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(中信建筑設(shè)計研究總院有限公司,湖北 武漢 430014)

1 工程背景

為了研究抗震性能化設(shè)計在實際工程中的應(yīng)用，以實際工程金銀湖大廈裙樓為例，該項目位于湖北省武漢市東西湖區(qū)金銀湖街，項目由一棟塔樓和一棟6層裙樓組成，裙樓功能由商業(yè)和影院構(gòu)成，地上6層，地下3層，建筑物總高度31.8m，為A級高度高層建筑，結(jié)構(gòu)形式為框架結(jié)構(gòu)，圖1 為該建筑的結(jié)構(gòu)模型圖，標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面如圖2所示。

根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點》[1]附件1中表2，裙樓存在三項不規(guī)則，分別為扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、凹凸不規(guī)則和樓板不連續(xù)(影院層為兩層通高，開洞面積大于30%)，屬于規(guī)則性超限高層建筑。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[2](以下簡稱《抗規(guī)》)3.4節(jié)內(nèi)容，裙樓存在較多樓層扭轉(zhuǎn)位移比大于1.4，屬于特別不規(guī)則建筑，需要做專門研究。為此需要依據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[3](以下簡稱《高規(guī)》)設(shè)定性能目標(biāo)進行抗震性能化設(shè)計，并進行靜力彈塑性分析補充驗算，確定結(jié)構(gòu)是否達到預(yù)期的性能目標(biāo)。

2 結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)

根據(jù)結(jié)構(gòu)超限情況，并考慮造價等因素，裙樓的抗震設(shè)防目標(biāo)定為《高規(guī)》規(guī)定的C 級。根據(jù)《高規(guī)》，表1給出了不同地震水準(zhǔn)下的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能目標(biāo)。裙樓存大懸挑梁(懸挑長度超過4m)和大跨預(yù)應(yīng)力梁，對該梁應(yīng)提高其性能目標(biāo)，特規(guī)定大震作用下，該梁正截面不屈服，抗剪承載力符合《高規(guī)》式3.11.3-2的要求。

表1 構(gòu)件抗震性能目標(biāo)

注：表中式1～式4表示《高規(guī)》公式3.11.3-1～3.11.3-4。

3 結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計分析

根據(jù)預(yù)先設(shè)定的結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)，裙樓進行抗震性能化設(shè)計，需要分別驗算結(jié)構(gòu)在小震、中震和大震作用下的構(gòu)件性能狀況是否滿足預(yù)定性能要求。

3.1 小震彈性計算分析

根據(jù)抗震性能目標(biāo)要求，在小震作用下，結(jié)構(gòu)構(gòu)件均處于彈性，為此采用了兩種有限元計算程序YJK和Midas Building對整體結(jié)構(gòu)進行了線彈性計算。兩種軟件計算指標(biāo)結(jié)果對比見表2，兩種軟件的計算結(jié)果基本規(guī)律一致，計算誤差均在3%以內(nèi)，表明該計算結(jié)果是正確的。根據(jù)軟件計算配筋結(jié)果，結(jié)構(gòu)構(gòu)件均處于彈性狀態(tài)，可見該裙樓在小震作用下滿足性能目標(biāo)的要求。

表2 彈性主要計算結(jié)果對比

注：表中以YJK計算結(jié)果為主，Midas計算結(jié)果進行校核。

圖1 裙樓的結(jié)構(gòu)模型圖

圖2 裙樓標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置

3.2 小震彈性時程補充計算分析

裙樓屬于特別不規(guī)則建筑，小震作用下，除了需要進行線彈性計算驗算性能目標(biāo)要求外，還需要進行彈性時程補充計算。依照《抗規(guī)》要求，選用了五組天然地震動記錄(No1、No2、No3、No4和No5)和兩組人工波(No6和No7)，每條波包含X、Y兩個方向的分量。地震波的頻譜特性、有效峰值和有效持續(xù)時間滿足規(guī)范要求，其頻譜與目標(biāo)反應(yīng)譜曲線的比較如圖3所示，在結(jié)構(gòu)主要周期點附近，地震波的反應(yīng)譜和《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》[4]中的小震反應(yīng)譜吻合較好。

