第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014 某超限高层汽车展库抗震性能分析 姜安庆 （鲁地国际设计顺润（深圳）有限公司，上海200433） 提要：某高层汽车展库为超限高层，存在首层层高大，平面不规则，大悬挑等超限情况，通过小震、中震、大震 等计算分析，有针对性地对该工程抗震性能进行了分析对比，较好地解决了展库的薄弱抗震环节，提高了整体抗 震性能.
关键词：超限高层，展库，抗震性能分析 1工程概况 本工程为国家重型汽车工程技术研究中心的汽车展库，地上9层（夹层作为一层考虑），无地下层， 结构总高度为39.600米.
汽车展库为超限高层结构，建筑±0.000以上一层为汽车展厅，二层局部夹层， 三层档案室，四-七层办公为主，八层以会议室为主，九层为局部夹层，屋架为轻钢结构，总建筑面积为 25000m.
拟建场地地基土类型属基岩，场地类别为Ⅱ类，抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为 0.05g，设计地震分组第三组，抗震等级为三级.
场地在深度20.0米范围内无饱和砂质粉土和砂土分布， 故在抗震设防烈度为6度时，不考虑地基土液化影响.
基础采用独立基础，地面设置防水板，柱底最大轴 力为7000-12500KN.
2结构特点及抗震设防目标 结构布置： （1）屋盖：采用钢结构，计算时通过抗弯刚度等效原则，用钢梁替代钢桁架 （2）剪力墙：在结构角部布置剪力墙，为避免剪力墙吸收过大的地震力导致过早破坏，在结构中 部设置了防屈曲支撑，保证结构有效的耗能 （3）框架：底层设置了结构加强区，柱截面较上层均有所放大 (4) 楼面：楼面梁布置均匀，梁跨度在7.2米至10.2米之间，楼面梁间距在4至5米之间.机房、 储藏室、多媒体楼板厚150mm，办公、会议室楼板厚120mm 结构特点： (1) 展库首层层高（含夹层）较大，建筑层高7950mm. (2) 结构在1-2、8-9层存在局部跨层柱的情况.
(3) 展厅上空有楼板大开洞情况.
(4) 有大悬挑情况（展库右侧6-8层处外伸9.1米，设计采用钢拉杆在外伸6米处拉结，外挑3.1 米）.
(5) 屋架最大跨度有36米 作者美介：姜安庆（1970-），男，硕士，高级工程师
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014 汽车展库整体模型 抗震设防目标： 根据国家《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》，本工程有三项不规则，分别为扭转不规则 （考虑偶然偏心的扭转位移比大于1.2），楼板不连续（有效宽度小于50%，开洞面积大于30%），尺寸突变 （竖向构件位置缩进大于25%，或外挑大于10%和4米），故本工程汽车展库书属超限高层.
按照《抗规》规定及条文说明，抗震设防性能目标主要通过“两阶段三水准”的设计方法和采取有关 构造措施.
本工程项目除上述原则进行设计外，增加“中震不屈服”性能指标来控制结构关键构件的抗震 性能.
中震不屈服即结构在中震作用下，计算时不考虑地震组合内力调整，荷载作用分项系数取1.0，材 料强度取标准值，抗震承载力调整系数取1.0，不考虑风荷载作用.
3结构弹性分析模型及结果 结构弹性分析主要采用 2011-9版本的 SATVE和V2012版本的 MIDAS Building.
通过对比 SATWE 模型 和MIDAS模型验算发现两者结果基本吻合.
为了保证高层建筑的分析精度，《抗规》条文说明5.2.2要求， 振型个数取振型参与质量达到总质量90%所需振型数，而本工程两个模型前6个振型的X，Y方向的振型参 与质量为99.9%及100%，满足要求.
在结构平面布置的时候，为了减小扭转对结构的影响，结合建筑平面 适当布置剪力墙，控制好周期比和层间位移比两项指标.
出于对长周期结构的安全考虑，《抗规》5.2.5对 剪重比提出了要求，结构在6度设防区的最小值为0.008，且本工程的两种计算模型皆符合要求.
最大层 间位移角是一个刚度控制指标，在《高规》3.7.3中规定，高度不大于150m的高层框剪结构，不宜大于 1/800，两种模型均满足.
由于本工程存在局部夹层，且无夹层区域层高较高，为了考量夹层的影响，增加一个模型作为对比.
将夹层去掉，直接将首层层高取为7.95m作为一层处理.
正常设计的高层建筑下部楼层侧向刚度宜大于上 部楼层的侧向刚度，否则变形全集中于刚度较小的下部楼层而形成结构薄弱层.
