论文部分内容阅读
摘要：随着城市化进程的不断推进，国内正在大规模的兴建各项超限高层建筑，由于该建筑对抗震结构要求比一般的建筑要求高，因此，本文主要贵阳中心项目工程4#楼分析来探析超限高层建筑的抗震结构设计。
关键词：超限高层建筑；抗震结构设计；弹塑性分析
1、工程概况
本项目位于贵州省贵阳市南明区，项目东临城市主干道瑞金南路，建设用途涉及住宅、公寓、商业、办公、酒店、停车库，人防掩蔽所等。
本项目以4#楼住宅为研究对象，采用剪力墙结构体系，地上57层，地下四层，主屋面结构高度为218.10m；裙房采用框架结构体系，高29.05m。
4栋住宅楼从地下室顶板至主屋面共57层，其中2～6 层为商业，带部分裙房，塔楼范围内层高分别为6.00m，6.00m，5.50m，5.50m，5.30m；7层为架空层，层高6.05m； 7、20、33、46 层为避难层，层高3.60m；其余为住宅，层高为3.60m。
2、抗震性能目标
本项目的抗震设计在满足国家、地方规范的基础上，根据性能化抗震设计的概念进行设计。参考高规，在进行抗震性能评估时，住宅楼的性能目标定为性能目标C。不同地震水准下结构抗震性能目标和性能水准的对应关系如图2所示。
性能目标C是指小震下满足结构抗震性能水准1的要求，中震下满足性能水准3的要求，大震下满足性能水准4的要求。
○1性能水准1的结构计算要求：小震作用下，其承载力和变形应符合规范的有关规定。
○2性能水准3的结构计算要求：中震竖向构件的正截面承载力满足屈服承载力设计，即重力荷载及地震作用标准值（分项系数取1.0）计算的构件组合内力不大于材料强度标准值计算的截面承载力，其受剪承载力满足不计抗震等级的弹性要求。部分耗能构件进入屈服阶段，但其受剪承载力满足屈服承载力设计。
○3性能水准4的结构计算要求：应进行弹塑性计算分析。在大震作用下，关键构件的正截面抗震承载力满足大震屈服承载力设计；部分竖向构件以及大部分耗能构件进入屈服阶段，但钢筋混凝土构件的受剪截面应满足抗剪截面控制条件。大震作用下，结构薄弱部位的最大层间位移角应符合高规第3.7.5条的规定。
3分析内容及方法
3.1小震分析
①应用YJK和MIDAS Building结构分析软件分别对结构分析，对比结构的振型、周期和质量等，以验证两个软件结构计算结果的一致性和准确性。
②通过分析比较结构在各种作用效应组合下的整体性能指标，如重量、底部剪力、底部弯矩、刚度分布、剪重比、扭转位移比、位移角等，进一步验证两种计算模型的一致性和准确性，并验证结构的整体性能指标和构件的内力分布是否符合设计规范的要求和结构抗震概念设计的原则。地震作用的楼层剪力及位移角如下图：
③取3条地震波，比较该地震波的反应谱与规范谱的关系；通过YJK模型对结构进行小震弹性时程分析，比较其反应峰值与振型分解反应谱分析结果的关系，检验该分析结果是否满足《建筑抗震设计规范》GB50011-2010第5.1.2条的要求，以确定地震波时程分析结果的有效性。比较分析时程分析得到的层剪力、层弯矩、层位移及层间位移角如下：
进一步验证结构的整体性能指标是否符合设计规范的要求和结构抗震概念设计的原则。
3.2中震分析
①采用YJK软件进行中震不屈服和中震弹性计算，复核各类构件是否达到性能目标C在中震作用下对构件性能水准的要求。
②分析时地震反应谱参数根据抗震规范输入。
3.3大震分析
采用软件YJK进行大震作用下的结构动力弹塑性时程分析。分析采用精细化模型，深入研究构件内部各点的应力-应变关系，才可准确预测结构的大震弹塑性反应。
（1）计算分析主要步骤：
① 建立结构的几何模型：杆件均采用纤维梁单元模拟，剪力墙、连梁和楼板采用壳单元模拟，墙单元采用平板壳单元模拟。
②分析设计后更新配筋，定义材料的本构关系，通过对各个构件指定相应的单元类型和材料类型确定结构的质量、刚度和阻尼矩阵；
③模态分析、最大频率分析与竖向荷载加载分析，输入合适本场地点地震波，开始计算；
④计算完成后，对结果数据进行整理，对结构整体的可靠度做出评估。
（2）选取地震波的要求：
①特征周期与场地特征周期接近；
②最大有效峰值加速度符合《抗震规范》最大有效峰值加速度后的要求（6度为125Gal）；
③持续时间不宜小于结构第一周期的5～10倍。
（3）分析比较各地震波下的最大层间位移角、基底剪力、基底剪力、底部倾覆弯矩、顶层位移时程曲线等：
