某超高层住宅大震弹塑性分析

某超高层住宅大震弹塑性分析

王昂

（广东城脉地产有限公司  广东深圳 518000）

摘要：以深圳某超高层住宅为分析对象，该项目建筑总高度147.65米，剪力墙结构，该项目存在高度超限、扭转不规则、凹凸不规则、楼板不连续等多项超限内容。采用抗震性能化设计，采用 SAUSAGE 软件进行大震弹塑性时程计算，并针对超限提出相应的技术措施，分析结果表明整体结构可以达到预定的性能目标。

关键词：超高层建筑；超限结构；大震作用；性能化设计

1 工程概况

本项目位于深圳市光明新区光明办事处，由A座～F座超高层住宅、商业配套用房、物业用房、社区配套用房、架空车库及地下车库组成。本文分析对象A座住宅地上层数为49层，地下2层，建筑总高度147.65m，结构类型为剪力墙结构，标准层结构平面布置见图1。结构崁固端为一层楼面，整体结构计算模型见图2。塔楼结构体系设防标准见表1。

图1 上部结构标准层结构平面布置

图2 整体结构计算模型

表1 结构体系设防标准

2 结构超限分析及抗震性能目标

2.1 结构超限分析

按照《高规》[2]、广东省《高规》[3]、《抗规》[4]及建资文件[1]，本工程结构高度147.65m，已超过7度（0.1g）区钢筋混凝土剪力墙结构A级最大适用高度120m，高度超限，为B级高度建筑。另外本项目还存在如下不规则情况：（1）扭转不规则：考虑偶然偏心的扭转位移比大于1.2；（2）凹凸不规则：平面凹凸尺寸大于相应边长的30%；（3）楼板不连续：有效宽度小于50%，开洞面积大于30%，错层大于梁高；（4）尺寸突变：竖向构件收进位置高于结构高度20%且收进大于25%，或外挑大于10%和4m，多塔。根据文献[1]，本工程属于超限工程，需要进行超限高层建筑工程抗震设防专项审查。

2.2 超限设计的措施及对策

（1）计算措施

（a）采用抗震性能化设计方法。本工程抗震原则为小震不坏、中震可修、大震不倒；同时本工程抗震设计采用基于性能的设计方法。

（b）采取至少两个不同力学模型的结构分析软件进行整体分析。

（c）多遇地震计算，采用弹性时程分析法补充计算，并将弹性时程分析结果与反应谱计算结果进行对比分析，并按两者的较大值进行设计。

（d）设防地震计算，对重要结构构件进行进行计算分析，控制截面抗剪性能和抗弯性能，并与多遇地震的计算结果比较，取两者较大值进行设计。

（e）补充大震结构弹塑性分析计算。对损伤发展较多的部位和薄弱部位抗剪适当加强，控制强剪弱弯，确保其延性破坏

（2）构造措施

（a）严格控制重要部位剪力墙剪应力水平及轴压比。

（b）中震下墙肢平均拉应力超过混凝土抗拉强度标准值时，宜设置型钢或钢板；未超过但拉应力较大时，宜加大水平筋和竖向筋配筋率。

（c）底部加强区以上设过渡层2层。

（d）塔楼中与裙房相连的外围柱、剪力墙，从嵌固端至裙房上一层的高度范围内柱的最小配筋率适当提高，箍筋全高加密，剪力墙设置约束边缘构件。

（e）对于连接薄弱部位的楼板适当加厚，楼板厚度取150 mm，楼板配筋率不小于0.25%。

2.3 结构的抗震性能目标

根据本工程的超限情况，选定本工程的抗震性能目标为《高规》[2]中的C级目标，即：多遇地震下满足性能水准1要求；设防烈度地震下满足性能水准3要求；预估的大震下满足性能水准4要求。抗震性能目标细分见表2。