故《高规》3.5.2规定， 楼层刚度与相邻上层的比值不宜小于0.7，与相邻上部三层刚度平均值的比值不宜小于0.8，本工程模型 均符合要求.
由于楼层抗侧力结构的承载能力突变将导致薄弱层被破坏，因此《高规》3.5.3规定，A级 高度高层建筑的楼层抗侧力结构的受剪承载力不宜小于其相邻上一层受剪承载力的80%，不应小于其相邻 上一层受剪承载力的65%，满足要求.
刚重比是用于判断结构弹性计算时是否需要考虑重力二阶效应的指 标，《高规》5.4.1规定，刚重比不考虑重力二阶效应的最低限值为2.7，本工程用SATWE计算的X，Y方向 的刚重比均大于2.7，所以该结构不需要考虑重力二阶效应的不利影响.
轴压比是控制结构延性的重要指 标，可以保证柱和墙的塑性变形能力和框架的抗倒塌能力.
《高规》6.3.6，6.4.2规定，框剪结构中的柱轴
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014 压比不宜大于0.9，墙不宜大于0.6（三级抗震.
利用时程分析法，采用两条天然波和一条人工波产生时程波曲线，场地时程加速度峰值为18gal.将 时程分析结果和振型分解反应谱分析结果对照可以发现，层间位移角和底部总剪力比值均满足规范限值.
从上述分析可以看出，结构在风及多遇地震作用下，能保持良好的抗侧性能和抗扭转能力，完全满足 弹性反应阶段的结构性能目标要求.
4中震不屈服分析 4.1计算方法 进行屈服判别的主要对象为剪力墙，柱，连梁及框架梁，不考虑次梁等次要构件.
中震不屈服的设计条件： 1.地震组合内力调整系数1.0 2.作用分项系数和材料分项系数1.0 3.抗震承载力调整系数1.0 4.材料强度采用标准值 5. max=0. 12 6.计算方法用弹性计算 4.2计算结果分析 框架柱的屈服破坏形式主要为压弯破坏，中震不屈服即在中震作用下框架柱的P-M-M包络线应不小于 弹性设计配筋材料标准值下所对应的截面承载力包络图Pu-Mu1-Mu2.
通常按照P-M-M值落在Pu-Mu1-Mu2 图上的位置判断截面是否屈服.
结果表明柱的最大轴力和弯矩均小于标准值所对应的承载力值，因此本工 程的框架柱不屈服.
剪力墙屈服判别依据SATWE模型计算结果，压弯不屈服判别方式同框架柱.
通过绘制剪力墙轴力-弯 矩包络图，易得出剪力墙中震抗弯压不屈服.
剪切不屈服判别可采用《高规》7.2.11条，计算出Vuk和 Vu值.
其中材料强度要用标准值.
非加强区剪力墙满足V/Vuk<=1.0时，剪力墙中震剪切不屈服，加强区 剪力墙V/Vuk<=1.0时，剪力墙中震剪切弹性.计算结果表明，本工程剪力墙满足要求. 悬挑处钢结构在考虑了竖向地震的组合，计算结果发现在小、中、大震三种情况中均不屈服，各项控 制指标满足规范要求. 5静力弹塑性推覆（pushover）分析 静力弹塑性分析选用MIDAS Building2012进行分析. 其中，钢梁、混凝土梁采用M较（弯矩较），钢 柱、混凝土柱采用P-M-M铰（压弯铰）. 墙的配筋采用Building设计计算结果，墙单元用纤维模型模拟， 竖向纤维数量为5，横向纤维数量为3. Pushover分析方法是通过对结构施加沿高度呈一定分布的水平单调递增荷载，将结构推至某一预定的 目标位移或使结构成为机构，分析结构的薄弱位置及其它非线性状态的反应，以判断在地震作用下结构及 构件的变形能力能否满足设计及使用功能的要求. 分析的第一步，给结构施加重力荷载代表值. 第二步，以第一步的内力和变形为初始条件，在此基础 上在X向和Y向分别施加侧向力. 然后建立基底剪力-顶点位移曲线（V-u曲线），再转换为谱加速度-谱位 移曲线（Sa-Sd曲线），即能力谱. 利用ATC-40中建议的有效阻尼计算弹塑性需求谱，其与能力谱的交点 第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014 即为性能点. 本工程采用Procedure-A的方法计算性能点，基本步骤如下： 1.首先获得能力谱的初始切线刚度直线与阻尼比为5%的弹性需求谱的交点，将交点作为初始性能点： 2.计算初始性能点上的等效阻尼以及有效阻尼，利用有效计算弹塑性需求谱，并获得弹塑性需求谱与能 力谱的交点，即获得新的性能点. 3.按照上述过程反复计算，当性能点上的相应位移和相应加速度满足程序内部设置的误差范围时，将该 步骤的性能点作为最终的性能点. 