第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 特大地震作用下超限高层结构破坏特点分析 焦柯，吴桂广，贾苏，欧晏韬，陈星 （广东省建筑设计研究院，广州510010) 摘要：汶川地震和智利大地震表明，实际发生的大地震可能远大于规范设防要求，造成严重的地震灾害.
本文针对7 度区7栋超高层框架-核心筒结构，加载8度罕遇地震作用进行分析计算，发现结构的整体破坏主要原因是结构竖向刚 度突变部位或底部加强部位的剪力墙发生较大范围的剪切破坏：同时，裙房项和塔楼顶的框架柱发生严重拉弯破坏，而 大部分外框架柱抗剪承载力有较大的富裕.
楼层最大位移角越大的结构不一定先倒塌破坏，反而位移角小的结构容易发 生脆性剪切破坏.
有限元分析表明，当轴向受拉作用下，剪力墙抗剪强度显著下降，在特大震作用下受拉剪力墙的剪切 破坏会先于拉弯破坏，仅按规范剪压比限值0.15控制剪力墙的抗剪强度，不能保证结构安全.
关键词：特大地震，超限高层结构，弹塑性时程分析，剪切破坏 1前言 汶川地震中，龙门山断裂带上的映秀、北川、青川、平武等县镇均按7度设防，实际地震强度达到 10或11度，高于设防能力8～10倍.
实际的最大峰值加速度远大于规范要求，其中四川什旅八角台主震 最大水平峰值加速度值为956.7cm/s2.四川卧龙台主震最大水平峰值加速度值为596.0cm/s2，可见实际发 生的大地震远大于建筑物设防要求.
2010年2月27日在南关洲智利发生的8.8级大地震，造成了钢筋混凝 土高层建筑的严重破坏，这是近年来现代钢筋混凝土高层建筑经历的最大地震.
根据文献[1]的研究，智利 高层结构剪力墙厚度与中低层结构剪力墙厚度相近，造成剪力墙轴压比过大，在此次地震中发生严重破坏： 智利国家规范在钢筋混凝土剪力墙设计中参考美国规范，但允许对边缘约束构件设计予以放松，是造成剪 力墙破坏的另一原因.
据统计此次震害有数千片剪力墙发生破坏，其破坏模式以拉压破坏为主、剪切破坏 为辅.
本文针对7度区7栋按中国规范设计的超高层框筒结构，通过加载8度罕遇地震作用，分析这7栋超 高层结构在特大地震下的破坏特点，并与7度罕遇地震作用下损伤进行对比，找出结构的薄弱部位及破坏 模式，作为罕遇地震下大震不倒性能补充分析.
27栋超高层结构简述 2.1结构基本信息 表1为7个工程的基本信息，图1和图2分别为7个工程的三维计算模型和平面图.
表1结构基本信息 结构体系高度（n）层数 主要截面（mm） 主要材料 结构特点 广州金融城 框架一核 境700~500，柱 境柱C70~ 23层以上外简左侧取消部分Y向剪力 007地块 心筒 172. 0 40 1400*1800~ C50.梁板C30 墙：下部采用型钢混凝土柱，上部采 1000*1200 用混凝土柱 作者简介：焦柯（1968).
