超大空间结构塔楼在罕遇地震作用下的抗震性能

王雪艳 傅传国

摘要：为研究超高层、超大空间建筑的抗震性能，以超高层立式交联电缆的高压立塔为研究对象，以基底剪力、最大层间位移角和最大位移为分析参数，采用剪力墙结构体系对塔楼结构进行研究。利用midas Building软件进行不同地震作用下的抗震性能分析，研究结果表明：罕遇地震作用下塔楼的基底剪力约为多遇地震作用下基底剪力的3.34～3.95倍;罕遇地震作用下塔楼横向位移最大值为54.054 mm，层间位移角最大值为1/134，满足规范要求;罕遇地震作用下塔楼框架柱和框架梁均处于带裂缝或屈服前状态，说明塔楼结构具有良好的耗能能力和抗剪性能。在罕遇地震作用下，该塔楼剪力墙结构整体受力性能良好，能够满足罕遇地震下的抗震性能要求。

关键词：剪力墙;抗震性能;彈塑性;时程分析;屈服状态;塑性铰

中图分类号：TP391.99;TU311.3

文献标志码：B

文章编号：1006-0871（2021）03-0006-06

DOI：10.13340/j.cae.2021.03.002

Abstract：To study the seismic performance of super high and super large span buildings， taking the high voltage tower of the super high vertical xlpe cables as the research object， taking the base shear， the maximum story drift ratio and the maximum displacement as the analysis parameters， the tower structure is studied using the shear wall structure system. The seismic performances under different earthquakes are analyzed by the software midas Building. The results show that the base shear under the rarely occurred earthquake is approximately 3.34～3.95 times as big as that of the frequently occurred earthquake. The maximum displacement in horizontal direction under the rarely occurred earthquake is 54.054 mm， and the maximum story drift ratio is 1/134， which meets the code requirements. The frame columns and the frame beams are in the cracked state or in the pre-yield state under the rarely occurred earthquake， and it shows that the energy dissipation capacity and the shear resistance performance of the structure are well. Under the rarely occurred earthquake， the mechanical performance of the tower shear wall structure is satisfactory， and the seismic performance under rarely occurred earthquake meets the requiement.

Key words：shear wall;seismic performance;elasto-plastic;time history analysis;yield state;plastic hinge

0 引 言

建筑结构向高层和超高层发展是建筑设计的发展趋势[1-3]，超高层建筑设计面临更高的要求和挑战。如何协调超高层建筑在安全、适用、耐久和经济等方面的特性，如何使建筑结构更好地满足抗震性能要求[4-5]，需要对具体工程进行分析与评估，才能得出相应的结论。本文结合工程实例，研究超高层、超大空间建筑抗震性能設计的思路和方法。

1 工程概况

1.1 工程简介

以某超限高层立式交联电缆的高压立塔为研究对象，该塔楼地下1层、地上21层（第21层为机房层），标准层高为7.0～8.0 m，建筑结构总高度为148.8 m，高度等级为B级，平面尺寸为25.5 m×25.5 m。该建筑结构特点为层高较高，楼层内未设置分区而形成超大空间结构。建筑结构安全等级为二级，建筑抗震设防分类为标准设防类。

1.2 结构方案设置

采用剪力墙结构体系对立塔结构进行抗震研究，塔楼四周为4个矩形筒体剪力墙，四周中线位置为4个L形剪力墙，随着层高增加，剪力墙厚度逐渐减小。该结构层高较大，为提高竖向承载力，以结构中心为原点，在y向中轴线上距x向中心3.6 m处设有2根方形变截面柱，柱底层边长为1.3 m。框架柱和剪力墙上设有框架梁，两端剪力墙上设有连梁。立塔第3层为外伸悬挑结构，主次梁楼盖体系采用钢筋混凝土，地基采用筏板基础。剪力墙标准层布置示意见图1。

1.3 抗震性能目标确定

根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》附件1“超限高层建筑工程主要范围参照简表”[6]，逐项对项目规则性进行判定。由判定结果可知：该立塔平面规则，竖向刚度逐层变化均匀，高度接近B级超限，不存在其他不规则情况。综合考虑结构的抗震设防类别、场地条件、设防烈度、结构特殊性、震后损失，以及修复难易程度等多种因素进行评判，参照《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）[7]提供的设计方法，选择C级抗震性能目标。

1.4 分析软件和计算假定

主要采用midas Building分析软件进行计算，结构材料为钢筋混凝土，采用刚性楼板假定。在风载荷分析时，设置地面粗糙度为B类，承载力为1.1倍基本风压，考虑扭转风振。设计2个地震分组，场地类别为Ⅲ类，整体计算时考虑偶然偏心，振型组合形式为完全二次项组合（complete quadratic combination，CQC）方法。根据“高规、抗规从严”的要求调整薄弱层地震内力，不考虑重力2阶效应，考虑活载荷不利分布，采用兰佐斯法进行特征值分析控制。分析参数设置见表1。

