某超限高层结构抗震设计与分析

朱忠漫

安徽省建筑设计研究总院股份有限公司 安徽 合肥 230601

1 工程概况

该项目地处合肥市庐阳区，钢筋混凝土框架-核心筒结构，结构高度149.45m，地下两层，地上36层，其中1至2层被用作大堂和餐厅，层高分别为4.7m和4.1m；13F和25F为避难层，层高均为4.5m；其余楼层主要为办公，层高均为4.1m。

该项目设计使用年限50年，所处区域地面粗糙度属于B类，50年重现期的基本风压取0.35kN/m2，阻尼比取0.05；抗震设防有关参数如下：设防烈度为7度（0.10g），地震分组是第一组，场地类别是 Ⅱ 类，标准设防类。按照《高层建筑混凝土结构技术规程》即《高规》相关规定，剪力墙的抗震等级-2层为二级，-1层及以上为一级；框架的抗震等级-2层为二级；-1层及以上为一级[1]。

2 超限情况和抗震性能目标

2.1 超限判别

本项目结构高度大于130m但小于180m，竖向无收进，高宽比4.43小于7；考虑偶然偏心影响的扭转位移比大于1.2且小于1.4，楼板开洞面积占同层楼面面积的35%。依据《高规》和建质〔2015〕67号《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》，可判断本工程属于B级高度且有两项一般不规则项的超限高层建筑。

2.2 抗震性能目标

根据《高规》规定并结合各种因素，确定了该项目的抗震性能目标为D+级（介于C至D级之间）。为使该项目中各类构件均能满足其相应抗震性能目标需达到的具体设计要求如下表1所示[2]。

表1 满足抗震性能目标具体设计要求

3 地震作用计算与分析

3.1 多遇地震作用下弹性反应谱分析

该项目选取SATWE和MIDAS Building两个软件，对多遇地震下结构整体抗震指标及各部位构件受力情况进行计算并复核包络。在考虑偶然偏心和双向地震的影响下，两种软件的计算结果见表2，说明：

表2 多遇地震下的CQC法计算结果对比

3.1.1 该结构在多遇地震作用下的整体处于弹性阶段，所有构件的承载力及变形都符合设计要求；

3.1.2 两个软件在计算过程中所得到的主要控制指标相差不大，都达到了规范的要求，从而说明了两个软件所得到的结果是合理和可靠的[3]；

3.1.3 前两个周期都是平动周期（T2/T1＞0.8)，第三个周期是扭转周期（T3/T1＜0.85），扭转位移比小于1.4，这表明了结构在两个方向上的动力特性比较接近，而且抗扭刚度也比较好。

3.2 多遇地震作用下弹性时程分析

根据《抗规》第5.1.2条，选用的2条人工波和5条天然波进行弹性时程分析补充计算。计算结果如下图1显示，地震波平均谱曲线和规范谱曲线在T1、T2和T3前三大振型周期点的误差分别是-7.98%、-7.51%、5.20%，都小于20%，说明地震波的选取符合规范要求。

图1 多遇地震时程分析与规范谱对比图

对弹性时程计算的结果和反应谱法的分析结果进行了比较。从结构反应特征和变化规律两方面来说，两种分析方法所计算出的结果吻合较好，在单条地震波作用下，底部剪力及层间位移角均位于CQC计算结果的65%～135%之间，在多条地震波作用下的底部剪力及层间位移角的平均值位于CQC计算结果的80%～120%之内，并且层间位移角最大值均小于1/767。该项目依据规范规定取振型分解反应谱法计算结果与七条时程曲线分析结果平均值两者的较大值进行地震作用计算[4]。

3.3 设防烈度及罕遇地震作用下等效弹性反应谱分析

根据上述抗震性能设计的要求，结构使用SATWE程序进行“中震弹性”、“中震不屈服”和“大震不屈服”分析。从结果可以看出：

3.3.1 在设防烈度地震作用下，结构的底部剪力是众值烈度地震作用下的2.57～2.64倍；在罕遇地震作用下，结构的底部剪力是众值烈度地震作用下的5.67～5.69倍，说明计算结果可信。

