天安云谷产业园公寓楼超限高层结构设计（2）

6.2　小震弹性时程分析

多遇地震下的弹性时程分析采用SATWE软件进行计算。计算分析选用了5组天然地震波和两组本场地人工波。各条地震波的持续时长控制在40.94?s，步长为0.02?s，场地的特征周期为0.36?s。计算结果符合规范要求，所谓“在统计意义上相符”是指，多组时程波的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所用的地震影响系数曲线相比，在对应于结构主要振型的周期点上相差不大于20?%。小震弹性时程分析结果见表5。

表5　小震弹性时程分析结果

   

小震弹性时程分析结果显示，在x向和y向7条波作用下的基底剪力平均值均大于CQC法基底剪力的80?%，7条波各自作用下的基底剪力均大于CQC法所求剪力的65?%，所选地震波均满足规范要求。弹性时程分析各条波计算得出的地震效应平均值小于CQC法的计算结果。

6.3　中震分析

采用SATWE软件进行中震不屈服和中震弹性计算，复核各类构件是否达到性能目标C在中震作用下对构件性能水准的要求。考虑偶遇地震作用时，根据规范输入地震反应谱参数。中震弹性和中震不屈服计算模型主要输入参数见表6。

表6　中震主要计算参数

   

计算分析结果如下：（1）中震作用下结构基底剪力达到小震基底剪力的2.7倍，地震作用量级合理；（2）整体层面的楼层层间位移角分布具有规律性，无异常突变，结构体系满足选定的变形限值要求； （3）底部个别墙肢出现拉力，但小于混凝土抗拉强度标准值，满足中震弹性性能目标，底部加强区剪力墙和柱受弯、受剪均处于弹性状态；（4）转换支撑受压按照中震弹性调整设计，抗剪按小震配筋结果即可满足中震弹性要求；（5）非底部加强区剪力墙、剪力墙端柱均满足受弯不屈服、受剪弹性；（6）框架梁、连梁仅个别出现受弯屈服，但受剪均不屈服。

设防烈度地震作用下各项设计控制指标均满足性能水准3的抗震性能目标。

6.4　大震动力弹塑性时程分析

采用PERFORM?3D进行罕遇地震作用下的结构动力弹塑性时程分析。分析目的：分析结构在罕遇地震作用下的变形形态、构件塑性及损伤情况以及结构整体弹塑性性能；验证C级性能目标；分析结构关键部位、关键构件的变形形态和破坏情况。判断主要抗侧力构件是否实现预定的性能目标水准，找到结构薄弱层和薄弱部位。验证所采用技术措施的有效性。选取了一条人工波和两条天然波作为动力时程输入，0°和90°两个结构主轴为地震动输入方向。各地震动有效持续时间为结构基本周期的5~10倍，将地震波转换后的反应谱与规范规定反应谱对比可知，所选地震波满足规范要求，可用于大震弹塑性时程分析计算。

6.4.1　结构的动力特性

为了验证模型的构件组成、总质量和刚度的准确性及对结构的基本动力特性作出初步判断，在进行弹塑性时程分析前首先对模型进行了模态分析，两款软件主要结果对比见表7。

表7　模态分析的主要结果对比

   

从表7可以看出，两种软件计算的振型变形方向一致，周期及总质量代表值接近（差异比值小于5?%），表明PERFORM 3D计算模型准确，可以进行罕遇地震作用下的动力弹塑性时程分析。

6.4.2　动力弹塑性时程分析主要计算结果

大震动力弹塑性时程分析主要计算结果见表8。

表8　主要计算结果

   

计算结果表明。

（1）最大顶点位移：楼层在3条地震波作用下最大顶点位移为0.820?m左右，顶点侧移为1/222左右。

（2）弹塑性层间位移角：计算得到结构楼层质心处的最大层间塑性位移角均小于规范限值1/120的要求。

（3）楼层剪力和倾覆力矩：3条地震波计算结果较为接近，3条地震波计算的基底剪力约是小震CQC结果的5~6倍。

在人工波的作用下，底部加强区外墙部分墙肢、所有框架柱、斜撑的塑性转角未达到0.003?rad，个别墙肢的钢筋拉应变超过了0.002，但钢筋拉应变小于0.01?mm/mm。混凝土压应变未超过压裂应变。剪力墙钢筋受拉和混凝土受压均满足预期性能水准。剪力墙在人工波作用下剪切应力均小于所控制的剪切应力0.15?，所有剪力墙满足规范的抗剪要求。塔楼顶部个别框架梁塑性转角超过了0.03?rad，大部分框架梁塑性转角范围为0.005~0.01?rad。塔楼连梁塑性转角范围为0.01~0.02?rad。所有框架梁、连梁的剪切应力可以满足规范的抗剪要求。罕遇地震作用下各项控制指标均满足性能水准4的抗震性能目标。

7　专项分析

7.1　楼板应力分析

根据结构平面的特点，研究清楚标准层平面结构图中的4个结构体系之间的传力模式非常关键（图5）。

   

图5　标准层平面结构布置示意

4个结构体系之间是通过框架梁与其相连接的楼板（图5中的4块填充区域）传递内力。4个结构体系之间的连接构件受力与变形是由各体系自身的变形引起。

通过对4个结构体系的变形计算分析，得到表9、表10的结论。

表9　各结构体系变形结果

   