2 多遇地震和设防地震作用下塔楼抗震性能分析

2.1 多遇地震作用下塔楼抗震分析

在多遇地震作用下，采用振型分解反应谱法[8]在YJK和midas Building软件中计算塔楼的抗震性能，采用弹性时程分析法[9]进行补充。计算结果显示：塔楼楼层质量分布相对均匀，未出现异常突变;考虑前21阶振型时，有效质量因数在x和y向均大于90%;前2阶模态均为平动，第1扭转模态出现在第3阶模态;2个软件计算得到的扭转周期比分别为0.464和0.470，二者差值在允许范围内;结构位移比和位移角均满足规范要求，最大层间位移比曲线与最大层间位移角曲线无明显突变，结构基本处于弹性受力状态。结构侧向刚度比计算结果在限定范围内，表明该结构不存在刚度突变与明显薄弱层;楼层剪力与倾覆弯矩的计算结果表明该结构具有良好的受剪承载力与抗倾覆能力;立塔剪重比与刚重比的验算结果表明该结构具有良好的稳定性。

利用midas Building软件，采用5条天然地震波和2条人工地震波进行弹性时程补充分析，每条时程曲线计算得到的结构底部剪力和平均地震影响因数均满足在统计意义上相符的要求。利用CQC方法与时程分析法得到的楼层最大层间位移角和层剪力分别相近，说明平均地震响应趋势相似，结构整体符合要求。弹性时程分析法得到的位移和剪力平均值均小于振型分解反应谱法的计算结果，说明时程分析对结构抗震设计不具有控制作用，相应楼层的最大剪力因数不需要放大。

综上所述，在多遇地震作用下，结构的抗倾覆刚度、抗扭刚度和楼层承载力均达到相关规范规定的各项指标，表明该立塔结构满足弹性设计要求，具有良好的抗震性能。

2.2 设防地震作用下塔楼抗震分析

在设防地震作用下，层间位移角满足设计要求，结构具有较好的承载力和抗倾覆能力。框架柱承载力和剪力墙承载力验算表明框架柱和剪力墙均满足剪压比要求，各层框架柱和剪力墙均能满足“中震弹性、中震不屈服”的性能目标[10]。

对塔楼所有楼层剪力墙进行设防地震作用下的偏拉验算，除底部墙肢外其他剪力墙未出现拉应力，墙肢没有出现水平裂缝，抗倾覆刚度没有发生严重退化，说明剪力墙具有良好的抗剪承载力。针对底部加强区超出混凝土抗拉强度标准值的剪力墙，可以提高其纵向配筋率或设置型钢，加强结构的抗震性能。

根据YJK软件计算结果可知，耗能构件未产生压弯屈服，剪压比未超过限值，结构构件均能满足性能设计要求，可根据设防地震作用下结构构件的配筋进行包络设计。

3 罕遇地震作用下塔楼抗震性能分析

3.1 分析方法选择

在罕遇地震作用下，地震响应一般是非线性的，结构材料进入弹塑性状态，结构侧移效应更明显，传统的线性分析方法难以适用，需要进行非线性分析[11-12]。采用非线性分析方法研究罕遇地震下构件损伤和剩余变形，分析结构的抗震性能，评估结构是否满足抗震性能目标。

3.2 材料本构关系和单元选择

利用midas Building软件进行动力弹塑性分析。采用《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）[13]中的混凝土单轴应力-应变曲线，不考虑混凝土材料的受拉特性，仅钢筋承受拉力。钢材本构模型采用双折线模型，钢筋屈服后使用折减刚度，采用弹性刚度进行卸载和重新加载。剪力墙单元采用剪切本构模型。滞回模型是动力弹塑性分析的基本参数，本文采用修正武田三折线滞回模型。

梁、柱和支撑定义为弯矩-旋转单元（集中铰），其中梁定义为弯矩铰，柱定义为轴力铰、弯矩铰和剪力铰，支撑定义为轴力铰。采用Newmark-β直接积分法

根据恢复力模型获得构件内力，随时间步更新构件刚度。

3.3 基底剪力分析

依据《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）[14]相关要求，根据建筑场地类别和地震分组等因素，选择2组实际记录的罕遇地震天然地震波和1组人工模拟罕遇地震波进行分析。地震波采用双向输入，主、次方向的加速度峰值比为1.00∶0.85，主方向峰值加速度取2.20 m/s2。地震波分析步长均取0.02 s，持续时间均为30 s。罕遇地震波作用下塔楼x向最大楼层剪力曲线见图2。

在各地震波作用下塔楼x向最大楼层剪力曲线比较平滑，仅在7层发生小幅度转折，因此立塔结构在7层或其相邻层可能存在薄弱处。根据动力弹塑性分析，得到该塔楼在罕遇地震作用下的基底剪力，将其与多遇地震作用下的基底剪力进行对比，见表2。

由此可知，罕遇地震作用下基底剪力约为多遇地震作用下基底剪力的3.34～3.95倍。

3.4 最大层间位移角分析

罕遇地震作用下塔楼的最大层间位移角与最大位移见表3。

由此可知：塔楼x和y向最大层间位移角出现在天然地震波作用下，分别为1/134和1/148，均小于限值1/100;x和y向最大层间位移分别为52.239和54.054 mm，说明该立塔结构x和y向未出现较大差别，结构平面布置合理。