3.3.2 在设防烈度地震下，结构的层间位移角为1/400～1/267；在罕遇地震作用下，结构的层间位移角不超过1/100，分析结果满足规范对该结构的整体抗震性能目标定位为C至D级的要求。

3.3.3 配筋结果表明：在设防烈度地震作用下，核心筒墙肢和框架柱处于“抗剪弹性、抗弯不屈服”状态，框架梁和连梁满足“抗剪不屈服”要求；在罕遇地震作用下，关键构件处于“抗剪不屈服”状态，普通竖向构件满足“抗剪截面剪压比”要求，所有结构构件均能满足抗震性能设计目标的要求[5]。

3.3.4 在中震双向水平地震作用下，部分剪力墙墙肢出现拉应力，依据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》（2015版）要求，将出现拉应力的剪力墙的抗震构造措施提升1级，按照特一级设计，并且在底部加强区1至4层高度范围内对筒体六个角部布置型钢。

3.4 罕遇地震作用下动力弹塑性时程分析

为了解结构在罕遇地震作用下的破坏情况，并对结构的弹塑性变形进行复核，本项目拟以SAUSAGE为计算工具，选择1组人工波（R1波）与2组天然波（T1、T2波）双向输入，进行动态弹塑性分析。

在对三种地震波作用下的结构弹塑性层间位移角进行分析，可以得出：地震波作用下的结构大震弹塑性层间位移角的最大值均出现在结构的中下部区域，与CQC法的计算结果基本吻合。在考虑了重力二阶效应和大变形的情况下，该结构在地震作用下的最大位移为0.441m，X向和Y向的弹塑性层间位移角最大值分别为1/258和1/273，都小于1/100，符合规范中对弹塑性层间位移角的限制要求，达到了“大震不倒”的抗震设防标准。

构件损伤情况分析结果显示：

3.4.1 包括底部加强区在内的各层剪力墙、框架柱的破损程度都很轻，仅有少数部位的墙肢处于轻微～轻度损坏。在罕遇地震作用下，结构的整体抗震性能基本维持良好，各构件抗震承载力都达到了前述设定的抗震性能目标要求。

3.4.2 根据构件的钢筋屈服情况和破损程度说明，在罕遇地震作用下，关键构件和普通竖向构件的纵筋应力都小于其相应的屈服强度，并且没有发现剪力墙存在剪切破坏，水平钢筋的应力也没有达到其相应的屈服强度，也就是说剪力墙和柱都处于未屈服状态。

3.4.3 墙体的破坏以连梁为主，在罕遇地震作用下，大部分楼层的连梁都受到了较为严重的破坏，即承担了主要的耗能功能。

3.4.4 在罕遇地震作用下框架梁的整体破坏程度为轻微～轻度破坏，仅有极少楼层的框架梁出现比较严重的破坏，但所有梁钢筋均未进入屈服状态[6]。

4 结束语

通过采用 Building与SATWE两种计算程序分析结构在小震作用下的反应，计算结果各项指标基本吻合，这表明计算程序的选用是适用的、假设是正确的，且计算结果是可靠的。

通过对设防地震、罕遇地震的等效弹性反应谱分析及罕遇地震的动力弹塑性分析，表明该结构层间位移角均符合规范规定，所有构件的性能水平均能达到预先设定的抗震性能目标。

从各构件的破坏形态上看，该结构具有“强柱弱梁”的特点，耗能构件首当其冲的消耗了主要的地震作用，避免关键构件及普通竖向构件过早过量发现破坏，是双重抗侧力体系，符合抗震概念设计要求。

通过补充小震下的弹性时程计算，并与设防烈度、罕遇地震作用下的性能化分析结果包络设计，不仅确保结构在平时持久设计状况下的能正常使用且安全可靠，同时也达到了多遇地震作用下结构不破坏、设防地震作用下关键构件不屈服并且修复后可继续使用、罕遇地震作用下结构可发生部分破坏但不倒塌等抗震设防目标。