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超限高层建筑抗震弹塑性分析与研究

摘要：以抚州荣誉工程抗震设计为例，采用有限元分析软件YJK对超限高层建筑进行抗震计算。弹性分析采用YJK作为计算分析软件对YJK分析结果进行校核，达到“小震不坏”的抗震设计目的。在中震荷载和罕遇地震作用下，结构表现出非线性行为并引起结构内力重新分布，采用YJK进行中震荷载和罕遇地震作用下弹塑性分析，达到“中震可修、 大震不倒”的抗震设防目标。
关键词：超限高层建筑；抗震计算；弹塑性分析
我国很多地区处于多震地带，是遭受地震灾害比较严重的国家之一我国多地处地震多发地带，是遭受地震灾害最严重的国家之一，如何科学有效的为高层建筑做好抗震设计尤为重要。随着中国经济和社会的快速发展，城镇化建设不断加速，高层建筑和超限高层建筑如雨后春笋般涌现。现代高层建筑，形态更加复杂，楼层不断增加，这对结构设计人员提出了更高的要求，特别对于高层建筑来说，抗震防灾是结构设计中的重中之重，它直接关系到最广大人们生命财产的安全[1]。
针对超限高层结构中存在的各种复杂问题，国内很多专家学者开展了许多关于超限高层结构在不同地震水准作用下的结构非线性变形和弹塑性损伤等研究工作。吕西林[2]等对超限高层建筑模型进行的动力特性现场实测，为结构抗震安全性和在结构设计过程中的方法提供了理论指导。对结构不规则方面的超限问题，指出了在抗震设计计算中的关键点和对结构中出现的相关问题应如何采取相应的抗震加强措施，为超限高层建筑的结构设计方面提供了参考和借鉴。
1. 工程概况
本项目建设用地面积为1.34万m2，总建筑面积约 7.51 万 m2，其中地上建筑面积5.82万 m2，地下建筑面积 1.68 万m2。本工程建筑物设计使用年限：50 年 ，建筑结构安全等级：二级（1~3 层裙房按一级），结构重要性系数：1.0（1~3 层裙房按 1.1） ，建筑物抗震设防烈度：6 度， 设计基本地震加速度值：0.05g，设计地震分组：第一组 ，建筑场地类别：Ⅱ类 ，场地特征周期：0.35s，
抗震设防类别：1~3 层重点设防类（乙类），4 层以上为标准设防类（丙类）。
计算地震作用时，采用《建筑抗震设计规范(GB50011-2010)》[3]5.1.5规定的地震影响系数曲线;多遇地震下水平地震影响系数最大值采用0.04,设防地震下水平地震影响系数最大值采用0.12；；罕遇地震下水平地震影响系数最大值采用0.28。弹性分析结构阻尼比取0.05。
二、结构布置
本工程主体采用钢筋混凝土框架-核心筒结构体系，核心筒剪力墙作为主要的抗侧力体系，外框架主要承担竖向荷载,同时承担一部分抗侧能力，以楼电梯间核心筒、及外围框柱为主要抗侧力构件，核心筒外圈墙厚为 450~400mm外圈框柱尺寸为 1300x1300、1200x1200。竖向布置较为规则，竖向受力构件基本连续。外围框架柱主要为钢筋混凝土柱和型钢混凝土框架柱。本平面布置图见图1,各层构件主要截面尺寸及混凝土强度等级见表1。
表1 构件主要截面尺寸及混凝土强度等级
柱截面/mmxmm 梁截面/mmxmm 墙截面mm 柱墙混凝土等级 梁混凝土等级
1300x1300 200x600 450 C55/C40 C30
1200x1200 300x600 400 C50 C30
1300x1000 400x800 350 C40 C30
1400x1000 500x800 300 C35 C30

图1 平面布置图
三、超限判别
（一）房屋高度超限
本工程建筑高度99.5m,未超过了《建筑抗震设计规范(GB50011-2010)》现浇钢筋混凝土结构使用的最大高度(按标准设防类设计的抗震烈度为6度的钢筋混凝土框架-核心筒结构体系，最大适用高度为130m)，属A级高度高层建筑。
（二）平面不规则超限类型
刚性楼板假定下，在考虑偶然偏心影响的规定水平地震作用下，本工程的最大弹性水平位移为该楼层两端弹性水平位移平均值大于《高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3—2010》3.4.5条规定的1.2倍,属于扭转不规则；有效宽度小于50%，开洞面积大于30%，错层大于梁高，属于楼板不连续；相邻层受剪承载力变化大于80%，属于承载力突变。
四、超限设计对策
本工程存在不规则的情况，按照《高规》（JGJ3-2010）的要求，综合考虑抗震设防类别、设防烈度、场地条件、结构的特殊性、建造费用、震后损失和修复难易程度等各项因素后，选定C级结构抗震性能目标，具体目标如表2。