（4）大震下构件的损伤分析。从弹塑性分析结果反映的塑性发展与加载过程及塑性区累计结果看，塑性铰首先出现在连梁和框架梁，并继续发展，墙肢仅在个别楼层出现局部位置的塑性，配筋设计针对这些部分采取加强措施，框架柱没有出现塑性铰；反映出墙、柱等关键构件得到保护。
通过分析工程项目结构在大震作用下的变形形态、构件塑性及损伤情况、以及结构整体弹塑性性能；验证“大震不倒”设防水准；分析结构关键部位、关键构件的变形形态和破坏情况。判断主要抗侧力构件是否实现预定的性能目标水准，找到结构薄弱层和薄弱部位，对结构设计提出改进意见和建议。
4抗震加强措施
4.1鑒于结构为超B级高度剪力墙结构，在结构平面四周双方向均布置了一定数量的落地剪力墙。适当加强底部加强区域剪力墙的水平分布钢筋配筋率和中震受拉墙肢的竖向分布钢筋配筋率。底部加强区域剪力墙分布钢筋的配筋率应参考报告计算的结果，以保证中震、大震组合作用下剪力墙的抗剪性能。
4.2鉴于标准层有楼板大开洞和凸凹不规则的超限项，分析及设计时将洞口周边一跨范围内的楼板、凹口周边一跨范围内的楼板、突出部位根部一跨范围内的楼板定义为弹性膜单元；楼板厚度取150mm厚，配筋采用双层双向配筋，配筋率控制在0.25%以上，并通过小震计算，用中震不屈服结果进行复核。
4.3控制落地剪力墙的数量、间距，适当加厚落地剪力墙，控制落地剪力墙承担的地震倾覆力矩大于总倾覆力矩的50%；对转换结构及以上两层进行了有限元局部应力分析，通过分析结果对该部位安全性进行了校核。
4.4为提高连梁的延性，使其满足中、大震作用下受弯屈服耗能、受剪不屈服或满足最小截面控制要求的性能目标，跨高比比较小的连梁配筋时采用附加交叉斜筋，交叉斜筋的配筋量由中震不屈服计算控制。
结束语：
（1）对超限工程按小震、中震、大震下的性能目标进行验算和设计。
（2）采用多个软件对工程进行结构弹性反应谱分析和弹塑性时程分析对比和验证，找出薄弱层及薄弱构件，采用措施设计加强
随着高层建筑的增多，抗震结构分析和设计已越来越重要。特别是我国处于地震多发区，超限高层建筑抗震结构设计更是工程设计面临的迫切任务。
参考文献：
[1]《建筑抗震设计规范》GB50011-2010
[2]《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3-2010）
[3]《建筑结构荷载规范》GB 50009-2012
关键词：超限高层建筑；抗震结构设计；弹塑性分析
1、工程概况
本项目位于贵州省贵阳市南明区，项目东临城市主干道瑞金南路，建设用途涉及住宅、公寓、商业、办公、酒店、停车库，人防掩蔽所等。
本项目以4#楼住宅为研究对象，采用剪力墙结构体系，地上57层，地下四层，主屋面结构高度为218.10m；裙房采用框架结构体系，高29.05m。
4栋住宅楼从地下室顶板至主屋面共57层，其中2～6 层为商业，带部分裙房，塔楼范围内层高分别为6.00m，6.00m，5.50m，5.50m，5.30m；7层为架空层，层高6.05m； 7、20、33、46 层为避难层，层高3.60m；其余为住宅，层高为3.60m。
2、抗震性能目标
本项目的抗震设计在满足国家、地方规范的基础上，根据性能化抗震设计的概念进行设计。参考高规，在进行抗震性能评估时，住宅楼的性能目标定为性能目标C。不同地震水准下结构抗震性能目标和性能水准的对应关系如图2所示。
性能目标C是指小震下满足结构抗震性能水准1的要求，中震下满足性能水准3的要求，大震下满足性能水准4的要求。
○1性能水准1的结构计算要求：小震作用下，其承载力和变形应符合规范的有关规定。
○2性能水准3的结构计算要求：中震竖向构件的正截面承载力满足屈服承载力设计，即重力荷载及地震作用标准值（分项系数取1.0）计算的构件组合内力不大于材料强度标准值计算的截面承载力，其受剪承载力满足不计抗震等级的弹性要求。部分耗能构件进入屈服阶段，但其受剪承载力满足屈服承载力设计。
○3性能水准4的结构计算要求：应进行弹塑性计算分析。在大震作用下，关键构件的正截面抗震承载力满足大震屈服承载力设计；部分竖向构件以及大部分耗能构件进入屈服阶段，但钢筋混凝土构件的受剪截面应满足抗剪截面控制条件。大震作用下，结构薄弱部位的最大层间位移角应符合高规第3.7.5条的规定。
3分析内容及方法
3.1小震分析
①应用YJK和MIDAS Building结构分析软件分别对结构分析，对比结构的振型、周期和质量等，以验证两个软件结构计算结果的一致性和准确性。
