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摘要：某超高办公楼项目为超A类高度办公楼，地下3层，地上40层，主要屋面高度179.9米，采用框架-核心筒结构体系，由于建筑平面宽度及核心筒宽度均较窄，结合建筑避难层设置钢支撑，为避免X向与Y向刚度相差过大，仅在Y向边榀框架上设置钢支撑，本项目采用PKPM系列软件中的SATWE模块，MIDAS Building软件对结构进行整体对比分析，本文简要介绍了采用MIDAS Building软件对结构罕遇地震作用下动力弹塑性时程分析。
1、工程概况
本办公楼项目位于安徽省合肥市滨湖新区用地面积约1.6万平方米，容积率6.0，总建筑面积约12.6万平方米。地上包含一栋179.9米超高层办公塔楼及7层裙房，地下设三层地下室。
项目地块占地平面尺寸约70m～105.6 x102m，地下3层，地上塔楼建筑层数40层（不包括三层构架），塔楼房屋高度179.9m，裙房7层，裙房房屋高度31.7m，地上各层层高均为4.5m，塔楼避难层层高4.4m，地下一层层高5.4m，地下二层层高4.8m，地下三层层高3.7m，主要建筑功能为办公，建筑效果图详见图1，建筑标准层平面图详见图2。
图1 图2
工程抗震设防烈度为7度，为避免平面严重不规则，在塔楼与裙楼交接部位设置抗震缝，使得塔楼与裙楼脱开，本文仅针对超高塔楼。
2、结构体系
本塔楼结构采用框架-核心筒结构，核心筒尺寸为36.6米x10.1米，Y向宽度较窄，为保证结构侧向刚度，结合建筑避难层位置，在12层、23层及34层避难层Y向边榀框架设置Y向腰桁架，并且为有效控制结构扭转效应，钢支撑设置在边榀框架上，支撑相关的框架梁及框架柱均设置钢骨。
3、结构罕遇地震下动力弹性时程分析
3.1罕遇地震弹塑性时程分析目的
（1）判断结构在大震作用下的破坏性质，考察结构整体变形和最大层间位移角，验证结构是否满足“大震不倒”的设防要求；判断主要抗侧力体系的损伤程度，包括剪力墙的弯压损伤和剪切损伤、连梁和框架梁的塑性铰的分布、柱铰的分布等；
（2）结构在大震作用下进入弹塑性反应阶段，运用动力弹塑性时程分布的方法，得到结构反应的时间历程，据此来评判结构的工作状态，具体评判指标包括顶层位移、层间位移角、基底剪力、底部倾覆弯矩等，并根据规范要求确认结构是否满足“大震不倒”的设防要求；
（3）获取主要抗侧力构件的塑性损伤分布，包括剪力墙的压弯和剪切损伤信息、框架梁柱以及连梁的塑性铰性质、分布、发展程度信息，判断主要抗侧力构件在大震作用过程中是否实现预定的性能目标水准；
（4）考察结构重要构件在地震作用过程中的传力途径和特点，监控大震下关键构件受力状态，保证大震作用下实现目标性能；
（5）根据分析结果，论证整体结构在大震作用下的抗震性能，判断结构是否存在薄弱层或者薄弱部位，并对结构设计提出改进意见。
采用动力弹塑性时程分析方法，直接给在自重作用下达到平衡状态的结构施加地震波加速度时程数据，通过逐步积分的方法，求得每一时刻结构的弹塑性反应，得到结构构件的内力和变形在地震作用下随时间变化的全过程。该方法可以完整的考虑到地震反应过程中地震波的幅值、频谱特性和持时三要素的影响，同时也完整的考虑了结构的动力特性。在确定的地震波输入弹塑性地震反应分析领域，该方法是目前技术手段中较精确的方法。
3.2 地震波输入
大震弹塑性时程分析所选用的单条地震波需满足以下频谱特性：
（1）特征周期与场地特征周期接近；
（2）最大峰值加速度复核规范要求（7度为220Gal）；
（3）持续时间不宜小于结构第一周期的5～10倍。
（4）时程波对应的加速度反应谱在结构各周期点上与规范反应谱相差不超过20％。
本工程弹性时程分析选择的两组天然波（天然波1-TH046TG045和天然波2-TH097TG045）和一组人工波（人工波-tg0.44）均能满足频谱特性的要求。弹塑性时程分析采用双向地震波输入，主次方向地震波峰值比为1：0.85；地震波有效持续时间均大于30s，主方向地震波峰值按规范的要求调整为220Gal，调整后三组地震波的加速度时程曲线如下图所示：
X1（人工波-tg0.44）主方向时程