表2 结构抗震性能化设计目标
地震水准
多遇地震
设防地震
罕遇地震
性能目标等级
C 级
性能水准
1
3
4
关键构件
无损坏、小震弹性
按“斜截面承载力弹性、正截面承载力不屈服” 复核
轻度损坏

普通竖向构件
无损坏
按“斜截面承载力弹性、正截面承载力不屈服 复核
部分构件中度损坏

框架梁、连梁
无损坏
按“斜截面承载力不屈服”复核

中度损坏、部分比较严重

一般楼板
无损坏

轻微损坏

按“钢筋不屈服”复核
宏观损坏程度
完好，无损坏
轻度损坏
中度损坏
继续使用的可能性
不需修理即可继续使用
一般修理后可继续使用
修复或加固后可继续使用
5. 抗震计算分析
（一）小震 CQC 弹性分析主要结果汇总及比较

整体抗震计算采用北京盈建科软件股份有限公司编制的YJK软件，采用PKPM软件复核。两者计算的结构总质量、振动模态和周期基本一致,结构扭转效应较小,初步判断模型的分析结果准确、可信。结构总质量、基底剪力、周期和振型计算结果如表3。地震作用下楼层层间位移角曲线图如图2。
。
表3 结构总质量、基底剪力、周期和振型计算结果
比较项目

计算程序
YJK 数据
PKPM 数据
振型数、有效质量系数
97.53%>90%
97.54%>90%
结构总质量
75507t
73183t
单位面积质量
1690.7 kg / m2
1628.4 kg / m2
底层地震剪力，剪重比
Qox=5704kN，Qox/Ge=0.76%
Qoy=6269kN，Qox/Ge=0.83%
Qox=5314.8kN，Qox/Ge=0.74%
Qoy=5926.3kN，Qox/Ge=0.81%
结构自振周期
（X 向平动比例+ Y 向平动比例）
T1=2.8081S(0.90+0.02)X 向平动
T2=2.6341S(0.03+0.95)Y 向平动
T3=2.3991S(0.07+0.04)扭转
T3/T1＝0.85≤0.9
T1=3.0630S(0.89+0.01)X 向平动
T2=2.8076S(0.04+0.83)Y 向平动
T3=2.6719S(0.07+0.16)扭转
T3/T1＝0.86≤0.9

根据《高规》4.3.4 条的要求，本工程应采用弹性时程分析法进行多遇地震下的补充验算。 选择地震波时遵循满足地震动三要素（频谱特性、有效峰值、持续时间）的要求。本工程频谱特 性依据场地土类别为Ⅱ类、设计地震分组为第一组、特征周期 Tg=0.35s 的地震影响系数曲线表征，加速度有效峰18cm/s2，有效持续时间不小于结构基本周期的 5 倍。设计采用 7 条地震波，采用 YJK 程序进行多遇地震弹性时程分析，并与规范反应谱分别进行了对比，进一步验证弹性分析 结果的正确性，保证项目的结构安全、可行。
（二）中震等效弹性分析
根据设防烈度地震作用下的抗震性能目标要求：1对结构关键构件（全部竖向构件进行中震性能设计，其中：正截面按不屈服复核，斜截面承载力按弹性复核；对结构关键构件进行中震性能复核，其中： 正截面与斜截面承载力均按弹性复核，以保证结构满足中震作用下的抗震设计目标。
（三）罕遇地震动力弹塑性时程分析
通过对罕遇地震动力弹塑性时程分析结果的层间弹塑性位移角，对结构安全进行评估。在所选三条地震波的作用下，结构的层间弹塑性位移角最大值包络曲线如图2。

图2 层间弹塑性位移角最大值包络曲线
本文的主要内容是对某一超限高层结构设计，根据具体工程性能目标“C”要求,利用PKPM和YJK结构设计计算软件对本工程在三水准地震作用下的结构抗震性能进行了计算分析，包括小震弹性、中震弹性与不屈服以及大震不屈服与屈服分析。由于在结构设计时采取了合理的结构布置，且对结构的关键部位进行了加强以及高于标准的性能化设计，在遭遇地震作用时，能达到“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防目标。
参考文献：
[1] 建筑结构荷载规范:GB 50009-2012 [S].北京:中国建筑工业出版社,2012.
[2] 吕西林, 李学平. 超限高层建筑工程抗震设计中的若干问题[J]. 建筑结构学报,2002, (2):13-18.
[3]《建筑抗震设计规范》 (GB50011-2010).
基金支持：21KJX032，闽南理工学院科研项目，超限高层建筑抗震弹塑性分析与研究

-全文完-