摘要：随着我国经济的迅猛发展，超限高层建筑也越来越多，并向着更超高化、普遍化、功能综合化、环境生态化、管理智能化的方向发展，超限高层建筑结构的抗震设计问题也变得越来越突出。本文采用SATW E和M idasRuildmg两种不同软件，对结构在三种地震作用下进行了计算。对客观的评价结构的抗震性能，并有针对性地提出加固分析和探讨。该工程的设计思路及分析方法可为类似工程提供一定参考。
关键词：超限高层；弹性时程分析；静力弹塑性分析
1、工程概况
某建筑工程的建筑平面尺寸为31.50 m×8.85m。在地上总共44层，其中2层商业、42层住宅；地下部分为2层地库。地库层高从下至上分别为4.50m，5.00m，地上商业的两层丢高均为4.50m，住宅部分层高均为2.95m，地下室基相埋深10.50m，建筑总高度为133.0m。
2、超限判断
2.1结构概况
某建筑剪力墙混凝土强度等级为C30，地基设计等级为甲级，结构安全等级为二级，设计年限50年，结构标准层平面布置如图1所示。结构构件如轴压比、位移比等截面尺寸根据概算的设计控制指标确定。层面板取120mm，地下室的顶板按180mm确定，二层楼面最大墙厚400mm，二十九层以上最大墙厚200mm。
图1 结构标准层平面布置（a）Sarwe 整体结构模型
（b）Midas 整体结构模型
（a）Sarwe 整体结构模型 （b）Midas 整体结构模型
图1 结构标准层平面布置图
2.2超限分析
本工程根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》，对规范涉及结构高度、不规则性的项目检查，结果如下。
①本工程采用剪力墙结构，建筑总高度为133.00m。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》房屋适用高度的要求，7度区剪力墙结构最大适用高度为120m。因本工程建筑结构高度超限，为B级高度。
②在结构不规则性方面，本工程建筑平面尺寸31.50 m×18.85m。X方向两侧向外凸起长度为17.2m，X方向总长度为31.50m，大于规定的30，属于凹凸不规则性结构。
本工程除了结构高度超限外，也存在凹凸不规则超限。故本工程为超限结构高层建筑。根据《高规》的规定，使用基于性能的抗震设计方法，结构总体性能目标定为D级，如表1所示。
3、结构整体计算分析
3.1多遇地震计算分析
本工程采用SA TW E和M idas Building两种不同力学软件对结构进行计算，从而能保证计算的准确性。计算参数取值依据《抗规》要求，考虑双向地震、偶然偏心，振型数目取27个，连梁刚度折减系数0.70，中梁刚度增大系数按1.8取值，框架梁端负弯矩调幅系数取0.85，梁扭矩折减系数取0.40，不考虑重力二阶效应。整体计算对比模型采用刚性楼板假定。两种软件的分析模型如图2所示，计算结果见表2：
从结构计算结果来看，该结构第一、二阵型分别为X，Y方向平动，第三阵型为扭转。两软件计算出的结构周期比最大为0.5292，小于《高规》B级高度高层建筑0.85的限值。计算出的位移比、位移角最大分别为1.19，1/1311，小于规范的1.2和1/1000，满足要求。各项指标均能满足规范要求，误差也在合理范围内。
3.2弹性时程分析
小震下的弹性时程分析选择SA TW E软件计算。根据《抗规》以及《安评报告》，选用2组天然地震波和1组场地人工波进行计算，其中天然波由安徽省地震工程研究院提供，场地人工波由安评单位提供，所得弹性时程分析计算结果如表3。
由表3可知，X方向大部分楼层的楼层剪力均与CQC楼层剪力相当，时程分析与CQC楼层剪力比值为1.093～1.200；Y方向大部分楼层的楼层剪力均大于CQC楼层剪力，超过部分的时程分析与CQC楼层剪力比值为1.051～1.174。从结果可以看出，3组地震波计算所得结构底部剪力在X，Y方向均不小于CQC法计算结果的65%，且结构底部剪力平均值在X，Y方向均不小于CQC法计算结果的80%，所选3组地震波均满足规范要求。从图3可以看出，3条波以及CQC法卜的最大楼层位移计算结果相差不大。
（a）X方向最大楼层位移曲线 （b）Y方向最大楼层位移曲线
图3 弹性时程计算下的楼层位移曲线
3.3设防烈度地震计算分析
采用SA TW E软件对结构分别进行中震弹性以及不屈服验算。“中震弹性计算时，不考虑地震内力调整；中震不屈服计算时，不考虑地震内力调整，荷载作用分项系数取1.0，材料强度采用标准值，不考虑抗震承载力调整系数。
