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摘要：宜兴东氿RBD-A地块6#7#楼为钢筋混凝土剪力墙结构超限高层住宅。针对结构具有的高度超限、平面不规则等特征，提出了相应的抗震性能目标，利用MIDAS Building对结构进行动力弹塑性时程分析，研究结构在大震下的动力响应，发现结构薄弱部位，提出相应加强措施。分析结果表明，大震作用下，结构整体性能良好，满足罕遇地震下的性能目标。
关键词：超限高层、剪力墙结构、动力弹塑性时程分析
一、工程概况
宜兴东氿RBD-A地块项目位于江苏省宜兴市，项目由7栋高层住宅塔楼、4栋商业用房及两层地下车库组成。6#7#楼为超限高层剪力墙结构住宅，6#楼45层，主体结构高度139.85m；7#楼48层，主体结构高149.15m。塔楼首层层高7m，标准层层高3.1m。场地内设两层全埋地下室，主楼下设三层地下室，层高分别为4.3m、3.3m、2.9m。两栋楼平面完全一致，仅层数相差三层，高度相差10.7m，经过多遇地震规范谱分析对比，两栋楼动力特性基本一致，本文仅以较高的7#楼作为研究对象。
本工程抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度0.1g，设计地震分组为第一组，建筑抗震设防分类为丙类。场地土类别为II类。设计使用年限为50年。
二、结构特点及性能设计
7#楼位于地块北面，紧邻解放东路，建筑平面尺寸均为50.8mx16.8m，结构高宽比达8.87。因塔楼首层与地下室顶板存在一层的高差，故计算嵌固端取在全埋地下室底板。地下室顶板不设永久性结构缝，顶板以上塔楼与商业裙房之间设变形缝分开。缝宽大于塔楼在商业裙房顶处罕遇地震下相应的结构侧向位移，并不小于规范构造要求。因功能需求及抗侧力需要，结构布置了大量Y向长剪力墙及端柱，为满足首层7m与2层3.6m层高导致的刚度差及剪力墙稳定性需要，墙体在首层厚度提高到400，标准层逐渐收为200厚，标准层平面详图1。
图1 标准层结构平面布置图
参考《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3）（以下简称高规）、《建筑抗震设计规范》（GB50011）（以下简称抗规）及《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，对结构的不规则项进行了检查，本栋结构高度超过A级高度钢筋混凝土结构最大适用高度，但不超过B级高度。且存在凹凸不规则项，平面凹进尺寸为相应边长的47.8%。根据抗震专项审查的要求，需进行弹塑性分析，以考察结构在罕遇地震作用下的响应，发现结构薄弱部位，采取加强措施，确保结构满足“大震不倒”的抗震设防目标。
根据工程的超限情况，参照高规3.11.1条条文，确定本工程结构抗震性能目标为“ C ”。在罕遇地震时的抗震性能目标为：关键构件底部加强区剪力墙正截面不屈服，斜截面不屈服；普通竖向构件正截面允许部分屈服，斜截面允许部分屈服，但应满足抗剪截面；耗能构件框架梁及连梁，允许充分形成塑性铰。
三、地震动参数选取
根据高规4.3.5条规定，多遇地震动力弹性时程分析选取满足规范要求的5条天然波和2条人工波，各条地震波频谱与规范反应谱曲线对比见图2。动力弹塑性分析时选取其中2条天然波和1条人工波，地震波输入方向依次选取结构X、Y方向作为主方向分别对结构施加，天然波和人工波均采用了水平双向地震输入，主次方向地震波加速度峰值比例取1：0.85，主方向地震波加速度峰值为220gal，特征周期为0.4s。
图2 各条地震波与反应谱曲线对比
四、动力弹塑性时程分析
在进行非线性分析之前，应检查验证结构动力特性，本工采用2个不同力学模型的分析软件PKPM SATWE和MIDAS Building进行结构分析计算，两个模型前三阶振型的周期和振型方向见表1，由表可知结构动力特性基本一致，说明以此模型进行动力弹塑性时程分析，结果可以得到有效保证。
弹塑性动力时程分析不仅能对结构进行定性分析，同时又可给出结构在罕遇地震下的量化性能指标，并得到结构在各个时刻的真实地震反应。分析时要考虑结构几何非线性，即P-△效应、材料非线性，建立材料应力应变关系模型来模拟钢筋混凝土的非线性，模拟结构弹塑性发展。本工程弹塑性分析应达到如下目的：评价该建筑在罕遇地震下的弹塑性行为，根据主要构件的塑性损伤情况和整体变形情况，确认结构是否满足“大震不倒”的设防水准；研究结构在大震作用下的基底剪力及最大层间位移角；针对结构薄弱部位和薄弱构件提出相应的加强措施，以指导后续设计。