3.5 构件出铰顺序和损伤破坏情况分析

如果仅对罕遇地震作用下的结构弹塑性层间位移角进行控制，不能保证结构一直保持直立状态，因此还需要根据弹塑性变形和强度退化程度，衡量结构构件的破坏情况。前文分析可知，在天然波1的x向作用下结构响應最大，因此本文仅对天然波1的x向作用下的塔楼出铰结果、出铰顺序和构件损伤破坏情况进行分析与评估。

根据应变与基准应变的比值设置纤维应变等级为1～6级，以此判断混凝土和钢筋纤维的损伤程度。在天然波1的x向作用下，剪力墙混凝土的剪切应变等级见图3。

结构处于弹性状态（1级应变）的占比为42.3%，处于混凝土开裂至初始屈服状态（2级应变）的占比约为12.9%，处于混凝土屈服至屈服后状态（3级和4级应变）的占比约为19.6%，处于屈服后破坏状态（5级应变）的占比约为9.2%，处于开裂带裂缝状态（6级应变）的占比约为15.9%，极少部分剪力墙发生重度破坏。

剪力墙的水平和竖向应变等级分布分别见图4和5，水平和竖向钢筋的应变分别见图6和7。在天然波1的x向作用下，剪力墙水平应变和水平钢筋的应变较小，而剪力墙竖向应变和竖向钢筋的应变相对较大，在各个等级状态均有分布。由此可知，水平剪力对剪力墙没有控制作用，剪力墙主要由地震作用产生的倾覆力矩控制。剪力墙竖向压应变在x向仅有0.2%处于严重破坏状态，剪力墙竖向钢筋约有3.8%处于受拉屈服状态。

由图5和7可知，剪切屈服变形主要位于剪力墙连梁、框架梁和底部剪力墙，且随着高度增加，破坏程度逐渐减弱。底部剪力墙四周损毁较为严重，因此需要加强该区域，以提高结构抗震性能，实现预期设定“关键构件轻度损坏、普通竖向构件部分中度损坏、耗能构件中度损坏或部分比较严重损坏”的抗震性能目标。

在天然波1的x向作用下，梁、柱和塔楼整体屈服状态塑性铰分布见图8～10，其中第1阶为开裂状态、第2阶为屈服状态和第3阶为极限状态。塔楼整体塑性铰处于第1阶开裂状态的比例为34.3%，处于第2阶屈服状态的比例为60.4%，未出现第3阶极限状态。由梁和柱损伤状况可知：连梁发生破坏并出现塑性铰，连梁和框架梁有67.3%的铰处于第2阶屈服状态，连梁和框架梁未发生完全破坏;柱有73.6%铰处于第1阶开裂状态，无柱铰处于第2阶屈服状态，框架柱处于轻微损坏状态。

连梁、框架梁和框架柱的塑性铰在各分析步骤下的发展过程为：在0～5.0 s时，框架梁、连梁和框架柱基本没有第2阶塑性铰;在5.0～10.0 s（第1个地震波峰）时，框架梁和连梁大量出现第2阶塑性铰，框架柱未出现第2阶塑性铰;在10.0 s后，塑性铰的数量和发展深度未出现较大变化。

假设D为结构实际发生的总变形值，D2为结构第2屈服状态值，D/D2即为结构延性因数。塔楼整体延性因数计算结果见图11。塔楼整体有68.9%的区域延性因数小于1，表明该塔楼结构大部分区域实际变形位移小于屈服时位移。

塔楼总体上满足抗震概念设计中的“强墙肢弱连梁”要求，连梁和框架梁在罕遇地震作用下先进入屈服状态，耗散后续地震波能量，因此剪力墙等构件塑性铰的数量和发展深度相应减少。连梁和框架梁先进入塑性阶段对保证整体结构在罕遇地震作用下不倒塌具有重要作用，并且连梁进入塑性阶段的比例明显高于框架梁。

4 结 论

采用剪力墙结构体系对某超限高层立式塔楼的抗震性能进行分析，得到以下结论。

（1）该塔楼横向最大位移较均衡，层间位移角最大值为1/134，满足《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）[14]中不大于1/133（90%塑性变形）的限值要求，能够达到罕遇地震作用下的抗震设防目标。

（2）在罕遇地震作用下，塔楼双向基底剪力约为多遇地震作用下基底剪力的3.34～3.95倍，说明地震波选用准确，结构耗能合理。

（3）在地震波双向作用下，除底部个别墙垛处剪力墙进入剪力屈服状态外，其余底部剪力墙均为剪切屈服前状态或带裂缝工作状态。应适当加强底部剪力墙的配筋，以增强其抗剪能力。

（4）框架柱和框架梁均处于带裂缝或屈服前状态，仍有一定安全裕度，能够确保结构具有良好的耗能能力和抗剪性能。

（5）在罕遇地震作用下，塔楼整体受力性能良好，能够满足抗震性能目标。

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（编辑 武晓英）