计算结果表明：在中震作用下结构竖向构件均满足性能目标，少量框架梁和连梁中震不屈服，计算时出现超筋；主要受力构件受剪截面均满足要求；满足预期的目标要求。
3.4静力弹塑性分析
当地震作用超过一定程度时，结构的某些部位无法承受，会发生屈服，严重时会发生破坏，从而使结构的状态从弹性过渡到弹塑性。随着塑性的产生和发展，建筑的结构反应性能就会发生改变。因此，这就需要进行非线性地震反应分析。
本工程选用PKPM软件进行静力弹塑性分析。该分析方法是对结构在较大地震作用下进行弹塑性分析的一种有效方法。分析结果如图4所示。
等效单自由度体系周期T（S）
需求谱类烈：规范加速度没计谱：所在地区：个国场地类烈：2没计地震分组：1
抗震没防烈度：了度人震：地震影啊系数最大值Amax（g）：0.500
特初周期Tg（s）：400状态阻甩比：0.050。
能力曲线与需求曲线的交点[T（s），A（g）]：3.8150，0.085性能能点最人层间位移角：1/235
性能点基底剪力（kN）：17998.4 性能点顶点位移（mm）：494.9
性能点附加阻尼比：0.123*0.70=0.086 与性能点相对应的总加载步号：27.3
相应的数招文件：杭倒塌验算图.TXT
（a）X方向结构弹塑性静力推覆能力谱验算图
等效单自由度体系周期T（S）
需求谱类烈：规范加速度没计谱：所在地区：个国场地类烈：2没计地震分组：1
抗震没防烈度：了度人震：地震影啊系数最大值Amax（g）：0.500
特初周期Tg（s）：400状态阻甩比：0.050。
能力曲线与需求曲线的交点[T（s），A（g）]：3.8150，0.085性能能点最人层间位移角：1/235
性能点基底剪力（kN）：17998.4 性能点顶点位移（mm）：494.9
性能点附加阻尼比：0.123*0.70=0.086 与性能点相对应的总加载步号：36.8
相应的数招文件：杭倒塌验算图.TXT
（b）Y方向结构弹塑性静力推覆能力谱验算图
图4 结构弹塑性静力推覆能力谱验算图
在罕遇地震作用下，耗能构件先显现塑性铰，之后底部加强区的剪力墙出现裂缝，结构部分连梁和框架梁出现了塑性铰。性能点下基底剪力X方向为18485kN，与小震下X方向Satrv e基底剪力比值为4.11；Y方向为17998kN，与小震下Y方向satrv e基底剪力比值为3.85。X，Y向层问位移角分布分别为1 /Z51和1 /235，均小于规范1 /120的限值。所以可以判别推覆计算的合理性，对于局部出现墙肢开裂，属于薄弱部位，应采取加强措施。
4、加强措施及结论
根据不同抗震性能水平下的计算结果，结构预期的目标能够实现。然而，在中震以及大震作用下，结构会出现例如短墙、部分超筋、局部墙肢开裂等情况。基于以上原因，并结合本超限工程的具体情况，给出了合理的抗震加强措施。
①由于底部两层商业的层高较大，易出现薄弱层。因此，底部加强部位取嵌固端至五楼楼面，增加三层过渡层。对于楼板的薄弱部位，例如在楼梯、电梯洞口处，应根据情况适当增加板厚，加大配筋。
②为了保证墙的塑性变形能力，提高结构的延性，严格控制墙肢的轴压比，特别是底部加强区剪力墙的轴压比，均控制在小于0.5。
③底部加强部位的非中震受拉剪力墙分布配筋率由0.25%提高到0.30%，约束边缘构件配筋率由1.2%提高到1.3%，以此来保证底部加强部位具有足够的延性。
④结构所有楼层的局部短墙部位、所有中震受拉的剪力墙全部提高抗震等级，均按照特一级进行内力调整以及配筋构造。
性能化的抗震设计与传统设计相比，具有极大的灵活性和针对性。以本超限高层商业住宅为例，设计思路为：超限判断一性能目标确认一三种地震作用下结构软件对比分析一结构抗震评估一给出加强措施。该方法不仅在设防时提出具体量化的性能目标，而且能够对结构在不同水准下进行定量描述，大大提高了工程抗震设计的可靠性，是目前我国常规设计方法的一种有效补充。
5、结束语
对于超限高层建筑而言，基于性能的抗震设计方法是一个合理化的趋势，这种方法使得建筑在性能水准上更为具体，更加具有可操作性，对高层建筑的宽高度、相关规则以及新技术、新方法的使用并没有过多笼统的限制，这也使得超限高层建筑的设计者能够根据高层建筑的具体特点和价值目标来对建筑的整体性能水准、目标进行评估与论证，大大提高了设计的灵活性。
论文作者:李苑云
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第15期
论文发表时间:2018/10/25
标签：结构论文; 剪力论文; 性能论文; 塑性论文; 位移论文; 楼层论文; 方向论文; 《建筑学研究前沿》2018年第15期论文;