本工程采用MIDAS Building进行动力弹塑性分析，软件提供各种滞回模型、材料本构模型，通过高效的计算分析，给出丰富多样的后处理结果，能既快速、简便、准确地进行分析，又能输出实用美观的计算结果。
构件力学模型梁柱构件均采用弯矩旋转角类型单元，梁铰为弯矩铰（My，Mz），框架柱铰为考虑轴力弯矩耦合的轴力-弯矩铰（P-My-Mz），梁柱铰特征值均采用考虑刚度退化的修正武田三折线模型。非线性墙元使用纤维模型，混凝土单轴应力应变-曲线取《混凝土结构设计规范》附录C.2条中提出的混凝土模型，剪切本构关系选用三折线类型。钢筋采用理想弹塑性材料本构关系。竖向荷载施加在梁和剪力墙上，动力弹塑性时程分析初始状态荷载取1.0DL+0.5xLL。
五、动弹分析结果及抗震性能评价
通过计算，得到各条地震波作用下，各楼层弹塑性层间位移角曲线见图3，最大层间位移角见表2，由表可知，X向最大层间位移角为1/130（人工波1，20层）；Y向最大层间位移角为1/143（天然波3，41层），均满足规范限值1/120的要求。
图3 X向（左）、Y向（右）弹塑性层间位移角曲线
各条地震波作用下，结构小震弹性时程分析得结构基底剪力及大震弹塑性时程分析的结构基底剪力对比见表3，由于部分结构构件损伤进入弹塑性，使得以小震等效得的大震弹性基底剪力大于弹塑性结构基底剪力，所以比值结果在合理范围以内。结构在三条地震波作用下的性能基本一致，故选取底部地震响应较大且具有代表性的人工波1的性能结果加以说明。
在大震作用下，具有相当比例的框架梁连梁进入第二屈服阶段，发挥了良好的耗能构件的作用。耗能构件进入第二屈服阶段的比例约为2/3，且尚未进入第三屈服阶段，因此框架梁及连梁不至于发生破坏。在X向地震作用下有98%以上混凝土处于第一应变状态（压应变），仅1.4%处于第二应变状态。在X向地震作用下有99%以上钢筋处于第一应变状态，0.8%处于第二应变状态，0.2%处于第三应变状态。Y向与X向较为接近。在X向地震作用下有92.8%以上混凝土处于第1应变状态（剪应变），有3.9%处于第2及第3应变状态，有4.2%处于第4应变状态及以后（主要集中在底部剪力墙墙梁处），Y项亦接近。见图4
图4 X向地震墙铰状态-剪应变等级 Y向地震墙铰状态-剪应变等级
由图5可知，在Y向地震作用下框架梁开裂、屈服有序，至第24s时程点时塑性铰基本稳定，结构通过框架梁屈服作为第一道耗能防线，有效的保护了竖向构件，实现了良好的耗能机制。
第8s时程点 第14s时程点 第24s时程点
图5 Y向地震作用下框架梁出铰顺序
由以上结果可知，在大震作用下，相当部分框架梁连梁两端屈服形成弯曲塑性铰耗能，但耗能构件未进入第三屈服阶段，框架梁连梁不至于发生破坏，满足性能目标。剪力墙混凝土压应变等级基本处于第一应变等级状态，即轻微损坏，可认为是弹性状态。剪力墙钢筋应变等级基本处于第一应变等级状态，即轻微损坏，可认为是弹性状态。剪力墙混凝土剪切应变等级基本处于第一应变等级状态，即轻微损坏，可认为是弹性状态。约4%处于第4应变状态及以后，即重度损坏，可认为是屈服后状态，但这部分主要是在底部楼层的墙梁及极少部分墙梁周边的剪力墙，需采取构造措施保证结构延性。
六、结论
（1）在罕遇地震作用下，结构最大层间最大位移角分别为为1/130（X向）和1/143（Y向），满足规范限值1/120的要求，结构满足“大震不倒” 的基本要求。
（2）在罕遇地震作用下，塔楼结构主要抗侧力构件没有发生严重破坏，大部分连梁和框架梁屈服耗能，这说明结构是“梁铰破坏”机制，通过连梁和框架梁的屈服作为第一道耗能防线，实现良好的耗能机制可以起到耗能的作用并延缓主体结构的损失。
（3）罕遇地震作用下，剪力墙混凝土及钢筋应变基本处于第一应变状态，剪力墙损伤程度较小。
（4）底部加强区极小部分墙体开洞位置局部出现剪切屈服，此部分墙体通过加长端部约束边缘构件范围及加大端部约束边缘构件箍筋配筋率，增大墙身配筋率等加强措施，保证满足罕遇地震下的抗震性能目标。
参考文献：
[1] 潘近乐，陈波，陈相. 宜兴东氿RBD-A地块6#7#楼超限设计可行性论证报告［R］.深圳：深圳机械院建筑设计有限公司.2018.
[2] GB 50011—2010 建筑抗震设计规范［S］． 北京：中国建筑工业出版社，2016．
[3] GB JGJ3—2010 高层建筑混凝土结构设计规程［S］． 北京：中国建筑工业出版社，2010.
论文作者:陈波
论文发表刊物:《建筑模拟》2019年第33期
论文发表时间:2019/10/10
标签：结构论文; 塑性论文; 应变论文; 构件论文; 状态论文; 地震波论文; 动力论文; 《建筑模拟》2019年第33期论文;