男，硕土，教授级高工
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 境800~500，柱 18层以上外简右侧取消部分Y向剪力 广州金融城 框架-核 174.6 43 1400*1800~ 境柱C80~ 墙：30层以上外简左侧取消部分Y向 005地块 心筒 00510001 C40 梁板C30 剪力墙：下部采用型钢混凝土柱，上 部采用混凝土柱 广州华南国 框架一核 境1000~800，柱 瑜柱C70~ 17层以上取消部分X向剪力墙：47 际港航中心 心筒 248.5 52 1400*28~1100*28 C50.梁板C40 层以上楼层采用悬挂结构：采用钢管 混凝土柱 广州金融城 框架-核 175. 2 40 境700~500，柱 瑜柱C65~ 21层以上外筒右侧取消部分Y向剪力 绿地中心 心筒 1200*28~900*20 C40.梁板C35 墙：采用钢管混凝土柱 广州城际中 框架-核 172. 4 39 境700~400，柱 瑜柱C60~ 下部采用钢管混凝土柱，上部采用混 心 心筒 1200*30~800*800 C40 梁板C30 凝土柱 沈阳华强1栋 钢框架- 299. 7 70 境1200~400，柱 境柱060~ 14层、28层和42层加强层设置腰桁 核心简 1400*40~800*20 C40.梁板C30 架：采用钢管混凝土柱 框架-双 境800~400.柱 沈阳华强3栋 183. 3 53 1800*1800~ 境柱C60~ 框支柱与剪力墙用斜墙过渡，避免用 核心简 1000*1000 C45 梁板C30 大梁转换：采用型钢混凝土柱 007地块 005 地块 港航中心 绿地中心 城际中心 华强1栋华强3栋 图1三维计算模型 23层以上墙取消 左18层和右30层以上取消 17层以上墙取消.
21层以上墙取消 007地块 005地块 港航中心 绿地中心 加强层腰析架 mTm 城际中心 华强1栋 华强3栋 图2标准层平面 2.2计算模型及假设 采用PERFORM-3D软件计算.
计算模型不考虑楼板对梁的刚度贡献，连梁刚度不折减：暗柱钢筋采用 箱型钢柱模拟：无大开洞楼板的楼层采用刚性板假设：出现剪切破坏的剪力墙剪力占本楼层总剪力的20% 以上时，认为结构整体出现剪切破坏，剪切破坏强度参考文献[2]取值.
材料弹塑性本构关系以《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）附录C提供的混凝土和钢筋本构关 系为基础.
在弹塑性分析中，混凝土材料仅考虑受压状态，不考虑受拉.
钢筋和型钢选用三线性本构关系，
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 并且不考虑材料的强度损失.
图3和图4中Y表示材料屈服由钢材标准值或混凝土设计值（FY）控制，U 表示材料达到最大强度由钢材极限值或混凝土标准值（FU）控制，L表示材料开始失效，R表示材料失效 达到最低点并进入平台段，X表示材料完全失效，DY，DU，DL，DR和DX分别是控制点Y、U、L、R和X 的应变.
图5为墙单元剪切破坏本构关系，U表示材料达到极限抗剪强度，R表示材料失效达到最低点并 进入平台端，X表示材料完全失效，FU为极限抗剪强度，DU，DR和DX分别是控制点U、R和X的应变.
梁、柱构件根据实际配筋设置弹塑性纤维截面，杆构件端部各设置0.05倍杆件长度的纤维截面单元， 其他区域为弹性截面单元.
剪力墙单元沿布置方向平均划分纤维并在剪力墙两端设置暗柱.
FU FY (FF DU DR DX D 图3钢材本构关系 图4混凝土材料本构关系 图5剪应力-剪应变关系 2.3加载和地震波信息 首先施加初始荷载，初始荷载取1.0D（恒载）0.5L（活载），然后施加地震波.
大震作用的峰值加速 度取220cm/s²，特大地震峰值加速度取400cm/s².
7个工程计算采用的地震波根据规范选取，限于篇幅， 这里略去具体波形.
3特大地震下结构破坏特点 表2为7栋超高层结构在大震和特大地震下破坏的特点及破坏程度对比.
（1）大震和特大地震下大部分连梁均发生破坏，大震下部分框架梁发生屈服，特大地震下大部分框架 梁发生屈服，部分发生弯曲破坏.
（2）塔楼顶、裙房顶和加强层上下楼层的部分框架柱发生拉弯破坏.
特大地震下框架柱的屈服范围 和程度更大.
（3）大震下结构个别位置剪力墙出现剪切破坏，破坏范围较小，特大地震作用下，结构出现大范围 的剪切破坏，剪力墙剪切破坏主要集中在核心筒刚度突变处、加强层及结构底部.
核心筒刚度突变处和加 强层出现破坏，主要是由于刚度突变导致剪力集中引起.