表2 抗震性能目标细分表

3 大震弹塑性时程分析

3.1 大震分析目的及设防目标

根据《建筑抗震设计规范》[4]第1.0.1条规定：当建筑物遭受高于本地区抗震设防烈度的预估的罕遇地震影响时，不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。结构在较大的地震作用下某些部位要发生屈服甚至破坏退出工作，从而结构的工作状态会从弹性过渡到弹塑性，随着塑性的发生和发展，结构的反应性能会发生改变，因此需要考虑结构进入非线性状态的地震反应分析。经过非线性分析后，通过屈服顺序判断“强柱弱梁”、通过屈服类型判断“强剪弱弯”；通过弹塑性层间位移角验算结构大震下的位移是否满足规范要求；通过小震、中震、大震分析结果的比较判断结构、构件的承载能力和延性；通过对结构、构件的承载能力和延性的判断进行性能设计调整线弹性设计结果 ；通过弹塑性计算分析和调整保证在大震作用下薄弱部位或重要部位构件允许达到屈服阶段但满足选定的变形限制，关键竖向构件不发生剪切等脆性破坏，弱连接处不发生脆性破坏，各部位构件及整体结构实现其预定的性能目标，使结构整体及各个构件的总变形及非弹性变形（位移）控制在可接受的范围之内。结构属于剪力墙结构，按《建筑抗震设计规范》

[4]表5.5.5，大震作用下结构的最大层间位移角不应大于1/120，根据广东省《高层建筑混凝土结构技术规程》[3]表3.11.3，大震作用下结构的最大层间位移角不应大于1/150。

本工程，在大震作用下需满足第4性能水准，该性能水准要求结构在罕遇地震下宏观损坏程度为中度损坏，关键构件轻度损坏，普通竖向构件部分中度损坏，耗能构件允许中度损坏、部分比较严重损坏，地震后结构需经过修复或加固后才可继续使用。

3.2 动力弹塑性分析方法及软件

动力弹塑性时程分析方法直接按照地震波数据输入地面运动加速度，通过逐步积分运算，求得每一刻时间变化期间内结构的弹塑性反应和结构的内力及变形随时间变化的全过程。该方法目前被认为是结构弹塑性分析的较为可靠和精确的方法。

本项目计算主要采用SAUSAGE软件进行动力弹塑性分析，部分构件截面复核采用等效弹性计算，弹性反应谱大震计算时考虑以下因素：（1）不考虑风荷载组合；（2）中梁刚度放大系数改为1.0；（3）连梁刚度折减系数改为0.3；（4）周期折减系数采用1.0；（5）材料以及荷载分项系数取1.0；（6）阻尼比 0.07。

3.3 地震波选取

根据《建筑抗震设计规范》[4]5.1.2条的有关要求，本工程选用两条天然波和一条人工波按1:0.85双向作用进行大震弹塑性时程分析；有效峰值取220cm/s2持续时间均大于5Tg；所选大震波均应满足《高层建筑混凝土结构技术规程》[2]中有关多遇地震下弹性时程验算分析基底剪力的要求，且所选大震波转换为谱曲线以后与规范普相比亦满足统计意义上相符（主振型相应周期位置处α值差值在20%左右）。按照上述原则，本项目选取的三条地震波SAUSAGE波库中对应的编号为TH054TG040_DARFIELD NEW ZEALAND 9-3-2010 WSFC（天然波1），TTH013TG035_CHI-CHI TAIWAN 9-20-1999 TCU042（天然波2），RH3TG040（人工波）。

3.4 总体指标及对比

为确保计算模型的正确性，与SATWE软件进行了对比计算，SAUSAGE和SATWE计算的地上部分整体结构自振特性如表3所示。

表3 SAUSAGE和SATWE结构自振特性

从表可以看出，两个软件的模型质量和计算的周期比较接近，两者采用的单元以及简化不同，所以周期有些差别，但是结构振动的整体趋势一致，满足规范要求。

3.5 基底剪力计算结果

表4 基底剪力表

由表中数据可以看到，输入不同的地震波，计算的结果有一定的离散性。三条地震作用下取包络结果评估结构在罕遇地震作用下的性能状态。

3.6 位移、位移角计算结果

不同地震波对应的结构楼层位移及位移角见表5。

表5 结构楼层位移和位移角

从表中可以看出，满足规范位移限值1/120的要求。

3.7 性能评估

SAUSAGE中构件进入塑性的程度通过损伤因子来表现，并配合损伤图例，在某个阶段，随着损伤图例颜色不断向后推移，来判断该阶段的塑性发展状态。SAUSAGE对于梁柱构件可以通过受压损伤以及构件的性能水平（塑性应变与屈服应变的比值）来判定构件大震下的性能状态；对于剪力墙以及连梁构件可以通过受压损伤、压弯损伤、拉弯损伤以及剪切损伤还有墙的性能水平来判定构件在大震下的性能状态。以下选取人工波作用下的性能结果加以说明。