按照《抗規(guī)》要求，裙樓采用了雙向地震波輸入，其中主次方向地震波強度比按1：0.85輸入，多遇地震峰值加速度取22gal(根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》取值)。地震波有效持續(xù)時間均大于5倍結(jié)構(gòu)基本周期。工程裙房平面不規(guī)則，存在斜交抗側(cè)力構(gòu)件，最大地震力作用方向角度為37.71度，因此工程裙房選取0度(X1方向)、90度(Y1方向)及37.71度(X2方向)、127.71度(Y2方向)兩組共四個方向分別同時輸入主次地震波，每一組地震波交換一次主次方向，7組地震波共計28次雙向輸入計算，取最不利情況的結(jié)果進行包絡(luò)。小震彈性時程分析基底剪力計算結(jié)果見表3～4，由表中計算分析結(jié)果可知，彈性時程分析選取的7組地震波符合規(guī)范規(guī)定，從兩組地震波的分析結(jié)果對比可以看出，地震波沿X2、Y2方向輸入時，得到的基底剪力普遍大于X1、Y1方向結(jié)果。圖4給出了各樓層波平均值曲線，由圖知，樓層反應(yīng)譜計算的結(jié)構(gòu)層間剪力大于多條時程曲線計算所得結(jié)構(gòu)層間剪力的平均值，小震線彈性計算能包絡(luò)住小震彈性時程計算，由此可見小震作用下，結(jié)構(gòu)線彈性計算結(jié)果滿足抗震性能目標(biāo)即可。

圖3 地震波頻譜特征

圖4 樓層剪力曲線

表3 X1、Y1方向彈性時程分析基底剪力計算結(jié)果

表4 X2、Y2方向彈性時程分析基底剪力計算結(jié)果

3.3 中震等效彈性驗算分析

根據(jù)《高規(guī)》對結(jié)構(gòu)在第3性能水準(zhǔn)下的要求，中震作用下，主要驗算內(nèi)容有：結(jié)構(gòu)層間位移角驗算，關(guān)鍵構(gòu)件和普通豎向構(gòu)件(框架柱)正截面承載力不屈服驗算，關(guān)鍵構(gòu)件(框架柱)受剪承載力彈性驗算，耗能構(gòu)件(框架梁)受剪截面驗算。層間位移角計算結(jié)果見圖5。采用YJK計算軟件進行中震不屈服驗算，根據(jù)計算結(jié)果，在設(shè)防地震作用下，結(jié)構(gòu)位移角滿足《抗規(guī)》表M.1.1-2性能3的要求；構(gòu)件驗算結(jié)果滿足性能水準(zhǔn)3的要求。

3.4 大震等效彈性驗算分析

根據(jù)《高規(guī)》對結(jié)構(gòu)在第4性能水準(zhǔn)下的要求，大震作用下，主要驗算內(nèi)容有：結(jié)構(gòu)層間位移角驗算，關(guān)鍵構(gòu)件(框架柱)抗震承載力不屈服驗算，關(guān)鍵構(gòu)件和普通豎向構(gòu)件(框架柱)受剪截面剪壓比驗算。層間位移角計算結(jié)果見圖6。采用YJK計算軟件進行大震不屈服驗算，根據(jù)計算結(jié)果，在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)位移角滿足《抗規(guī)》表M.1.1-2性能3的要求；構(gòu)件驗算結(jié)果滿足性能水準(zhǔn)4的要求。

圖5 中震樓層層間位移角和樓層位移曲線

圖6 大震樓層層間位移角和樓層位移曲線

3.5 靜力彈塑性補充計算分析

按照《高規(guī)》要求，大震作用下，除了需對結(jié)構(gòu)進行了等效彈性計算，還需要采用有限元分析軟件對結(jié)構(gòu)進行靜力彈塑性分析補充計算。采用有限元軟件Midas Building進行靜力彈塑性分析計算，框架梁采用FEMA骨架曲線，框架柱采用三折線骨架曲線。因裙樓屬于規(guī)則性超限的高層建筑，且結(jié)構(gòu)平面呈三角形，存在斜交抗側(cè)力構(gòu)件，因此分別沿結(jié)構(gòu)兩組方向(X1+Y1、X2+Y2)進行加載分析?？紤]到結(jié)構(gòu)受力比較復(fù)雜，因此分別采取振型、等加速度和層剪力三種加載方式進行正反兩個方向的加載推覆分析。經(jīng)對比計算結(jié)果，X2+Y2這組方向在層剪力加載模式下，結(jié)構(gòu)基底剪力和頂點位移均最大，因此只需驗算地震力在X2+Y2該組方向下結(jié)構(gòu)的構(gòu)件性能水準(zhǔn)是否滿足要求。

大震作用下，X2向性能點處結(jié)構(gòu)等效阻尼比約為12.36%，頂點位移為0.142m， 最大層間位移角1/255；Y2向性能點處結(jié)構(gòu)等效阻尼比約為11.33%，頂點位移為0.136m， 最大層間位移角1/238。性能曲線詳圖7所示，最大層間位移角滿足《抗規(guī)》表M.1.1-2性能3的要求。