结构底部剪力墙出现破坏，主要由于底部楼层剪 力较大，抗剪承载力达到极限而破坏.
表2构件破坏情况对比分析 大震破坏特点 特大地震破坏特点 对比分析 007 （1）少量连梁发生弯曲破坏.
（1）部分连梁弯曲破坏，35层到顶层部 （1）特大地震下连梁、上部框架梁、 地 （2）塔楼项部个别框架柱发生 分框架梁弯曲破坏.
塔楼项框架柱的破坏程度更大.
块 拉弯破坏.
（2）塔楼项部分框架柱发生拉弯破坏.
（2）大震和特大地震均在23层取消 （3）23层核心筒左侧剪力墙出 （3）1523层筒左侧剪力墙完全剪坏， 剪力墙位置剪力墙首先出现剪切破 现剪切破坏和受压损伤，并且向 814层端部剪坏，并出现受压损伤：首 环，特大地震下右侧剪力墙剪应变较 下延伸：底部剪力墙出现轻度受 层角部剪力墙钢筋屈服，底部剪力墙出 大，也出现剪切破环，使结构出现整 压损伤.
现受压损伤.
体破坏.
900 （1)30-38层梁构件弯曲破坏严 （1）4.74s，3038层连梁发生弯曲破环， （1）30-38层梁构件弯曲破坏严重， 地 重. 13.62s，30~38层框架梁弯曲破坏严重， 各层连梁均有弯曲破坏.
特大地震下 块 （2）塔楼项个别框架柱出现拉 各层连梁均有所破坏.
塔楼顶框架柱的破坏程度略大.
弯破坏.
（2）塔楼项部分框架柱出现拉弯破坏.
（2）大震和特大地震均在取消剪力墙 （3）取消剪力墙位置附近出现 （3）13.62s，13~16层和2328层外筒位置的剪力墙出现剪切破坏，特大地
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 剪力墙剪切破坏，楼层为13-16 两侧出现剪切破坏.2938层筒内剪力墙 震下，29层钢筋出现屈服，导致剪切 层和第23-28层：16层和29层 发生剪切破坏：剪力墙受压损伤主要在 破坏范围进一步扩大.
转角位置个别剪力墙钢筋屈服.
取消剪力墙位置和底部加强区.
港 （1）部分连梁达到弯曲破坏.
（1）5.76s，上部楼层连梁开始出现弯 （1）特大地震下连梁的破坏程度更 航 （2）框架柱未出现屈服.
曲破环，并且向下发展.
大.特大地震裙房项框架柱出现屈服.
中 （3）17层个别剪力墙出现剪切 （2）8.4s，裙房顶框架柱出现屈服.
（2）大震和特大地震均在17层剪力 破坏，并有向下发展的始势：底 （3）8.4s，17层部分剪力墙出现剪切破 墙开始出现剪切破坏，特大地震作用 部剪力墙出现受压损伤.
坏，破坏延伸至14层，出现整体倾斜： 下14层至17层部分剪力墙剪切破坏 底部剪力墙出现受压损伤.
严重，出现整体倾斜.
绿 （1）部分连梁达到弯曲破坏.
（1）6.18s，上部楼层连梁首先出现弯 （1）特大地震下大部分连梁弯曲破 地 （2）裙房项部分框架柱钢筋屈 曲破环，并从顶部楼层向下发展.
环：裙房项部分框架柱出现拉弯破坏.
中 服 （2）15.9s，裙房顶框架柱出现拉弯破坏.
（2）大震和特大地震均在21层剪力 （3）21层个别剪力墙出现剪切 （3）15.9s，21层剪力墙和首层部分剪 墙开始出现剪切破坏，特大地震作用 破坏，并有向下发展的始势：底 力境出现剪切破坏：底部和21层剪力墙 下首层剪切破坏严重，出现整体倾斜.
部剪力墙混凝土出现受压损伤.
出现受压损伤.
城 （1）部分连梁弯曲破坏严重.
