超限结构抗震性能分析探讨

摘要：通过结合实例对某超高层塔楼以及裙房进行超限分析，对项目进行超限判断及超限设计可行性论证分析，明确结构薄弱位置和薄弱构件，从而提出可采取的加强措施以指导施工图设计。

关键词：结构设计；超限结构；超限分析；抗震性能

中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：

工程概况

某超高层位于广东某市区CBD地块，总用地面积8521.1平方米，总建筑面积82315㎡。高度约213.5米的超高层塔楼以及地上6层裙房，下设三层地下室（塔楼下设四层地下室）。该地区的设防烈度为7度，抗震等级为一级，风荷载为0.5kN/m2。

结构设计

塔楼采用框架-核心筒结构体系，框架柱采用钢管混凝土柱，梁采用钢筋混凝土梁（局部采用型钢梁），核心筒采用钢筋混凝土核心筒，结构高宽比为7.4，核心筒高宽比为18.17，在31F，45F设有两个加强层。在五~六层中间利用设备层做转换层，采用梁式转换，转换层设置标高为23米。高宽比为3.22，长宽比为4.13，转换层上下剪切刚度比值γ=1.395。裙房采用混合框架结构（钢梁-钢管混凝土柱）。裙房和塔楼之间通过设置由裙房顶至嵌固层的抗震缝分为两个独立的结构单体。地下室首层采用钢筋混凝土梁板结构体系，地下二、三层采用无梁楼盖结构体系。

图1 标准层平面图

7度区B级高度框架-核心筒结构不超过180m，本工程高度约为213.5m，考虑偶然偏心的扭转位移比大于1.2，某楼层开洞面积大于50%。根据超限情况详细分析表可知该超高层塔楼属超B级高度高层建筑结构，应进行超限高层抗震专项审查，但不属于严重不规则建筑。

对本超限结构构造措施经多次分析论证，认为其主要不利因素为：框支剪力墙结构在转换层以下，支撑框架与落地剪力墙并存，形成了“支撑框架— 剪力墙”体系。此中，支撑框架是一个薄弱环节。这种结构体系，在高位转换时，由于在转换层附近的刚度、内力和传力途径发生突变，易形成薄弱层，对抗震不利。同时，支撑框架柱要直接承担上部传来的重力荷载，直接承担其上剪力墙由于倾覆力矩产生的轴力，要直接承担不可能依靠楼板全部间接传力给落地剪力墙而有一部分直接传来的地震水平剪力。这样使得转换层以下支撑框架柱的内力远大于计算分析结果。

另外，针对本工程的混合框架结构部分，钢骨混凝土中设置抗剪栓钉的要求,钢骨混凝土与钢筋混凝土结构的显著区别之一是型钢与混凝土的粘结力远远小于钢筋与混凝土的粘结力。根据国内外的试验，大约只相当于光面钢筋粘结力的45%.因此，在钢筋混凝土结构中认为钢筋与混凝土是共同工作的，直至构件破坏。而在钢骨混凝土中，由于粘结滑移的存在，将影响到构件的破坏形态、计算假定、构件承载能力及刚度、裂缝。通常可用两种方法解决，一是在构件上另设剪切连接件（栓钉），并按照计算确定其数量，即滑移面上的剪力全由剪切连接件承担，称为完全剪力连接。这样可以认为型钢与混凝土完全共同工作。另一种方法是在计算中考虑粘结滑移对承载力的影响，同时在型钢的一定部位：如（1）柱脚及柱脚向上一层范围内；（2）与框架梁连接的牛腿的上、下翼缘处；（3）结构过渡层范围内的钢骨翼缘处加设抗剪栓钉作为构造要求。构件中设置的栓钉应符合国家现行标准《园柱头焊钉》GB10433的规定，栓钉直径一般为19，长度不宜小于4倍栓钉直径，间距不宜小于6倍栓钉直径，且不宜大于200mm.并采用特制的设钉枪进行焊接，焊接质量应满足规范要求。在本次设计中，过渡层设置在转换层中，柱顶加设一块25厚柱顶锚固板。但在实际施工过程中，转换大梁配筋较多，柱顶锚固板直接影响转换大梁钢筋的锚固，经多方研究，取消了柱顶锚固板，为转换大梁的顺利施工创造了条件。经济比较未采用钢骨混凝土柱前，框支柱截面尺寸为1300X1300mm，上部住宅为6~25层。采用钢骨混凝土柱后，框支柱截面尺寸为1100X1100mm，上部住宅为6~26层，框支柱截面面积减少了30%左右，住宅面积增加了1860平方米。

