第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 昆明小厂村超限高层建筑剪力墙结构抗震设计 姚永革 （广州瀚华建筑设计有限公司，广州510655） 提要：昆明小厂村项目由4栋127.7-129.8m的超高层住宅组成，属于B级高度的剪力墙结构体系，本文介绍了该8度 设防区超高层剪力墙结构体系抗震性能化设计的主要结果，特别介绍了采用弹塑性分析软件Perform-3D在“中震可修、大 震不例”二阶段抗震设计中的具体应用情况，并根据Perfomm-3D中震动力弹塑性分析与SATWE弹性中震分析的比较结果， 提出8度区的同类结构中震分析的建议.
关键词：Perform-3D：中震动力弹塑性分析与等效弹性分析结果对比：8度区超高层剪力墙结构 1项目概况 本项目位于昆明市火车北站西侧，总建筑面积约 20.28万m㎡”，由A、B、C、D4栋超高层住宅组成，其中， A、B、C栋建筑总高127.7米，地面以上45层，首层高 4.2米，二层高3.2米，三层以上各层层高均为2.80米， X、Y向的高宽比分别为3.65和5.13：D栋建筑总高129.8 米，地面以上46层，首层高3.5米，二层以上各层层高 均为2.80米，X、Y向的高宽比分别为3.70和4.32.
设 两层地下室，底板面标高为-11.60米.
A~D栋建筑效 图1昆明小厂村A-D栋效果图 果见图1.
2结构选型和布置 2.1结构体系 由于昆明的抗震设防烈度为8度，设计基本地 震加速度为0.20g，设计地震分组为第三组，因此结 构遭受的地震作用较大，结合使用功能为住宅的建 筑特点，4栋塔楼均采用全部落地剪力墙结构体 系.
因4栋塔楼的结构体系和性能特点基本相似， 下面以A栋为例，介绍塔楼的结构超限设计情况.
2.2结构布置 本工程超限的内容为：高度超出了全部落地剪 力墙结构体系A级最大适用高度的要求，属于B级 图2A栋标准层结构布置图 高度结构.
建筑平面基本规则，保证了楼板作为刚性隔板传递水平力的可靠性，A栋塔楼标准层的结构布 置见图2.
建筑外周一圈的剪力墙厚度沿全高均保持为350mm厚，且外立面除窗洞外均设成1200mm高的结构连 梁，形成了较为强大的整体结构抗扭刚度：其余大部分剪力墙在1-6层底部加强区厚度为300mm，7-16层 和17-28层遵循数量由少至多的规律将部分墙肢收为200mm，29-45层则均为200mm，混凝土强度等级则 从底层的C60逐步收至顶层的C35.
适当加强结构底部侧向刚度，尽量减少上部质量，是提高超高层结构 抗震性能行之有效的办法.
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 2.3抗震参数 结构抗震的相关参数详见表1.
表1结构抗震的相关参数 2.5超限计算分析及加强措施 建筑结构安全等级 二级 根据结构高度超限且地处8度抗震设防区的特点，对结构 结构重要性系数 1. 0 进行了以下的计算分析：（1）采用SATWE和ETABS2个不 建筑结构抗震设防类别 丙类 同力学模型的程序进行弹性分析：（2）对结构作小震作用下的 设计使用年限 50年 弹性时程补充分析：（3）采用Perform-3D软件对结构进行中 建筑高度 B级 震和罕遇地震下的动力弹塑性时程分析，并进行小震波的对比 抗震设防烈度 8度 分析：（4）采用Perform-3D软件对结构进行罕遇地震下的 设计基本地震加速度 0.2g Pushover分析，以与动力弹塑性分析做参考对比.
场地类别 11类 对剪力墙分布筋和边缘构件纵筋采取的加强措施如下表： 场地特征周期（s） 0.45 楼层 分布筋配筋率 边缘构件配筋率 结构阻尼比 0 05 -1~6 层 0.6% 1. 6% 剪力墙抗震等级 一级 7~16 0.4% 1. 4% 17~28 0.3% 1. 2% 29~项层 0.3% 1. 0% 2.6抗震性能设计的结构性能目标 针对本工程的结构特点，按照《高规》设定本结构的抗震性能目标详表2.
表2结构抗震性能目标 地震水准烈度 小震 中震 大震 性能目标 C 性能水准 1 3 4 宏观性能目标 完好、无损坏 轻度损坏 中度损坏 层间位移角限值 1/1000 --- 1/120 关键构件 剪力墙底部加强部 无损坏 轻微损坏，即受剪弹性，压弯不 轻度损坏，应变属屈服初期，处 位 屈服 于安全使用状态 普通竖向构件 无损坏 轻微损坏，即受剪弹性，压弯不 部分构件中度损坏，即受剪不破 屈服 坏，受弯屈服 耗能构件 框架梁和连梁 无损坏 轻度损坏、部分中度损坏 中度损坏、部分比较严重损坏 3小震作用下的弹性分析 表3A栋自振周期及周期比 报型 SATWE ETABS Perforn=3D 振动 因昆明基本风压较小，故一般不起控制作用，下面只介绍 周期 周期 周期 特性 小震作用的情况.