（1）6.36s，中部楼层连梁开始出现弯 （1）特大地震下连梁、裙房顶框架柱 际 （2）裙房项部个别框架柱发生 曲破坏，并且向上下楼层发展.
的破坏程度更大.
中 拉弯破坏.
（2）裙房项部框架柱发生拉弯破坏.
（2）大震下少量X向一字剪力墙和转 （3）2439层筒内少量X向剪力 角剪力墙剪切破坏，特大地震底部、 墙剪切破坏：中部和顶部部分楼 X向剪力墙剪切破坏.
底部、中部和项部 中部和顶部部分楼层的短肢剪力墙钢 层的短股剪力墙钢筋屈服.
部分楼层的短肢剪力墙钢筋屈服.
筋屈服，少量底部剪力墙剪切破坏.
华 （1）部分连梁出现弯曲破坏.
（1）6.18s，上部楼层连梁弯曲破坏.
（1）特大地震下连梁的破坏程度略 强1 （2）塔楼项和加强层上下层的 (2）加强层上下层和塔楼顶框架柱出现 大.
大震塔楼顶和加强层上下层的框 栋 框架柱钢筋屈服 屈服，部分腰析架屈服.
（3）14、28、42层加强层以及底部16 架柱出现屈服，特大地震加强层上下 （3）28、42层加强层部分剪力 层和塔楼顶框架柱出现屈服，部分股 墙剪坏：项部个别剪力墙钢筋屈 层和项部少量剪力墙剪切破坏：项部个 布架出现屈服.
服，下部剪力墙受压损伤.
别剪力墙钢筋屈服，下部剪力墙受压损 （2）特大地震作用下，加强层附近的 伤.
楼层剪切破坏程度较大，导致结构出 现整体破坏 华 （1）大部分连梁出现弯曲破坏.
（1）大部分连梁弯曲破坏.
（1）连梁的破坏程度接近.
大震下框 强3 （2）框架柱未出现屈服.
（2）裙房项部分框架柱出现屈服.
架柱未出现届服，特大地震裙房项框 栋 （3）7层部分斜墙发生剪切破 （3）7、8层斜墙、537层简体少量剪 架柱出现屈服.
坏：7层个别剪力墙钢筋屈服.
力墙发生剪切破坏，楼层越高破坏墙肢 （2）特大地震下，斜墙的剪切破坏数 越少：7层和8层端部个别剪力墙钢筋屈 量增多，破坏程度增大，导致结构出 服，底部大部分剪力墙混凝土出现受压 现整体破坏.
损伤 4结构整体破坏时若干指标分析 4.1基底剪力和位移角 表3为基底最大剪力和结构最大层间位移角与小震下结果比值，以及特大地震破坏前最大层间位移角.
度/7度”表示特大地震破坏前与7度大震之比.
表3基底剪力和位移角 基底剪力比值 位移角比值 层间位移角 7度/小震 8度/小震 8度/7度 7度/小震 8度/小震 8度/7度 8度 007地块 5.91 7. 65 1. 29 6. 43 8.06 1.25 1/116 005地块 6.05 7.55 1.25 6. 35 8.08 1.27 1/119 港航中心 4. 38 7. 17 1. 64 4. 41 9.05 2.05 1/70 绿地中心 5.42 7.39 1. 36 5.54 9.11 1.64 1/101 城际中心 4.56 5 57 1.22 5. 48 11. 98 2.19 1/84 华强1栋 4.15 4. 36 1. 05 6. 47 6. 92 1.07 1/104 华强3栋 3. 66 6. 15 1. 68 8.12 12. 32 1.52 1/66 平均值 4. 88 6. 55 1. 34 6. 11 9.36 1.53 1/90
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 从表3可知，结构破坏时的层间位移角在1/66至119之间.
7栋超高层结构的最大层间位移角平均值 为1/90.
007地块和005地块的层间位移角最小，由于这两个项目取消上部剪力墙对刚度影响明显，导致 应力集中，剪力墙过较出现剪切破坏：其次为绿地中心和华强1栋，由于加强层造成刚度突变，剪力放大， 导致最终剪力墙剪切破坏.
