方義慶

（安徽五維建筑規(guī)劃設(shè)計有限公司 合肥 231283）

1 工程概況

某超高層塔樓地上50 層，地下3 層，建筑高度為240 m，結(jié)構(gòu)高度228 m。塔樓典型結(jié)構(gòu)平面如圖1 所示，平面尺寸分別從F23、F40、F45 層開始沿豎向單側(cè)不對稱逐漸內(nèi)收；底層鋼筋混凝土核心筒位于結(jié)構(gòu)正中，核心筒從F23、F37 層開始沿豎向單側(cè)不對稱逐漸內(nèi)收。塔樓結(jié)構(gòu)采用型鋼混凝土柱+鋼梁+鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)體系。

圖1 典型結(jié)構(gòu)平面Fig.1 Typical Plan of Structure

基本抗震設(shè)防烈度為7 度，設(shè)計地震分組為第一組，Ⅳ類場地，多遇地震設(shè)計反應(yīng)譜的阻尼比取0.04，罕遇地震彈塑性分析阻尼比取0.05。

動力彈塑性時程分析是考察建筑結(jié)構(gòu)能否達(dá)到預(yù)定抗震性能目標(biāo)的主要分析方法［1～4］。為考察該塔樓在罕遇地震作用下的抗震性能及核心筒、外框架、收進(jìn)位置樓板等關(guān)鍵構(gòu)件的塑性開展和損傷情況，對該塔樓進(jìn)行了罕遇地震作用下的彈塑性時程分析。

2 抗震性能目標(biāo)與抗震性能評價標(biāo)準(zhǔn)

本工程塔樓結(jié)構(gòu)總體抗震性能目標(biāo)按《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：JGJ 3—2010》［5］取為C 級，各主要抗側(cè)力構(gòu)件的抗震性能目標(biāo)如表1所示。

表1 抗震性能目標(biāo)Tab.1 Seismic Fortification Performance Targets

基于損傷的抗震性能評價量化標(biāo)準(zhǔn)如表2所示［6-8］。

表2 構(gòu)件損壞程度評價標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Evaluation Standard of Component Damage Degree

3 結(jié)構(gòu)彈塑性計算模型

采用三維非線性有限元軟件SAUSAGE 建立三維非線性模型來模擬結(jié)構(gòu)材料以及幾何非線性行為。

3.1 材料模型

混凝土采用彈塑性損傷模型，考慮材料的拉、壓強(qiáng)度差異，剛度、強(qiáng)度的退化和拉壓循環(huán)的剛度恢復(fù)，其軸心抗壓和抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范：GB 50010—2010》［9］規(guī)定取值，材料本構(gòu)關(guān)系的骨架曲線按照文獻(xiàn)［9］附錄C采用。

鋼材的非線性材料模型采用雙線性隨動硬化模型，在循環(huán)過程中考慮了包辛格效應(yīng)。鋼材的強(qiáng)屈比設(shè)定為1.2，極限應(yīng)力所對應(yīng)的極限塑性應(yīng)變?yōu)?.025。

3.2 構(gòu)件模型

梁、柱、斜撐和桁架等一維構(gòu)件采用纖維束模型。剪力墻、樓板采用彈塑性分層殼單元，該單元可采用二維混凝土彈塑性損傷模型本構(gòu)關(guān)系（Plastic-Dam?age）；可疊加鋼筋層（rebar-layer）考慮多層分布鋼筋的作用；適合模擬剪力墻和樓板在大震作用下進(jìn)入非線性的狀態(tài)。三維非線性分析模型如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)彈塑性分析模型Fig.2 Structural Elastic-plastic Analysis Model

3.3 模型檢查

SAUSAGE 彈性模型與ETABS 彈性模型的結(jié)構(gòu)總質(zhì)量及前3 階周期對比如表3所示。兩個模型對應(yīng)的總重量及前3階周期基本吻合。