小震作用下SATWE、ETABS计算的各项整 1 2. 553 2. 493 2. 407 x向 体指标与Perform-3D的比较情况详见表3-表5.
由表可见，3 2 2.391 2.382 2.239 y向 个软件的计算结果基本吻合，各项指标也满足规范要求.
其余 3 1. 654 1.623 1.626 扭转 刚重比、层侧向刚度比及楼层抗剪承载力比等指标均满足规范 4 0. 801 0. 768 0.752 x向 要求，这里不再一一列举.
小震弹性动力时程分析的结果则表 5 0. 670 0.659 0 668 y向 明，在各波基底剪力满足规范要求的前提下，各项指标时程分 6 0. 555 0.545 0 543 扭转 析的平均值均小于CQC法.
因此判断，本工程能达到小震作 Tt/T1 0.65 0.64 0.68
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 用下“完好、无损坏”的第1水准的抗震性能目标.
表4A栋重力及小震基底剪力 项目 ETABS 表5A栋位移角及扭转位移比 SATVE Perfors=3D 恒0.5 工况 SATWE ETABS Perforn=3D （kN） 551264 551200 548622 受力方向 x向 Y向 X向 Y向 X向 Y向 方向 X Y X Y x 层间位移角 1/184 1/129$ 1/1145 1/1188 1/1196 /127s 基底剪 力（kN） 17706 18820 17850 18860 15733 17123 扭转位移比 1.14 1.25 1.17 1.23 注：Perforn-3D 时程结果满足不小于CQC法80% 4采用Perform-3D进行中、 大震的动力弹塑性分析 4.1弹塑性分析概述 本次超限设计采取比2010年《超限高层建筑工 程抗震设防专项审查技术要点》（以下简称“要点”） 更严格的标准进行，采用了弹塑性时程方法对结构 加速度时程曲线 加速度时程曲线 进行中震和大震分析，分析软件是美国加州大学伯 克利分校的Perform-3D，以期对8度区典型的超高 层剪力墙结构体系在三水准地震作用下的响应有 一个较全面的了解.
采用国际学术界广泛认可的Perform-3D软件进 造曲线与规范谱对比 请由线与规版谱对比 大震人工波（主方向） 大震人工波（次方向） 行静力和动力弹塑性分析，Perform-3D程序具有 完善的模型库，稳定可靠的算法，代表了抗震工程 研究的先进技术.
4.2分析模型和参数 整体模型嵌固于地面，竖向荷载施加在梁和剪 力墙上，按照100%恒载和50%活载导算地震质量 加速度时程曲线 加速度时程曲线 集中作用于楼层质心上，楼板按平面内无限刚假 定.
对结构抗侧刚度有影响的构件均按实际情 况进行模拟，但为简化输入和计算而取消了次梁， 各构件对应的模型具体如下： （1）剪力墙采用弹塑性纤维模型，其中钢筋采用 理想弹塑性模型：混凝土材料采用三折线模型，考 曲线与规范造对比 请由线与现底请对比 虑暗柱处受箍筋约束的影响，平面外以及纵截面作 大震天然波1（主方向） 大震天然波1（次方向） 弹性假定，平面内的剪切按弹性材料定义，控制剪 力墙在大震下剪力不超过其截面限制条件，为近似 模拟其在大震下开裂而刚度退化，将剪切模量按弹 性值的1/4输入.
（2）连梁和框架梁由两端塑性较、两端剪切强度 时() 截面（用于度量剪力）或中间的剪切较、以及中间 加速度时程曲线 加速度时程曲线 的弹性杆组成.
4.4动力弹塑性时程分析 4.4.1地震波的输入 本工程中震和大震采用1条人工波，2条天然 曲线与规范请对比 请由线与现监造对比 大震天然波2（主方向） 大震天然波2（次方向） a.大置波反应谱与规范大震反应谱的对比
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 波进行时程分析，持时为20s满足大于基本周期 5倍的要求.
经比较，所用地震波的反应谱与规 范反应谱在基本周期附近满足在统计意义上相 符的要求，如图3所示.
时程分析结果取3条波 加速度时程电线 加速度时程曲线 的包络值.
2 4.4.2中震弹塑性时程分析（PGA=200gal） 对中震作用下结构的抗震性能评价如下： （1）中震作用下结构的整体性能指标详见表6.
造曲线与规范谱对比 谱由线与规夜谱对比 由表可知，在未扣除整体弯曲变形的情况下，最 中震人工波（主方向） 中震人工波（次方向） 大层间位移角大致接近2倍的弹性位移限值 （1/500），与新《抗规》中性能3的水准相当： 与小震的基底剪力比大致为弹性中震与小震比 值（200/70=2.86）的0.9倍，表明结构整体进入 加速度时程曲线 加速度时程曲线 轻度的塑性状态耗散部分地震能量，其程度是适 当的.
