某剪力墙结构在不同抗震性能目标下经济效益分析(建筑)

                      韩建强¹，  常文峰²，  高  琳¹

    （1广州市设计院，广州510620;2广州市民用建筑科研设计院，广州510055）

[摘要]  以广州市某超限高层建筑剪力墙结构为实际工程背景，通过改变结构抗震性能目标D，C，B，分析对比结构在三种不同抗震性能目标下抗震性能与经济效益（工程量）的变化，结果表明：结构的抗震性能在性能目标D，C， B下分别依次增强，而经济效益在性能目标D，C，B下分别依次降低。由此得出关于超限高层建筑剪力墙结构抗震性能设计的一些意见与建议。

[关键词]  超限高层建筑；剪力墙结构；性能目标；经济效益分析

中图分类号：TU398   文章编号：1002-848X( 2016) 09-0054-04

1  工程背景

    工程由6#，7#两栋高度均为159m的46层塔楼及2层地下室组成，总建筑面积为63 773. 7m²，地下2层层高为3. 8m，地下1层层高为5.3m，首层架空层层高为6m，标准层层高为3.4m。两栋塔楼均为剪力墙结构，基础形式为筏板基础，塔楼范围外的区域采用框架结构，基础形式为柱下独立基础。结构设计使用年限为50年，设防类别为丙类，设防烈度为7度(0.1g)，地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类，地面粗糙度为C类，体型系数为1.4，50年一遇的基本风压w0=0. 50kN/m²，嵌固端位于首层底。地下1层及以上抗震等级为一级，地下2层为二级。墙、柱的混凝土强度等级自下而上为C60~C30，梁、板为C35~C30。剪力墙厚度自下而上为400~200mm，连梁高度均为600mm，宽度同剪力墙墙厚，框架梁尺寸为(300，250，200) mm×600mm，不同性能目标下的构件尺寸会在以上基础上略有调整。首层楼板厚度为180mm，其他层均为120mm。两栋塔楼建筑剖面见图1，标准层结构平面布置见图2。由于在结构主要振型周期点上，规范的地震影响系数在小震下小于安评值，所以地震作用参数在小震下采用安评值，在中震及大震下仍然采用规范值，具体见表1。

2  结构抗震性能目标

    在三种不同抗震性能目标下，不同结构构件的性能水准要求与对比见表2。

3  不同地震作用下的分析与对比

3.1多遇地震作用下弹性反应谱法分析

    采用SATWE程序进行弹性反应谱法分析，并考虑偶然偏心作用。以6#楼为例，结构在三种不同性能目标下的计算结果见表3。6#楼在多遇地震下反应谱法分析结果表明：

    (1)结构在三种不同的性能目标下，结构各项主要控制指标均满足现行规范要求，结构构件均达到各自预期的性能水准要求；另外，通过选取安评与规范的地震作用参数分别计算得出的基底剪力相比较可以看出，在X，Y向上，规范值均小于安评值，所以本文在小震下采用安评的地震作用参数是合理的。

    (2)以结构在性能目标C下的X向基底剪力、倾覆力矩为基准，结构在性能目标B下的基底剪力、倾覆力矩分别提高17.3%，14. 3%，结构在性能目标D下的基底剪力、倾覆力矩分别降低4.2%，7. 2%；以结构在性能目标C下的y向基底剪力、倾覆力矩为基准，结构在性能目标B下的基底剪力、倾覆力矩分别提高13. 6%，7.9%，结构在性能目标D下的基底剪力、倾覆力矩分别降低7. 4%，7.1%。

    (3)以结构在性能目标C下的X向的最大层间位移角为基准，结构在性能目标B(D)下的最大层间位移角降低（提高）41. 8%(4.4%)；以结构在性能目标C下的y向的最大层间位移角为基准，结构在性能目标B(D)下的最大层间位移角降低（提高）