表3 彈性模型比較Tab.3 Comparison of Elastic Models

4 地震波選取

選取上海《建筑抗震設(shè)計規(guī)程：DBJ 008-9—2013》［10］中的2 組天然罕遇地震波和1 組人工罕遇地震波，如表4所示。

表4 地震波分組Tab.4 Seismic Grouping

3 組地震波反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜對比如圖3 所示，3 組地震波加速度反應(yīng)譜曲線與規(guī)范反應(yīng)譜曲線對應(yīng)結(jié)構(gòu)主振型的周期點上相差不大于20%，滿足“在統(tǒng)計意義上相符”的要求［11］。3組地震波底部剪力及平均剪力與CQC 的對比如表5 所示，均滿足文獻(xiàn)［10-11］要求。

表5 時程波底部剪力與CQC比較Tab.5 Comparison between the Bottom Shear Force of Time Wave and CQC

圖3 地震波反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜對比Fig.3 Comparison of seismic Response Spectrum and Standard Response Spectrum

5 罕遇地震總體信息匯總

5.1 基底剪力

3 組地震波作用下結(jié)構(gòu)的基底剪力最大值如表6所示，X、Y兩個主方向基底剪力最大值分別為97.0 MN和103.5 MN，對應(yīng)的剪重比分別為6.40%和6.82%。彈塑性剪力與彈性剪力比值在0.60～0.82，初步判斷結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了一定損傷和剛度退化現(xiàn)象。

表6 每組地震波的最大基底剪力與相應(yīng)的剪重比Tab.6 The Maximum Base Shear of Each Set of Seismic Waves and Shear Weight Ratio

5.2 層間位移角

3組地震波作用下結(jié)構(gòu)的層間位移角及其對應(yīng)的樓層號如表7 所示，3 組地震波對應(yīng)的結(jié)構(gòu)層間位移角曲線如圖4 所示。X方向和Y方向的最大層間位移角分別為1/107 和1/140，分別出現(xiàn)在38 層和45 層，均滿足小于1/100的限值要求。

圖4 層間位移角曲線Fig.4 Interlayer Displacement Angle Curve

表7 每組地震波對應(yīng)的結(jié)構(gòu)層間位移角最大值Tab.7 The maximum Value of the Interlayer Displacement Angle of the Structure Corresponding to Each Group of Seismic Waves

5.3 能量耗散時程曲線

以NR1.1-4 為例，該塔樓結(jié)構(gòu)在NR1.1-4 地震波作用下地震輸入總能量與各種能量耗散隨時間的變化情況如圖5所示，由圖5可知，前期結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性階段尚淺，以阻尼耗能為主，隨著時間增加，結(jié)構(gòu)的塑性耗能占比例逐漸增加，反映了結(jié)構(gòu)在大震下逐漸進(jìn)入塑性的過程。

圖5 NR1.1-4能量耗散時程曲線Fig.5 Energy Dissipation of NR1.1-4 Time History Curve

6 構(gòu)件抗震性能性能分析

以天然波NR1.1-4 為例，分析核心筒、外框柱、收進(jìn)樓層樓板的塑性開展、損傷情況，考察是否可以達(dá)到預(yù)期的抗震性能目標(biāo)。

6.1 核心筒

6.1.1 剪力墻及連梁受壓損傷情況

NR1.1-4 地震波作用下核心筒損失云圖如圖6 所示，由圖6 可知，核心筒的大部分連梁有較大損傷，另豎向收進(jìn)樓層位置的剪力墻、底部樓層位置的剪力墻位置也有一定損傷。

圖6 核心剪力墻受壓損傷Fig.6 Damage of Core Shear Wall in Compression

豎向收進(jìn)樓層位置的剪力墻，由于抗側(cè)剛度和豎向傳力路徑的突變，導(dǎo)致在該位置剪力墻出現(xiàn)較大損傷，局部受壓損傷因子達(dá)到0.75，施工圖設(shè)計時對損傷較大的墻肢設(shè)置了鋼板墻，予以加強(qiáng)。底部樓層位置的大部分剪力墻損傷因子小于0.2，輕度損壞。