表6中震下结构的整体性能指标 方向 X向 Y向 最大层间位移角 1/459 1/562 所在楼层 9 29 请曲线与规范谱对比 谱曲线与规范谱对比 最大顶点位移（mm） 61 188 中震天然波1（主方向） 中震天然波1（次方向） 最大基底剪力 38875 39768 与相应小震基底剪力的比 2.47 2.68 值 加速度时程曲线 （2）分析结果表明，结构在x、y向的变形和层 加速度时程曲线 剪力曲线形状基本相似，以下仅列出y向的结果 如图4所示.
可见中震下结构未见有变形和受力 集中的现象，未发现薄弱层.
（3）中震下剪力墙端部钢筋拉应变和砼压应变 及其所处的状态详见表7.
可见剪力墙全部处于 弹性状态，未出现塑性损伤.
请曲线与规范谱对比 谱曲线与规范谱对比 表7中震下剪力墙的变形状态 中震天然波2（主方向） 中震天然波2（次方向） 方向 X向 Y向 b.中票波反应谱与规范中震反应语的对比 塑性校区钢筋 需求能力比 0.10 0.072 图3地震波加速度谱与规范反应谱的对比 实际应变 0.001 0.00072 拉应变 所处状态 弹性 弹性 塑性校区砼压 需求能力比 0.11 0.10 实际应变 0.0007 0.00065 应变 所处状态 弹性 弹性 上部非校区钢 需求能力比 0.11 0.15 筋拉应变 实际应变 00000 0.00045 所处状态 弹性 弹性 需求能力比 a楼层侧移包络 b.楼层剪力包络 c.层间位移角包络 上部非校区砼 0.11 0.11 压应变 实际应变 0.00044 0.00044 图4y向中震作用下结构的非线性反应 所处状态 弹性 弹性 注：需求能力比为实际应变与极限应变之比，当实际 应变达到0.002时表示钢筋届服或砼进入塑性.
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 （4）中震下梁的塑性较分布详见图5.
可见，仅小部分跨 高比较小的连梁出现塑性较，分布范围不大，塑性程度较 轻，从需求能力比小于0.5（即转角小于0.01）可参照美 国ASCE41规范判断较均处于安全使用状态.
梁较早出现 塑性较，实现了作为第一道抗震防线减刚耗能和保护墙肢 的目的，这与采用弹性程序近似进行中震分析的结果产生 一定程度的差异，将在第5节进行专门的论述.
（5）结构在中震下的耗能分配图详见图6.
输入结构 的地震能量一部分通过动能和应变能形式转换输出，一部 分由结构自身消耗包括阻尼耗能和滞回耗能，当结构处于 弹性状态时，能量输出主要由动能、应变能和阻尼耗能组 成，当出现滞回耗能后，则表明结构已有部分构件进入屈 服而发生塑性耗能，这时阻尼耗能也相应增大，因结构进 入弹塑性后阻尼比也相应增大.
由图6可见，结构在3秒 左右开始出现滞回耗能（对应第一批连梁屈服），约18秒 X向弯曲校 X向弯曲校 图5连梁和框架梁的塑性较分布 （灰色表示出现较，Max值表示最大需求能力比） 表8大震下结构的整体性能指标 方向 X向 Y向 最大层间位移角 1/184 1/189 a.x向 b.y向 所在楼层 15 17 图6中震耗能分配图 最大顶点位移 544.5 538.2 后滞回耗能平稳，在能量平衡体系中滞回耗能约占总 (mm) 量45~46%，可认为是适当而有限地通过塑性变形消 最大基底剪力 60868 61988 耗了地震能量.
与相应小震基底 剪力的比值 4.2 4.2 4.4.3大震弹塑性时程分析（PGA=400gal） 对大震作用下结构的抗震性能评价如下： （1）大震作用下结构的整体性能指标详见表8.
由表可知，最大层间位移角小于规范限值（1/120）：与小 震的基底剪力比大致为弹性大震与小震比值（400/70=5.71）的0.74倍，表明结构整体既未发生过度的塑性 开展，又通过塑性变形消耗了相当部分的地震能量，达到了经济而有效的抗震效果.
（2）分析结果表明，结构在x、y向的变形和层剪力曲线形状基本相似，以下仅列出y向的结果如图7所 示.
可见结构变形曲线光滑连续无突变、剪力沿楼高平缓渐变，由下至上逐渐变小，因此即使大震作用下 结构也未见有塑性变形集中和受力集中 的现象，无明显的软弱层和薄弱层.
（3）大震下剪力墙端部钢筋拉应变和砼 压应变及其所处的状态详见表9，剪力墙 损伤状态图见图8.
可见大震下剪力墙首 层的较区局部钢筋屈服但仍处于安全使 a楼层侧移包络b.楼层剪力包络 c.层间位移角包络 用状态，混凝土则基本处于弹性，远未达 图7y向大震作用下结构的非线性反应 到压碎的变形.
