梁考察 LS 极限状态（使用安全状态），连梁考察 CP 极限状态（防止倒塌状态），主体结构中仅有部分框架梁、多数的连梁以及个别的剪力墙达到设定的变形和极限承载力状态，满足罕遇地震不倒的设计要求。其中转换梁的受拉及受压应变均处于较小状态；转换梁上一层的剪力墙处于设定的弹性剪切强度的 2 倍范围内，需加 20 mm 厚钢板以提高剪力墙的抗剪承载力并满足剪力墙抗剪不屈服；框柱考察 IO 极限状态（直接居住状态），底层转换柱钢筋受拉应变超过屈服拉应变，故需加强转换柱的配筋以满足转换柱在罕遇地震作用下不屈服。

5 结论

本文通过对超限复杂高层项目-甘肃建投地产·百郦湾项目进行大震下的动力弹塑性时程分析，结合结构层间位移角的对比和结构构件性能状态的研究，得到以下结论：

1）结构在罕遇地震作用下，最大弹性位移角出现在输入人工波 1 时，且以Y向为主方向输入时地震反应大于以 X 方向为主方向。

2）在人工波 1（主波以Y方向为主）的分析结果中可以看出，剪力墙大部分连梁均出现了较为严重的受压损伤，最大层间位移角出现在 24 层，满足大震下层间位移角限值。

3）结构在人工波 1（主波以Y向为主）罕遇地震作用下，主体结构中仅有部分框架梁、多数的连梁以及个别的剪力墙达到设定的变形和极限承载力状态，满足罕遇地震不倒的设计要求。Q