6.1.2 剪力墻及連梁的鋼筋、鋼骨塑性開展情況

NR1.1-4地震波X向作用下剪力墻及連梁鋼筋應(yīng)變與屈服應(yīng)變比值云圖如圖7所示?？梢姡袅ι礓摻罨揪催M(jìn)入塑性狀態(tài)；部分連梁縱向鋼筋進(jìn)入塑性狀態(tài)，塑性應(yīng)變小于0.006。剪力墻邊緣構(gòu)件僅在底部加強(qiáng)區(qū)的部分位置進(jìn)入塑性狀態(tài)，塑性應(yīng)變小于0.002。

圖7 剪力墻鋼筋應(yīng)變與屈服應(yīng)變比Fig.7 Ratio of Reinforcement Strain to Yield Strain of Shear Wall

6.2 框架柱

6.2.1 框架柱受壓損傷情況NR1.1-X 地震波X向作用下的框架柱混凝土受壓損傷云圖如圖8?所示，可見在罕遇地震作用下，框架柱絕大部分處于無損傷；個別斜柱損傷因子達(dá)到0.16，達(dá)到輕微損壞水平。

6.2.2 框架柱鋼骨、鋼筋應(yīng)變

NR1.1-5 地震波X向作用下，框架柱鋼筋應(yīng)變與屈服應(yīng)變比值如圖8?所示，所有框架柱的鋼骨及鋼筋均未進(jìn)入塑性變形，個別斜柱鋼筋應(yīng)變與屈服應(yīng)變比值達(dá)到0.6?？梢云鸬健暗诙揽拐鸱谰€”的作用。

圖8 框架柱受壓損傷及框架柱鋼筋應(yīng)變與屈服應(yīng)變比Fig.8 Frame Column Compression Damage，Ratio of Reinforcement Strain to Yield Strain of Frame Column

6.3 樓板

NR1.1-5地震波X向作用下，墻肢收進(jìn)層（F23）處樓板受壓及鋼筋應(yīng)變與屈服應(yīng)變比值云圖如圖9 所示。大部分損傷因子小于0.2，鋼筋均未進(jìn)入塑性狀態(tài)；斜柱連接位置的樓板損傷因子達(dá)到0.7，鋼筋也未進(jìn)入塑性狀態(tài)，鋼筋應(yīng)變與屈服應(yīng)變比值達(dá)到0.8；施工圖設(shè)計時針對性地加強(qiáng)配筋。

圖9 F23樓板受壓損傷及鋼筋應(yīng)變與屈服應(yīng)變比Fig.9 Compression Damage of F23 Floor Slab and Ratio of Reinforcement Strain to Yield Strain

7 結(jié)論

⑴結(jié)構(gòu)在X方向的層間位移角最大值為1/107；Y方向的層間位移角最大值為1/140，均滿足鋼筋混凝土框架-核心筒層間位移角不大于1/100的要求。

⑵核心筒墻體在罕遇地震下性能良好。核心筒連梁出現(xiàn)了損傷，形成耗能機(jī)制，保護(hù)了核心筒墻肢；核心筒墻肢在剪力墻收進(jìn)處受壓損傷明顯，個別墻肢達(dá)到了嚴(yán)重破壞水平，設(shè)計時需針對這些部位剪力墻做進(jìn)一步加強(qiáng)，其它絕大部分區(qū)域處于輕微損傷水平；底部跨層處剪力墻損傷較小，只出現(xiàn)了輕度損傷。

⑶豎向收進(jìn)位置的剪力墻和樓板與其他位置相比，損傷程度明顯增加，設(shè)計時應(yīng)重點關(guān)注。

⑷框架柱在罕遇地震下性能良好，絕大部分處于輕微損壞水平，個別構(gòu)件達(dá)到中度損壞水平。

⑸滿足“大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)，可達(dá)到預(yù)期的抗震性能目標(biāo)。