圖7 大震性能點曲線

3.6 結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震性能評價

構(gòu)件的抗震性能評價主要從構(gòu)件塑性變形與塑性變形限值的比值關(guān)系、塑性鉸出現(xiàn)部位、構(gòu)件損傷程度等方面來評判，以保證結(jié)構(gòu)不因局部構(gòu)件的破壞而產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞或倒塌。判定標(biāo)準(zhǔn)主要是依據(jù)ATC-40(1996)和FEMA-273(1997)中提供的能力譜法來評價結(jié)構(gòu)的抗震性能。根據(jù)靜力彈塑性分析計算結(jié)果可知，結(jié)構(gòu)整體抗震性能和各類結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震性能都滿足預(yù)先設(shè)定的抗震性能目標(biāo)。

(1) 框架柱

推覆分析過程中，框架柱塑性鉸首先出現(xiàn)在中下部，隨著時間推移，柱塑性鉸逐漸增多，當(dāng)推到大震性能點步驟時，框架柱塑性鉸絕大部分都處于B狀態(tài)，框架柱塑性鉸狀態(tài)分布見圖8。

圖8 框架柱塑性鉸狀態(tài)分布圖

圖9 框架梁塑性鉸狀態(tài)分布圖

(2) 框架梁

推覆分析過程中，框架梁塑性鉸首先出現(xiàn)在中下部，隨著時間推移，梁鉸逐漸增多，當(dāng)推到大震性能點步驟時，約35%左右的框架梁塑性鉸均處于B狀態(tài)，2.6%左右處于IO狀態(tài)，無框架梁塑性鉸達到CP狀態(tài)，預(yù)應(yīng)力大跨梁未出現(xiàn)塑性鉸，框架梁塑性鉸狀態(tài)分布見圖9。

4 結(jié) 論

將《高規(guī)》中抗震性能化設(shè)計的方法應(yīng)用于金銀湖大廈裙樓的抗震設(shè)計，對結(jié)構(gòu)預(yù)先設(shè)定性能目標(biāo)，并對結(jié)構(gòu)整體和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震性能進行了評價，通過結(jié)構(gòu)在小震、中震和大震作用下的計算分析，可知結(jié)構(gòu)整體和各類結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震性能均能達到預(yù)先設(shè)定的抗震性能目標(biāo)。根據(jù)抗震性能化設(shè)計分析結(jié)果，可以得到以下幾點結(jié)論:

(1)當(dāng)結(jié)構(gòu)存在多項不規(guī)則，屬于超限工程時，或?qū)儆谔貏e不規(guī)則建筑時，進行抗震設(shè)計需要依照《高規(guī)》中性能設(shè)計方法進行抗震性能化設(shè)計。

(2)進行抗震性能化設(shè)計，需要進行小震彈性計算，小震彈性時程補充計算，中震等效彈性計算，大震等效彈性計算，彈塑性分析補充計算等，以驗算是否滿足預(yù)定的抗震性能目標(biāo)。

(3)從小震、中震和大震計算結(jié)果分析可知，該裙樓整體結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)構(gòu)件均能滿足抗震性能設(shè)計性能目標(biāo)C對應(yīng)的性能水準(zhǔn)要求。

(4)根據(jù)靜力彈塑性分析計算結(jié)果，結(jié)構(gòu)在大震作用下，關(guān)鍵構(gòu)件部分框架柱處于B狀態(tài)(屈服)，耗能構(gòu)件大部分框架梁處于B狀態(tài)，少量處于IO狀態(tài)，滿足性能水準(zhǔn)4的要求。

(5)根據(jù)抗震性能化設(shè)計分析結(jié)果，大跨懸挑梁和大跨預(yù)應(yīng)力梁在中震和大震作用下均能達到不屈服狀態(tài)，比同條件下其它框架梁的抗震性能好，在地震作用下有很大的安全儲備，可見性能化設(shè)計能更直觀的給出個別特殊構(gòu)件的抗震性能。

綜上所示，針對特別不規(guī)則的結(jié)構(gòu)，無論從整體結(jié)構(gòu)，還是局部個別構(gòu)件，進行抗震性能化設(shè)計是有必要的，它既能反應(yīng)整體結(jié)構(gòu)在小震、中震和大震作用下的抗震性能，又能對需要加強的個別重要構(gòu)件的抗震性能進行直觀分析，提高其安全儲備。

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