位移角较大的港航中心、城际中心和华强3栋，8度与7度的位移角比值也较 大，说明具有较好的延性.
总体来说，刚度突变越大，结构越早出现剪切破坏，破坏时的层间位移角越小， 结构的延性越差.
由位移角放大系数可知，7度和8度的地震平均位移角放大系数分别为6.11和9.36，位 移角越大并不代表结构破坏越早，薄弱部位具有足够的延性很重要.
当应力集中导致剪力墙剪切破坏时， 位移角不一定很大.
8度与7度的平均剪力放大系数比值为1.34，平均位移角放大系数比值为1.53，当某结构的比值大于 平均值时，结构的延性相对较好，结构没有在刚度突变处出现大范围的剪切破坏.
4.2位移比 表4为7栋超高层结构在小震和特大地震破坏时刻的楼层最大位移比.
在结构破坏时刻，有四个结构 的位移比增大，有三个减少，结构剪切破坏与扭转大小没有必然关系.
其中华强3栋破坏时刻的位移比明 显增大，原因是斜墙位于外框，对结构的抗扭贡献很大，斜墙破坏后结构的抗扭刚度前弱.
表4位移比 007 地块 005地块 港航中心 绿地中心 城际中心 华强1栋 华强3栋 小震位移比 1. 21 1. 41 1. 03 1. 39 1. 12 1. 01 1. 23 8度破环时刻位移比 1.33 1.55 1. 01 1. 29 1. 15 1. 00 1. 60 007地块，在22.8s破坏时刻，7度地震的位移比为1.21，8度地震的位移比为1.33，由于结构构件 破坏，导致楼层位移比增大，图6为23层平面左右两边柱节点的位移时程.
4.3框架柱剪力 表5为7栋超高层结构首层柱剪力占总剪力的百分比.
结构破坏前，最大剪力时刻8度地震下的柱分 配剪力占总剪力的比值相比7度要大：结构破坏时刻，8度比7度地震下的柱分配剪力进一步增大，说明 框架柱二道防线起一定的作用.
华强3栋由于部分框架梁和连梁过早破坏，削弱了框架柱作用，导致7度 与8度地震下的柱分配剪力相差不大.
经统计，7栋超高层结构在8度地震破坏前框架柱最大剪压比Vmax/f.bh为0.098，90%以上框架柱剪 压比Vmax/fabho小于0.045：破坏后框架柱最大剪压比Vmax/fabh-为0.188，90%以上框架柱剪压比 Vmax/fabh.
小于0.087，远小于0.15，说明大部分框架柱的富裕度较大.
表5框架柱分配剪力 破坏前最大剪力时刻对应的柱剪 8度结构破坏时刻对应的柱剪 力百分比 8度/7度 力百分比 8度/7度 7度 8度 7度 8度 007地块 13.9% 15. 4% 1.11 13. 9% 15. 4% 1. 11 005地块 3.5% 3.4% 0.97 4.8% 13. 07% 2.72 港航中心 5. 3% 8.2% 1.55 13. 9% 23. 3% 1.68 绿地中心 14. 1% 17.8% 1. 26 20. 7% 21.5% 30. 1% 1. 45 城际中心 13.6% 13. 4% 0. 99 11. 0% 1. 95 华强1栋 4.6% 15.0% 3.26 9.5% 20. 5% 2. 16 华强3栋 16. 0% 18. 0% 1. 13 20. 4% 20. 0% 0. 98 4.4结构耗能分析 表6为7栋超高层结构破坏时刻构件的塑性耗能比例.
总体而言，8度比7度梁的塑性耗能比例减小， 而剪力墙的塑性耗能比例明显增大.
华强3栋梁的耗能比例达95.4%，原因是华强3栋的部分框架梁和连 梁过早出现了破坏，导致结构变柔，地震力减小，使剪力墙和柱的耗能比例较低.
表6破坏时刻构件耗能比例 柱构件塑性耗能比例 梁构件塑性耗能比例 墙构件塑性耗能比例