结构体系分析

鉴于本工程属于超限结构，分别使用MIDAS和SATWE（2011年9月版）两种三维空间结构分析程序进行计算比较，按振型分解反应谱法进行抗震计算。

图1模型图

通过采用SATWE与MIDAS计算分析结果对比表明，在地震作用下，X方向的地震下两软件分别算出层间位移角为1/848、1/821；Y方向地震的层间位移角分别为1/1130、1/1046。

图2塔楼--地震作用下层间位移角

静力弹塑性分析

采用MIDAS对结构进行静力弹塑性分析。计算模型采用刚性楼板假定，采用两方向的基本振型作为侧向加载模式。首先进行重力荷载代表值下的非线性分析，然后连级加载进行静力弹塑性分析。结构的非线性性质采用集中塑性铰模拟，粱、柱、支撑构件采用空间粱一柱单元模拟，剪力墙构件采用墙单元模拟。采用FEMA356中所建议的结构非线性地震分析方法，对构件弹塑性变形限值参照FEMA273使用，而对于混凝土构件，弹塑性变形限值则参照ATC40所提供的限值。由于结构在罕遇地震作用下的水平位移较大，所以分析中考虑“P-Δ”效应来计入几何非线性的影响。图3和图4分别为x向的性能曲线和罕遇地震作用下的塑性铰发展情况。

图3X向性能曲线 图3X向罕遇地震塑性铰

在罕遇地震作用下，结构X向的最大层间位移角为l／145，Y向的最大层间位移角为1／139，均满足规范关于筒中筒结构的弹塑性层间位移角限值1／120。推覆分析过程表明，在小震作用下，结构保持弹性；在中震作用下，较多核心筒连梁出现屈服，主要集中在结构中部，部分中下部外框筒梁屈服；在大震作用下，大量核心筒连梁严重屈服，外框筒梁也大量屈服，外框筒柱和核心筒剪力墙基本未屈服，而外框筒转换斜撑则仍保持弹性。

罕遇地震作下非线性地震反应分析与抗震性能评价

采用软件MIDAS Building验算结构在罕遇地震作用下的结构抗震性能，分析其是否能够满足结构抗震性能目标。为达到在罕遇地震作用下防倒塌的抗震设计目标，现采用以抗震性能为基准的设计思想和以位移为基准的抗震设计方法。

基于性能化的抗震设计方法是使抗震设计从宏观定性的目标向具体量化的多重目标过渡，强调实施性能目标的深入分析和论证，具体来说就是通过复杂的非线性分析软件对结构进行分析，通过对各结构构件进行充分的研究以及对结构的整体性能的研究，得到结构系统在地震下的反应，以证明结构可以达到预定的性能目标。结构丧失稳定以致倒塌一般是由于重力作用在有过大侧向变形后结构的几何状态所引起的，这种效应称作“P-Δ”效应。因此，达到防倒塌设计目标的中心思想是限制结构的最大总弹塑性变形在规定的限值以内。根据《高层建筑钢-混凝土混合结构设计规程》(CECS230：2008)，取弹塑性最大层间位移角限值为1/50。限制结构的最大弹塑性层间位移角还不足以保证达到防倒塌的抗震设计目的。以结构构件的弹塑性变形和强度退化来衡量的构件的破坏也必须被限制在可接受的限值以内，以保证结构构件在地震过程中仍有能力承受竖向地震力和重力以及保证地震结束后结构仍有能力承受作用在结构上的重力荷载。

