某高层办公楼结构抗震性能分析

吴颖

中铁上海设计院集团有限公司 上海 200070

1 工程概况

某高层办公楼采用钢框架结构，结构高度为47.1m。地下2层，地上11层，首层和二层层高4.5m，其余层层高4.2m。结构的安全等级为二级，设计基准期为50年，抗震设防烈度为7度（0.10 g），抗震设防类别为丙类，场地类别为Ⅳ类。计算三维模型见图1。

图1 计算三维模型

由于建筑造型导致底部两层收进与架空，存在竖向构件不连续的情况，针对不连续的竖向构件，采用了斜柱进行转换。因建筑内部空间要求，底层设两层通高的办公大堂，存在穿层柱、二层楼板不连续。此外，由于建筑造型及功能要求，十层结构收进大于相邻下层的25%。综上所述，结构存在扭转不规则、楼板不连续、侧向刚度不规则、竖向抗侧力构件不连续4项一般不规则条目，无特别不规则条目，判定属于超限高层建筑。

结构抗震性能目标根据抗震设防类别、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综合考虑后确定。根据该结构的自身特殊性，针对其结构体系特点及超限情况，结合《高钢规》[1]，设定本单体的抗震性能目标为C级，详表1。

表1 抗震性能目标

2 多遇地震作用下弹性计算分析

考虑到结构的复杂性，计算分析采用两种符合实际情况的不同力学模型的空间有限元分析程序YJK和MIDAS进行分析比较，并采用考虑扭转耦联的振型分解反应谱法，保证分析的准确性和完整性。计算结果均满足规范要求，说明计算结果合理、有效，计算模型符合结构的实际工作状况。且两种计算软件的分析结果接近，结构动力特性基本吻合，结构的自振周期、层间位移角、位移比等指标接近，误差在模型计算可接受范围，详见表2。

表2 结构方案指标对比

3 罕遇地震作用下弹塑性计算分析

弹塑性时程分析方法把结构作为弹塑性振动体系，输入地震波数据，计算分析在地面加速度随时间变化的期间内，结构内力、变形随时间变化的全过程。结构弹塑性分析模型根据构件的实际配筋搭建，通过对材料本构关系的定义可以模拟构件的实际力学性能，通过地震波的完整输入可以反映结构的实际地震响应，结构弹塑性动力时程分析是一种精度及可靠性均很高的用于考察结构实际抗震性能的分析方法。

本工程进行弹塑性时程分析的主要目的为：对结构进行性能评估，分析结构在罕遇地震作用下的最大弹塑性层间位移角能否满足规范的要求；得到满足工程精度要求的计算结果，为设计提供依据。详细来说是为了发现结构在大震作用下的潜在破坏机制，找出相应的薄弱部分，从而加强薄弱部分，使结构整体达到预定的抗震性能要求。

计算软件采用高性能结构动力弹塑性计算软件PKPMSAUSAGE。钢材采用双线性随动硬化模型，不考虑刚度退化。钢材的强屈比为1.25，极限应力对应的极限塑性应变为0.025。杆件非线性模型采用纤维束模型，用于模拟梁、柱、斜撑和桁架等构件。

本工程选用特征周期1.1s的三组地震波进行大震下的动力弹塑性时程分析[2]，其中采用两组天然波H001TG110_CHUETSU-OKI_7-16-2007_NIG014、SHW11及一组人工波SHW8进行计算。

为了确保Sausage分析模型的准确性，与YJK模型对比主要自振周期，见表3。两个软件计算的前三阶自振周期差异在5%以内，说明Sausage模型计算具有一定的可靠性。

表3 结构自振特性

图2为各地震波的最大层间位移角曲线，结构在罕遇地震作用下X、Y两个方向平均层间位移角均满足规范中弹塑性层间位移角限值1/50的限值要求，从层间位移角曲线未发现明显的薄弱层。

图2 层间位移角

《高钢规》第3.8节关于结构抗震性能设计，将结构的抗震性能分为五个水准，对应的构件损坏程度分别为“无损坏、轻微损坏、轻度损坏、中度损坏、比较严重损坏”五个级别。在SAUSAGE中构件的损坏主要以混凝土的受压损伤因子、受拉损伤因子及钢材（钢筋）的塑性应变程度作为评定标准。

选取一条在X方向地震响应比较大的波，对该结构进行性能评估[3]。由图3地震作用下钢框架梁的性能水平可知，大部分钢框架梁为轻微损伤，部分达到轻度损伤，大震下框架梁仍有较大的延性，满足性能目标。由图4地震作用下框架柱性能水平可知，大部分框架柱都在轻微损伤和轻度损伤的范围，框架柱未屈服，满足性能目标。由图5地震作用下二层楼板的性能水平可知，大震下楼板基本无损伤，满足性能目标，其余各层楼板情况类似。

图3 天然波SHW11-X梁性能水平

图4 天然波SHW11-X柱性能水平

图5 天然波SHW11-X二层楼板性能水平

4 结束语

通过对某超限高层办公楼进行多遇地震的弹性分析和罕遇地震作用下的结构性能化分析，得出以下结论：

根据YJK 和MIDAS GEN两种软件的对比分析结果，结构在多遇地震作用下处于弹性阶段，满足规范要求。

罕遇地震作用下，结构平均层间位移角均满足规范1/50的限值要求，从层间位移角曲线未发现明显的薄弱层。

罕遇地震作用下，大部分框架梁处于无损坏或轻微损坏，部分框架梁轻度损坏，起到耗能的作用；底层框架柱和斜柱处于轻微损坏及轻度损坏，能够达到大震下性能水准4的要求；楼板基本处于无损坏状态，二层有部分楼板轻微损坏，能够达到大震下性能水准4的要求。结构整体抗震性能与预期塑性化过程吻合。

结构整体抗震性能良好，与预期塑性化过程吻合，能够达到预定的大震下性能目标，认为该工程的结构设计是安全可靠的。