X2（天然波1-TH046TG045）主方向时程
X3（天然波2-TH097TG045）主方向时程
地震波加速度谱与规范谱对比图
注：根据本图可知，各时程曲线的地震影响系数曲线应与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符，即在结构主要周期点，各地震波加速度谱与规范谱相差在20%以内。
3.3 罕遇地震作用下结构的整体反应
罕遇地震作用下，结构相应底部剪力曲线、层间位移角曲线、顶点水平位移时程曲线及底部剪力时程曲线详见下图
X向基底剪力曲线
Y向基底剪力曲线
X向层间位移角曲线
Y向层间位移角曲线
X主方向弹塑性顶点位移时程曲线
Y主方向弹塑性顶点位移时程曲线
各组地震波X主方向作用下弹塑性基底剪力时程曲线
各组地震波Y主方向作用下弹塑性基底剪力时程曲线
对大震弹塑性计算整体指标的综合评价：
（1）在大震作用下结构最大顶点位移 X 向为 0.84m，Y 向为 0.97 米，并最终仍能保持直立，满 足“大震不倒”的设防要求。
（2）在考虑重力二阶效应及大变形的条件下，结构最大层间位移角，X 向为 1/163；Y 向为 1/151，均满足 1/100 的规范限值要求。
（3）各条地震波在相同方向的层间位移角曲线趋势基本一致。
（4）弹塑性层间位移和位移角曲线变化趋势与弹性曲线基本一致。
（5）大震作用下，弹塑性时程分析的最大基底剪力为弹性时程分析结果的 4.07～5.20 倍区间，属正常范围内。
3.4 罕遇地震作用下框架梁、框架柱的工作状态
以大震下基底剪力最大的天然波2-TH097TG045（X向主方向作用X3、Y向主方向作用Y3）为例，框架梁、框架柱最终出铰情况如下：
X3作用框架梁及连梁最终塑性铰 X3作用框架柱最终塑性铰
Y3作用框架梁及连梁最终塑性铰 Y3作用框架柱最终塑性铰
在罕遇地震作用下，连梁及框架梁作为主要耗能构件，大多数梁端进入了弯曲屈服状态，但没有梁发生极限破坏；主体柱承受的荷载较大，罕遇地震作用下，塔楼上部柱及首层柱首先出现轻微弯曲开裂，到最后多数柱出现了轻微的弯曲开裂，顶部极少量柱出现了弯曲屈服，但均未发生弯曲破坏；
3.5 罕遇地震作用下剪力墙的工作状态
以大震下基底剪力最大的天然波2为例，由于篇幅所限仅列举Y向地震作用下，墙体及钢筋的最终应变：
Y3作用剪力墙最终水平应变分布 Y3作用剪力墙最终竖向应变分布 Y3作用剪力墙最终剪应变分布
Y3作用剪力墙最终 Y3作用下剪力墙最终
水平钢筋应变分布 竖向钢筋应变分布
作为主要抗侧力构件的剪力墙，按竖向钢筋构造配筋率计算，混凝土纤维在底部加强区绝大部分处于弹性工作状态，上部墙体也处于弹性工作状态，未出现混凝土纤维开裂，剪力墙中的钢筋底部加强区竖向应变等级均未超过 3，在中上部有个别水平钢筋、竖向钢筋屈服，比例在 1.2%左右（基本位于 22 层电梯井翼缘收进处，施工图设计考虑竖向钢筋加强）主体混凝土墙体剪切应变等级均小于 4，即可满足抗剪不屈服。
4、结论
通过以上时程分析，我们可以得到以下结论：
（1）总体上看，罕遇地震作用下，主要抗侧力构件基本没有发生抗弯、抗拉压及抗剪屈服，弹塑 性层间位移角小于规范限值，满足“大震不倒”的要求，大部分耗能构件屈服，作为第一道设防体系，耗散了地震能量，各构件完全满足第 4 性能水准及大震不屈服的要求
（2）随着动力弹塑性分析理论的完善和计算机设备的计算能力加强，高层建筑在罕遇地震作用下，对结构弹塑性性能分析越来越普遍，这对于结构设计人员认识结构在大震下的破坏机理有着极大的帮助，并可准确的揭露结构抗震的薄弱环节，对施工图设计有着指导作用，为工程设计提供可靠的指引。
参考文献：
[1]JGJ3-2010.高层建筑混凝土结构技术规程[S]
[2]GB50010-2010.混凝土结构设计规范[S]
[3]GB50011-2010.建筑抗震设计规范[S]
论文作者:胡凯
论文发表刊物:《建筑细部》2019年第8期
论文发表时间:2019/10/17
标签：塑性论文; 结构论文; 地震波论文; 位移论文; 曲线论文; 大震论文; 剪力论文; 《建筑细部》2019年第8期论文;