大震作用下整体结构的性能表现、标准层结构的性能表现如图3、图4所示。

图3 整体结构性能水平（x向、y向人工波）

图4 标准层结构性能水平（x向、y向人工波）

分析可知，（1）大震下多数连梁首先发生破坏退出工作，起到了一定的耗能作用，第一道抗震防线退出工作，结构的整体刚度模型发生变化转换为第二道抗震防线继续抵抗水平荷载。关键位置处的剪力墙无损坏（弹性阶段）或者轻微损坏（即塑性应变比屈服应变小于1），即满足性能目标中大震抗剪不屈服，继续承担竖向和水平荷载的功能，保证大震下结构不倒塌的概念设计要求。大震下连梁构件受压屈服，连梁端部压弯损伤以及剪切损伤程度较轻，满足强剪弱弯、强节点弱杆件的设计要求。（2）大震作用下X、Y两方向地震波作用下构件的屈服顺序基本一致，首先是连梁的弯曲损伤，其次是剪力墙的弯曲损伤。

3.8 动力弹塑性时程分析总结

（1）在大震作用下，SAUSAGE分析计算得到的最大层间最大位移角满足设定性能能目标（小于1/120）的要求。

（2）连梁及框架梁，在大震下的损伤确实体现了其作为耗能构件的作用。大震作用下，梁的损伤主要体现为受弯损伤，钢筋进入屈服阶段；剪力墙混凝土基本无受压损伤（次要小墙肢除外），在底部及顶部位移较大区域，有局部损伤，但其损伤因子小于0.5且大部分集中在墙体端部，并未贯通，可以看出这是由于弯曲引起的损伤，而从整个截面看未出现贯通破坏，说明没有出现剪切破坏，同时以等效弹性方法（连梁刚度折减系数为0.3，阻尼系数为0.07）计算大震剪力复核抗剪截面，满足要求。墙体钢筋应变小于0.002，属于无损坏、不屈服阶段；从损伤顺序上讲，首先是梁的弯曲损伤，其次是剪力墙的弯曲损伤，这符合规范的“强剪弱弯”、“强竖向弱水平”概念设计要求。

（3）该工程满足抗震大震设防目标。

4 结论

本文对上海地区某建筑主入口的结构设计进行了分析研究，给出了安全合理的结构方案，得出如下结论：

（1）大震作用下，最大层间弹塑性位移角小于规范值（1/120），满足规范大震不倒的要求。

（2）大震作用下，塔楼主要抗侧力构件包括剪力墙和框架柱，大部分处于弹性状态或者出现较少塑性变形，保证了结构主要构件在大震下强度及刚度没有严重退化而退出工作。

（3）大震作用下，底部加强区剪力墙、框架柱受剪满足大震不屈服要求，抗剪截面满足要求。

（4）大震作用下，非底部加强区以上剪力墙抗剪截面满足要求。

参考文献：

[1]超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点：建资（2015）67号［S].北京：全国超高层建筑工程抗震设防审查专家委员会，2015.

[2]高层建筑混凝土结构技术规程: JGJ3-2010［S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[3]高层建筑混凝土结构技术规程：DBG15-92-2013(广东省标准).北京：中国建筑工业出版社，2013.

[4]建筑抗震设计规范：GB50011-2010［S].2016版.北京：中国建筑工业出版社，2016.

[5]中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑结构可靠性设计统一标准:GB 50068-2018［S].北京：中国建筑工业出版社，2018.

作者简介：王昂（1988-），男，河南周口人，硕士，工程师，主要从事结构设计与咨询。