劉 震

(上海中梁地產(chǎn)集團(tuán)有限公司，上海 200331)

1 性能目標(biāo)及性能水準(zhǔn)

針對不同抗震設(shè)防要求、場地條件以及建筑的重要性，采用不同的性能目標(biāo)[1,2]和抗震措施。根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》[3]結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)分為A,B,C,D四個等級，結(jié)構(gòu)抗震性能分為五個水準(zhǔn)。

2 本工程性能目標(biāo)的確定

本工程擬采用抗震性能目標(biāo)C對超限高層進(jìn)行分析設(shè)計，具體表述如下：

1)7度多遇地震下，結(jié)構(gòu)完好，進(jìn)行彈性設(shè)計，豎向構(gòu)件無損壞，耗能構(gòu)件無損壞，不需修理即可繼續(xù)使用；

2)7度設(shè)防烈度下，輕微損壞，進(jìn)行不屈服計算，結(jié)構(gòu)薄弱部位或重要部位構(gòu)件不屈服，不考慮地震內(nèi)力調(diào)整；抗震承載力滿足強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，材料分項系數(shù)、作用分項系數(shù)取1.0；允許部分選定的部位進(jìn)入屈服階段，但不得發(fā)生脆性破壞(如剪切等)；一般修理后可繼續(xù)使用；

3)7度大震下中等損壞，進(jìn)入限定屈服狀態(tài)，模擬非線性分析，滿足既定的變形要求，重要部位構(gòu)件允許達(dá)到屈服但滿足既定的變形要求(混凝土的層間變形控制在1/50)，豎向構(gòu)件不發(fā)生脆性破壞；修復(fù)或加固后可繼續(xù)使用。

3 工程實例

3.1 工程概況

本工程為高層五星級酒店，地上建筑面積為62 940 m2，共10層，建筑高度42.6 m。建筑首層為商業(yè)用房及酒店配套用房，層高6 m；2層為宴會廳、會議室等酒店配套用房，層高5 m；3層、4層為酒店配套用房及客房，層高3.5 m；5層以上為酒店客房，層高3.5 m。鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)層平面呈圓弧形，標(biāo)準(zhǔn)柱網(wǎng)尺寸為8.7 m×9.8(10.3)m。

3.2 超限判定

本工程建筑高度為A級高度限值，滿足(建質(zhì)[2010]109號)規(guī)定表一的要求；結(jié)構(gòu)規(guī)則性判斷結(jié)果如下：

一項不規(guī)則項超限：

第3項：本層側(cè)向剛度小于相鄰上層的50%。

X向地上2層與地上3層側(cè)向剛度之比為0.477。

Y向地上2層與地上3層側(cè)向剛度之比為0.362。

三項不規(guī)則項超限：

第1a(1b)項：考慮偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比大于1.2。

相鄰層質(zhì)心相差大于相應(yīng)邊長15%。

第4a(4b)項：相鄰層剛度變化大于70%或連續(xù)3層變化大于80%。

豎向構(gòu)件位置縮進(jìn)大于25%。

第7項：斜柱(78.7°)。

3.3 各項不規(guī)則超限具體情況

1)根據(jù)計算結(jié)果，偶然偏心下的扭轉(zhuǎn)位移比：X方向最大值為1.34>1.2；Y方向最大值為1.23>1.2，但均小于1.4;

2)根據(jù)計算結(jié)果，標(biāo)準(zhǔn)層偏心率自2層向上逐漸減小：X方向最大值為12.5%<15%，Y方向最大值為5.7%<15%；

3)根據(jù)計算結(jié)果，本工程3層處X向,Y向?qū)觿偠缺戎?本層側(cè)移剛度與上一層相應(yīng)側(cè)移剛度70%的比值或上三層平均側(cè)移剛度80%的比值中之較小者)分別為0.79,0.64，不滿足規(guī)范要求；