22. 8%(6. 3%)。

    (4)综合对比结构各项主要控制指标及在地震作用下的楼层内力、位移可知：结构的抗震性能在性能目标D，C，B下分别依次增强，说明结构在性能目标B下的抗震性能最好。

3.2多遇地震作用下弹性动力时程分析

    按《建筑抗震设计规范》( GB 50011-2010)第5.1.2条第3款的规定选取了符合要求的两条天然波( SW1，SW2)和一条人工波( SY1)。以6#楼为例，结构在三种不同性能目标下，三组地震波谱与规范反应谱的对比见图3～5，楼层剪力对比见表4。

    在多遇地震作用下，弹性动力时程分析结果表明：在三种不同的性能目标下，结构所采用的三组时程波的平均曲线与振型反应谱法（CQC法）所采用的曲线相比，在相应结构主要周期点上相差不到20%，在统计意义上相符；三组时程波计算所得到的结构底部剪力均不小于振型分解反应谱法计算结果的65%，且不大于135%；三组时程波计算所得到的结构底部剪力的平均值亦不小于振型分解反应谱法计算结果的80%，且不大于120%。

3.3设防地震作用下计算分析

    在设防地震作用下，采用SATWE程序进行弹性反应谱法分析，以6#楼为例，结构在三种不同抗震性能目标下的计算结果见表5。6#楼在设防地震下反应谱法分析结果表明：

    (1)结构在三种不同性能目标及设防地震作用下，结构各项主要控制指标均满足现行规范要求，结构构件均达到各自预期的性能水准。

    (2)在三种不同的抗震性能目标下，通过对比结构的各项主要控制指标大小，可得出结构的抗震性能在性能目标D，C，B下分别依次增强，说明结构在性能目标B下的抗震性能最好。

3.4罕遇地震作用下静力弹塑性计算分析

    由于结构在三种性能目标下的前3阶振型的参与质量系数均大于50%，结构总高度为200m以下，且以低阶振型为主，所以可以采用静力弹塑性( Pushover)方法进行分析。荷载加载类型为倒三角形，竖向荷载作用方式为杆端加载，用球面弧长法进行走步控制，考虑二阶效应。以6#楼为例，结构在三种不同性能目标下，X，Y两个方向的Pushover分析结果见表6。

    计算结果表明：1）在性能目标D，C，B下，结构在X，Y两个方向的需求层间位移角均满足罕遇地震作用下的弹塑性层间位移角限值要求，并且在X，y两个方向的推覆过程中，结构构件的屈服顺序均满足先耗能构件后竖向构件的要求，所有结构构件也均达到预期的性能水准；2）从弹塑性层间位移角大小、塑性铰分布及加载步综合判断，可得出结构的抗震性能在性能目标D，C，B下分别依次增强，结构在性能目标B下的抗震性能最好。

4  经济效益分析

    在不同性能目标下，结构工程量统计分别见表7，8。由于楼板和个别柱子工程量相差不大，所以没有列出，纵向钢筋及箍筋均采用HRB400钢筋，对于剪力墙而言，纵向钢筋指分布筋，箍筋指拉筋。

    统计结果表明：当对结构基于小震丙类进行设计时，以结构在性能目标C下混凝土、纵向钢筋、箍筋用量为基准：结构在性能目标B下混凝土用量同比提高12.1%，纵向钢筋、箍筋用量分别同比提高13. 5%，20%，相当于纵向钢筋、箍筋用量每平方米分别增加0. 007 9，0.002 6t；结构在性能目标D下混凝土用量同比降低7.6 010，纵向钢筋、箍筋用量分别同比降低3. 97%，6.2%，相当于纵向钢筋、箍筋用量每平方米减少0. 002 3，0.000 8t。由以上统计结果可以得出，结构的经济效益在性能目标D，C，B下分别依次降低，结构在性能目标D下的经济效益最好。

5  结论与建议

    若想要追求比较高的结构抗震性能，则可以选择结构整体性能目标为B；若想要追求比较高的结构经济效益，则可以选择结构整体性能目标为D;若想要兼顾结构的抗震性能与经济效益，则可以选择结构整体性能目标为C。