结构可通过性能点来检验结构的抗震能力，若两曲线无交点，说明抗震能力不足：若两曲线相交，交 点对应的位移为等效自由度体系的谱位移. 将谱位移转化为原结构的顶点位移，根据V-u曲线即可确定结 构塑性铰分布. 本工程利用性能点对应的地震作用，求出结构沿X向和Y向的层间位移角，其中X向最大 的层间位移角为1/314，出现在4层：Y向最大位移角为1/877，在3层. 根据《高规》3.7.5，框剪结构 的层间弹塑性位移角限值为1/100，本工程结构满足要求. 6结构抗震加强措施 6.1针对平面不规则及楼板开大洞的措施： 结构计算分析时应及时考虑扭转对结构的影响，控制结构的层间位移比小于1.2，扭转第一周期与平动 第一周期之比小于0.9. 对开洞较多的楼板采用双层双向配筋，且单向最小配筋率不小于0.3%. 对于结构 主体顶板配筋，除了考虑按应力计算配筋外，采用双层双向配筋，以适当提高其抗拉承载力和抗拉刚度. 6.2其他抗震构造措施 1.轴压比控制：对框架柱按三级抗震控制在0.9以内：对剪力墙在底部加强部位按三级抗震控制在0.6 2.悬挑控制：整体悬挑9.1米处采取钢拉杆拉结，在平面钢梁悬挑6米处拉结，减少悬挑跨度至3.1米 3.最大层间位移角控制：高度不大于150m的高层框剪结构，不宜大于1/800 4.抗剪承载力比控制：A级高度高层建筑的楼层抗侧力结构的受剪承载力不宜小于其相邻上一层受剪承 载力的80%，不应小于其相邻上一层受剪承载力的65%，满足要求 5.刚重比控制：刚重比不考虑重力二阶效应的最低限值为2.7 6.剪重比控制：结构在6度设防区的最小值为0.008 7.构造配筋：框架柱的纵筋和箍筋配筋可按《抗规》6.3.7条校验，剪力墙构造边缘构件可参考《抗规》 6.4.5条. 此外，在剪力墙底部加强部位每两层设置一道配筋加强带（暗梁），按不少于4Φ20配置，以提高墙的 延性. 6.3根据中震分析结果对结果进行构造加强 根据中震不屈服分析结果，对柱、墙在中震下的承载力足够，未出现屈服：连梁有少量出现屈服. 因此， 根据中震分析结果对可能出现屈服的连梁配筋进行调整，使其能在中震情况下具有足够的承载力. 7.工程总结 本工程属超限高层建筑，其大开洞楼板，超大跨度（36米），大悬挑，有局部夹层等结构特点不利于结 构抗震. 工程采用结构弹性分析模型、中震不屈服分析及静力弹塑性推覆分析三种方式，较为全面地验证 了结构抗震的安全可靠性. 其中，结构弹性分析主要通过控制结构的轴压比、周期比、层间位移比、最大 层间位移角等多项指标来保证结构在风和多遇地震作用下，能保持良好的抗侧性能和抗扭转能力，完全满 足弹性反应阶段的结构性能目标. 第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014 中震不屈服分析是针对超限结构基于性能化的抗震分析，主要对竖向构件（柱和剪力墙）进行了验证 和校核，检验框架柱和剪力墙在中震作用下是否满足抗剪抗弯的要求. 静力弹塑性推覆分析是基于性能/位移设计理论的一种等效静力弹塑性分析方法，可弥补基于承载力设 计方法无法估计结构进入塑性阶段的缺陷. 它既能对结构在多遇地震下的弹性设计进行校核，又能确定结 构在罕遇地震下潜在的破坏机制，从而找到最薄弱的位置，为结构抗震提供依据. 利用以上三种结构分析模式，可以从各方面的角度来观察结构是否满足“小震弹性，中震可修，大震 不倒”的抗震设防目标，对其抗震性能作出总的评估. 三种模式分别对应小震、中震、大震，检查结构在 地震作用下的变形和塑性铰位置，从而对一些薄弱位置加强构造措施，改善其延性和变形能力，提高结构 抗震的可靠度. 参考文献 [1]JGJ3-2010高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2010 [2]GB50011-2010建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010 [3]GB50223-2008建筑抗震设防分类标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2008 [4]GB50010-2010 混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010 [5]GB50017-2003 钢结构设计规范[S].北京：中国计划出版社，2003