②通过分析比较结构在各种作用效应组合下的整体性能指标，如重量、底部剪力、底部弯矩、刚度分布、剪重比、扭转位移比、位移角等，进一步验证两种计算模型的一致性和准确性，并验证结构的整体性能指标和构件的内力分布是否符合设计规范的要求和结构抗震概念设计的原则。地震作用的楼层剪力及位移角如下图：
③取3条地震波，比较该地震波的反应谱与规范谱的关系；通过YJK模型对结构进行小震弹性时程分析，比较其反应峰值与振型分解反应谱分析结果的关系，检验该分析结果是否满足《建筑抗震设计规范》GB50011-2010第5.1.2条的要求，以确定地震波时程分析结果的有效性。比较分析时程分析得到的层剪力、层弯矩、层位移及层间位移角如下：
进一步验证结构的整体性能指标是否符合设计规范的要求和结构抗震概念设计的原则。
3.2中震分析
①采用YJK软件进行中震不屈服和中震弹性计算，复核各类构件是否达到性能目标C在中震作用下对构件性能水准的要求。
②分析时地震反应谱参数根据抗震规范输入。
3.3大震分析
采用软件YJK进行大震作用下的结构动力弹塑性时程分析。分析采用精细化模型，深入研究构件内部各点的应力-应变关系，才可准确预测结构的大震弹塑性反应。
（1）计算分析主要步骤：
① 建立结构的几何模型：杆件均采用纤维梁单元模拟，剪力墙、连梁和楼板采用壳单元模拟，墙单元采用平板壳单元模拟。
②分析设计后更新配筋，定义材料的本构关系，通过对各个构件指定相应的单元类型和材料类型确定结构的质量、刚度和阻尼矩阵；
③模态分析、最大频率分析与竖向荷载加载分析，输入合适本场地点地震波，开始计算；
④计算完成后，对结果数据进行整理，对结构整体的可靠度做出评估。
（2）选取地震波的要求：
①特征周期与场地特征周期接近；
②最大有效峰值加速度符合《抗震规范》最大有效峰值加速度后的要求（6度为125Gal）；
③持续时间不宜小于结构第一周期的5～10倍。
（3）分析比较各地震波下的最大层间位移角、基底剪力、基底剪力、底部倾覆弯矩、顶层位移时程曲线等：
（4）大震下构件的损伤分析。从弹塑性分析结果反映的塑性发展与加载过程及塑性区累计结果看，塑性铰首先出现在连梁和框架梁，并继续发展，墙肢仅在个别楼层出现局部位置的塑性，配筋设计针对这些部分采取加强措施，框架柱没有出现塑性铰；反映出墙、柱等关键构件得到保护。
通过分析工程项目结构在大震作用下的变形形态、构件塑性及损伤情况、以及结构整体弹塑性性能；验证“大震不倒”设防水准；分析结构关键部位、关键构件的变形形态和破坏情况。判断主要抗侧力构件是否实现预定的性能目标水准，找到结构薄弱层和薄弱部位，对结构设计提出改进意见和建议。
4抗震加强措施
4.1鑒于结构为超B级高度剪力墙结构，在结构平面四周双方向均布置了一定数量的落地剪力墙。适当加强底部加强区域剪力墙的水平分布钢筋配筋率和中震受拉墙肢的竖向分布钢筋配筋率。底部加强区域剪力墙分布钢筋的配筋率应参考报告计算的结果，以保证中震、大震组合作用下剪力墙的抗剪性能。
4.2鉴于标准层有楼板大开洞和凸凹不规则的超限项，分析及设计时将洞口周边一跨范围内的楼板、凹口周边一跨范围内的楼板、突出部位根部一跨范围内的楼板定义为弹性膜单元；楼板厚度取150mm厚，配筋采用双层双向配筋，配筋率控制在0.25%以上，并通过小震计算，用中震不屈服结果进行复核。
4.3控制落地剪力墙的数量、间距，适当加厚落地剪力墙，控制落地剪力墙承担的地震倾覆力矩大于总倾覆力矩的50%；对转换结构及以上两层进行了有限元局部应力分析，通过分析结果对该部位安全性进行了校核。
4.4为提高连梁的延性，使其满足中、大震作用下受弯屈服耗能、受剪不屈服或满足最小截面控制要求的性能目标，跨高比比较小的连梁配筋时采用附加交叉斜筋，交叉斜筋的配筋量由中震不屈服计算控制。
结束语：
（1）对超限工程按小震、中震、大震下的性能目标进行验算和设计。
（2）采用多个软件对工程进行结构弹性反应谱分析和弹塑性时程分析对比和验证，找出薄弱层及薄弱构件，采用措施设计加强
随着高层建筑的增多，抗震结构分析和设计已越来越重要。特别是我国处于地震多发区，超限高层建筑抗震结构设计更是工程设计面临的迫切任务。
参考文献：
[1]《建筑抗震设计规范》GB50011-2010
[2]《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3-2010）
[3]《建筑结构荷载规范》GB 50009-2012