5.1结构非线性地震反应分析模型

为进行结构的非线性地震反应分析，本节建立了结构的三维非线性结构整体分析模型。该模型与弹性分析的SATWE模型一一对应，结构整体模型从结构嵌固层开始。

对结构构件的模拟，其中本工程框架柱采用钢管混凝土构件，采用修正武田三折线滞回模型，柱铰定义为P-M相关铰。当初次加载时沿着三折线骨架曲线移动，卸载刚度使用弹性刚度，随着荷载的加大强度也加大，因此可以用于模拟钢材的包辛格效应(Bauschingereffect)。对正向和负向可定义不同的屈服后的刚度折减系数(随动硬化模型的正向和负向的刚度折减系数相同)。本工程框架梁及支撑均采用钢构件，采用标准三折线模型。结构的总质量及其分布与结构的重力荷载代表值对应。结构塔楼结构非线性分析模型的总质量约为2.9万吨。总质量与SATWE模型中总质量一致。大震时阻尼按CECS230：2008所建议的阻尼比值取为0.05。上述5%的阻尼比在满足质量参与系数达到90％的频域范围内不变。在为确保MIDAS Building非线性结构模型在构件进入弹塑性阶段工作之前，该模型动力特性与弹性的SATWE模型相一致，采用了MIDAS Building求解特征值的功能得到了模型小变形、小应变的周期和振型。在求解特征值的分析中，构件的刚度值取其初始的弹性刚度。采用一条地面设计谱人工波加速度时程记录、两组地面设计谱加速度时程记录（天然波），阻尼比0.05。

5.2结构非线性地震反应分析

非线性动力时程分析是进行结构非线性地震反应分析最完善的方法。为了了解该结构在大震作用下由弹性到屈服以及屈服后阶段的全过程的行为；判断该结构在大震作用下是否存在可能的薄弱区，其薄弱程度如何。从结构在人工波（X:Y=1.0:0.85）作用下塑性铰的发展，可以发现框架铰部分进入开裂及开裂到屈服前状态，只有少数进入屈服及屈服后状态。根据结构特性，这种塑性发展基本满足结构概念设计要求。罕遇地震作用下框架柱塑性损伤部分达到第一屈服铰状态，极少数框架柱在罕遇地震作用下出现受弯屈服，转换柱均未屈服。

由以上的分析可以看出：（1）罕遇地震作用下，结构主要的抗侧力构件没有发生严重破坏，多数柱子间支撑屈服耗能，部分框架梁参与塑性耗能，但不至于引起局部倒塌和危及结构整体安全，大震下结构性能满足“大震不倒”的要求；（2）通过罕遇地震作用下塑性铰发展可以看出，部分框架梁的塑性损伤超过开裂强度水准，少数超过屈服强度水准；框架柱塑性损伤绝大部分未达到开裂强度水准，极少数框架柱在罕遇地震作用下出现屈服；局部转换处的转换梁柱，均处于弹性及开裂强度水准，未出现屈服，达到结构在大震下性能水准的要求；（3）罕遇地震作用下，结构楼层位移角时程包络满足不大于1/50的抗震设防要求；整体来看，结构在罕遇地震作用下的弹塑性反应及破坏机制，符合结构抗震工程的概念设计要求，抗震性能达到“大震不倒”的抗震性能目标。

结语

在设计过程中，从计算分析、结构布置、结构抗震概念设计和构造几个方面，采取对策和措施确保该工程安全、可靠、经济。通过采用两种计算程序对塔楼进行计算，互相校核整体指标，确保计算的准确、可靠。对于采用钢管柱，有效提高框架柱承载力，减少柱截面的同时提高了延性，达到结构的抗震性能要求。

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