4)主樓部分帶有2層裙房，裙房結(jié)構(gòu)高度為H1=13+0.5=13.5 m，結(jié)構(gòu)總高H=41.5 m，H1/H=0.325>0.2，需考慮豎向縮進(jìn)的影響，縮進(jìn)的豎向位置在3層樓面處。豎向縮進(jìn)百分比：A—A剖面處為35%>25%；B—B剖面處為47%>25%，且大于35%(見圖1)；

5)主體結(jié)構(gòu)兩側(cè)兩端兩排8根柱子在4層以上向同一方向傾斜向上，斜柱與水平面角度為78.7°;

6)根據(jù)計算結(jié)果，塔樓與底盤的質(zhì)心偏心率：X方向為4.5%<20%；Y方向為8.1%<20%(見圖1)；

7)根據(jù)計算結(jié)果，本工程受剪承載力比值均滿足規(guī)范要求。

總結(jié)：以上不規(guī)則項中，第1)項、2)項不重復(fù)計入，第6)項，7)項均滿足規(guī)范要求，故存在1項平面不規(guī)則、3項豎向不規(guī)則，應(yīng)屬于超限高層建筑。

3.4 計算分析內(nèi)容

1)整體結(jié)構(gòu)多遇地震作用下彈性分析。

首先進(jìn)行結(jié)構(gòu)多遇地震作用下彈性分析，各項指標(biāo)滿足現(xiàn)有規(guī)范的基本要求。

2)重要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的中震和大震下的彈塑性分析。

對結(jié)構(gòu)受力關(guān)鍵部位(豎向構(gòu)件)以及斜柱(主要為兩端頭4層以上8根斜柱)，進(jìn)行詳細(xì)的計算分析，確保相應(yīng)部位結(jié)構(gòu)構(gòu)件在相應(yīng)烈度地震下的受力性能。

3.5 重要構(gòu)件的中震和大震下的彈塑性分析

3.5.1重要構(gòu)件抗震性能目標(biāo)和抗震性能水準(zhǔn)的設(shè)定

本工程4層至屋面兩端兩排8根柱子為向同一方向同一角度傾斜而上的斜柱，這8根框架柱為本工程的關(guān)鍵及薄弱構(gòu)件。為確保整體結(jié)構(gòu)的安全，對上述結(jié)構(gòu)構(gòu)件提出具體的抗震性能目標(biāo)。具體按以下規(guī)定進(jìn)行設(shè)計：

1)在中震作用下：

2)在大震作用下：

3.5.2重要構(gòu)件的抗震性能設(shè)計的實施

1)計算分析采用的程序和主要設(shè)計參數(shù)。

采用SATWE程序根據(jù)上述抗震性能設(shè)計目標(biāo)進(jìn)行相關(guān)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的計算分析，中震及大震驗算均采用彈性分析(適當(dāng)考慮結(jié)構(gòu)彈塑性)。主要分析計算參數(shù)取值如下：

水平地震影響系數(shù)最大值取0.23(中震)、0.45(大震)；

結(jié)構(gòu)的阻尼比取為0.06(中震)、0.07(大震)；

中震彈性計算時：荷載效應(yīng)以及材料強(qiáng)度均采用設(shè)計值，承載力抗震調(diào)整系數(shù)γre按規(guī)范取值；

中震以及大震不屈服計算時：荷載效應(yīng)以及材料強(qiáng)度均采用標(biāo)準(zhǔn)值，承載力抗震調(diào)整系數(shù)γre取1.0。