表10　楼板受力分析结果

   

通过对各结构受力体系的分析可知，5层以上楼层在 y 向地震作用下楼板1~4均产生拉应力，在 x 向地震作用下楼板1~4均产生剪应力，且楼层越高上述应力越大。沿建筑周边上下洞口之间的楼板是传递水平力的关键构件，重要程度同上述4块楼板。针对塔楼上面这些受力特点，采用midas Gen程序计算楼板在小震（多遇地震）、中震（弹性）、大震（受剪不屈服）作用下的应力分布。以43层为例，楼板应力分析如图6~图7所示。

   

图6　43层 y 向中震单工况下楼板拉应力图

   

图7　43层 x 向大震单工况下楼板剪应力图

楼板的配筋根据应力结果计算求解。楼板拉应力由竖向荷载引起的弯曲拉应力以及水平荷载引起的轴向拉应力组成，配筋结果见表11。

表11　43层板配筋结果

   

针对洞口周边水平构件的加强措施如下。

（1）楼板1~4周边的框架梁应与剪力墙端柱连接，可适当加大此处梁截面，提高其腰筋配筋率。

（2）关键部位楼板实际受力状态较为复杂，施工图楼板配筋时建议进一步提高这些楼板的配筋率，如统一按10@100双层双向拉通配筋，屋顶层按12@100双层双向拉通配筋。

7.2　斜墙节点有限元分析

根据建筑专业要求，在5层形成了图2所示的斜墙结构。

为了验证其传力的可靠性，采用ABAQUS计算软件对其进行了实体有限元分析。在大震不屈服的工况下，按考虑型钢、不考虑型钢两种情况进行计算 分析。

7.2.1　考虑型钢的工况

混凝土、钢筋、型钢相关分析结果如图8~图11所示。

   

图8　混凝土等效应力Mises云图

   

图9　混凝土等效塑性应变云图

   

图10　型钢Mises应力云图

   

图11　钢筋Mises应力云图

从混凝土的等效应力Mises云图分析，混凝土的最大应力值为18.531?MPa，小于混凝土的抗压强度值，位于右侧倒三角剪力墙与端柱的下部连接处。混凝土的应力范围主要位于2.049~11.141?MPa。混凝土的等效塑性应变分布值范围主要位于0.866?e ^–4  ~ 4.196?e ^–4 ，均小于混凝土的抗压强度所对应的应变值2.03?e ^–3 。

从型钢Mises应力云图可知，暗梁右侧和右端柱应力水平较高，型钢最大应力位于右侧端柱下部，端柱型钢与倒三角剪力墙中型钢连接处，最大值为216.3?MPa，该值小于钢材的屈服强度345?MPa(Q345)。

从钢筋Mises应力云图可知，应力最大值为141.23?MPa，小于钢筋的抗拉强度400?MPa（HRB400）。

7.2.2　不考虑型钢的工况

混凝土、钢筋相关分析结果如图12~图14所示。

   

图12　混凝土等效应力Mises云图

   

图13　混凝土等效塑性应变云图

   

图14　钢筋Mises应力云图

从混凝土等效应力Mises云图分析，混凝土的最大应力值为20.04?MPa，小于混凝土的抗压强度值，位于右侧倒三角剪力墙与端柱的下部连接处。混凝土的应力范围主要位于2.752 ~12.641?MPa。混凝土的等效塑性应变分布值范围主要位于2.398?e ^–4 ~1.547?e ^–3 ，均小于混凝土抗压强度所对应的应变值2.03?e ^–3 ，但右侧端柱与倒三角剪力墙连接位置的底部等效塑性应变值最大为2.321?e ^–3 ，超过混凝土的抗压强度所对应的应变值2.03?e ^–3 ，此处需加强配筋。

钢筋Mises应力云图，应力最大值为182.36?MPa，

小于钢筋的抗拉强度400?MPa（HRB400）。由于分析模型中未配置型钢，与配置型钢的工况中对比，钢筋的应力水平较高。

8　结论

本工程属于超限高层建筑，于2016年完成施工图设计，且在初步设计阶段已通过广东省超限高层建筑工程抗震设防审查委员会审查。

通过各阶段的结构分析可知，本工程能够实现设定的整体抗震性能目标预期，小震、中震、大震时均能达到C级抗震性能目标。

塔楼存在高度超限内容，同时结构体系本身又存在楼板开洞面积太大等不利因素。针对这些特点，设计将有针对性地从结构体系、关键构件、构造措施等方面进行加强，具体抗震措施如下。

（1）针对各层楼板开洞面积较大，按楼板分析结果加厚洞口周边楼板的板厚，同时根据应力配筋。

（2）结合大震分析计算的结论与后期施工图设计的优化措施建议，对薄弱部位的墙体与框架柱进行加大截面处理。

（3）墙体分布钢筋配筋率按0.3?%设置，个别墙肢提高到0.4?%。

（4）薄弱部位楼板周边的框架梁应与剪力墙端柱连接，可适当加大此处梁截面，提高其腰筋配筋率。

（5）在洞口周边框架梁与剪力墙端柱内设置 型钢。

（本文已完结）