2)中震下斜柱正截面不屈服計算結(jié)果。

計算結(jié)果表明，在中震作用下，斜柱的計算配筋值比小震彈性下的計算配筋值大，施工圖斜柱縱筋配筋擬采用中震不屈服計算結(jié)果。

3)中震下斜柱受剪彈性計算結(jié)果。

計算結(jié)果表明，在中震作用下，斜柱的箍筋配筋值未超過小震彈性下的計算配筋值。

4)大震下斜柱抗剪截面限值條件驗算。

計算結(jié)果表明：大震作用下，4層及以上層斜柱最大計算剪力值為3 090 kN，4層以上斜柱截面為900×900，混凝土的等級為C40，0.15fckbh0=0.15×26.8×900×870=3 147.7 kN,斜柱受剪截面滿足規(guī)范要求；均未出現(xiàn)不滿足剪壓比限值的情況，滿足大震下抗剪截面限值條件。

3.6 罕遇地震彈塑性靜力推覆分析(PUSH)

3.6.1彈塑性分析的目的

1)了解結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的彈塑性性能，根據(jù)彈塑性變形驗算，判斷結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的抗倒塌能力；

2)了解框架的損傷和塑性變形情況，著重發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的薄弱樓層以及薄弱構(gòu)件；

3)根據(jù)上述分析結(jié)果，針對薄弱部位和薄弱構(gòu)件提出切實可行的構(gòu)造措施。

分析計算采用中國建筑科學(xué)研究院PKPMCAD工程部編制的“PUSH&EPDA”。

3.6.2計算結(jié)果分析

1)最不利方向的能力曲線、需求曲線及抗倒塌驗算簡圖如圖2所示。

根據(jù)圖2中顯示，最不利方向的需求層間位移角為1/124<1/50，可滿足“大震不倒”的最低性能目標(biāo)要求。

2)最不利方向第44加載步結(jié)構(gòu)位移曲線及層間位移角曲線見圖3。

根據(jù)圖中顯示，罕遇地震下層間位移角曲線呈折線型，在2層和5層樓面處存在較大幅度的彎折，主體結(jié)構(gòu)存在明顯的薄弱樓層。圖中顯示，最大層間位移角樓層為第5層。

3)最不利方向第39加載步結(jié)構(gòu)塑性鉸及彈塑性狀態(tài)見圖4。

根據(jù)結(jié)構(gòu)彈塑性狀態(tài)簡圖可知，在罕遇地震作用下，大部分塑性鉸都出現(xiàn)在框架梁上，框架柱中僅在兩端斜柱有塑性鉸出現(xiàn)，基本可以實現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”的設(shè)計原則。

根據(jù)上述情況，兩端斜柱為本工程的相對薄弱構(gòu)件，施工圖設(shè)計時擬采取提高斜柱縱筋及箍筋的配筋率等措施進(jìn)行加強(qiáng)處理。

3.7 抗震設(shè)計結(jié)論

1)兩種軟件的計算結(jié)果比較接近，結(jié)構(gòu)構(gòu)件在多遇地震下均處于彈性工作狀態(tài)，層間位移角滿足規(guī)范要求，可保證小震完好、無損壞。

2)通過對某些重要構(gòu)件進(jìn)行中震彈性分析(主要為斜柱)，重要構(gòu)件結(jié)構(gòu)的抗震性能目標(biāo)達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。在中震作用下，構(gòu)件的宏觀破壞程度可以滿足輕度損壞級別，在大震作用下，構(gòu)件的宏觀破壞程度介于中度損壞～比較嚴(yán)重破壞之間。

綜上所述，本工程抗震設(shè)計基本可以達(dá)到預(yù)期的性能目標(biāo)，在規(guī)范規(guī)定的地震作用下，結(jié)構(gòu)是安全的。

4 結(jié)語

通過以上工程實例以及理論闡述，可以得到以下結(jié)論：

1)通過基于性能的抗震設(shè)計方法應(yīng)用于實際工程的分析設(shè)計，可將工程切實可行的推行下去，這種抗震設(shè)計理念是未來結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的必然趨勢；

2)抗震性能分析計算過程的復(fù)雜性，必須具有行之有效的計算軟件以達(dá)到業(yè)主和使用者對建筑功能要求。

參考文獻(xiàn)：

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