某剪力墻結(jié)構(gòu)在不同抗震性能目標下經(jīng)濟效益分析(建筑)
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某剪力墻結(jié)構(gòu)在不同抗震性能目標下經(jīng)濟效益分析(建筑)
韓建強1， 常文峰2， 高 琳1
（1廣州市設(shè)計院，廣州510620;2廣州市民用建筑科研設(shè)計院，廣州510055）
[摘要] 以廣州市某超限高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)為實際工程背景，通過改變結(jié)構(gòu)抗震性能目標D，C，B，分析對比結(jié)構(gòu)在三種不同抗震性能目標下抗震性能與經(jīng)濟效益（工程量）的變化，結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)的抗震性能在性能目標D，C， B下分別依次增強，而經(jīng)濟效益在性能目標D，C，B下分別依次降低。由此得出關(guān)于超限高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計的一些意見與建議。
[關(guān)鍵詞] 超限高層建筑；剪力墻結(jié)構(gòu)；性能目標；經(jīng)濟效益分析
中圖分類號：TU398 文章編號：1002-848X( 2016) 09-0054-04
1 工程背景
工程由6#，7#兩棟高度均為159m的46層塔樓及2層地下室組成，總建筑面積為63 773. 7m2，地下2層層高為3. 8m，地下1層層高為5.3m，首層架空層層高為6m，標準層層高為3.4m。兩棟塔樓均為剪力墻結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)形式為筏板基礎(chǔ)，塔樓范圍外的區(qū)域采用框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)形式為柱下獨立基礎(chǔ)。結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50年，設(shè)防類別為丙類，設(shè)防烈度為7度(0.1g)，地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類，地面粗糙度為C類，體型系數(shù)為1.4，50年一遇的基本風壓w0=0. 50kN/m2，嵌固端位于首層底。地下1層及以上抗震等級為一級，地下2層為二級。墻、柱的混凝土強度等級自下而上為C60~C30，梁、板為C35~C30。剪力墻厚度自下而上為400~200mm，連梁高度均為600mm，寬度同剪力墻墻厚，框架梁尺寸為(300，250，200) mm×600mm，不同性能目標下的構(gòu)件尺寸會在以上基礎(chǔ)上略有調(diào)整。首層樓板厚度為180mm，其他層均為120mm。兩棟塔樓建筑剖面見圖1，標準層結(jié)構(gòu)平面布置見圖2。由于在結(jié)構(gòu)主要振型周期點上，規(guī)范的地震影響系數(shù)在小震下小于安評值，所以地震作用參數(shù)在小震下采用安評值，在中震及大震下仍然采用規(guī)范值，具體見表1。
2 結(jié)構(gòu)抗震性能目標
在三種不同抗震性能目標下，不同結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能水準要求與對比見表2。
3 不同地震作用下的分析與對比
3.1多遇地震作用下彈性反應(yīng)譜法分析
采用SATWE程序進行彈性反應(yīng)譜法分析，并考慮偶然偏心作用。以6#樓為例，結(jié)構(gòu)在三種不同性能目標下的計算結(jié)果見表3。6#樓在多遇地震下反應(yīng)譜法分析結(jié)果表明：
(1)結(jié)構(gòu)在三種不同的性能目標下，結(jié)構(gòu)各項主要控制指標均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)構(gòu)件均達到各自預(yù)期的性能水準要求；另外，通過選取安評與規(guī)范的地震作用參數(shù)分別計算得出的基底剪力相比較可以看出，在X，Y向上，規(guī)范值均小于安評值，所以本文在小震下采用安評的地震作用參數(shù)是合理的。
(2)以結(jié)構(gòu)在性能目標C下的X向基底剪力、傾覆力矩為基準，結(jié)構(gòu)在性能目標B下的基底剪力、傾覆力矩分別提高17.3%，14. 3%，結(jié)構(gòu)在性能目標D下的基底剪力、傾覆力矩分別降低4.2%，7. 2%；以結(jié)構(gòu)在性能目標C下的y向基底剪力、傾覆力矩為基準，結(jié)構(gòu)在性能目標B下的基底剪力、傾覆力矩分別提高13. 6%，7.9%，結(jié)構(gòu)在性能目標D下的基底剪力、傾覆力矩分別降低7. 4%，7.1%。
(3)以結(jié)構(gòu)在性能目標C下的X向的最大層間位移角為基準，結(jié)構(gòu)在性能目標B(D)下的最大層間位移角降低（提高）41. 8%(4.4%)；以結(jié)構(gòu)在性能目標C下的y向的最大層間位移角為基準，結(jié)構(gòu)在性能目標B(D)下的最大層間位移角降低（提高）
22. 8%(6. 3%)。
(4)綜合對比結(jié)構(gòu)各項主要控制指標及在地震作用下的樓層內(nèi)力、位移可知：結(jié)構(gòu)的抗震性能在性能目標D，C，B下分別依次增強，說明結(jié)構(gòu)在性能目標B下的抗震性能最好。
3.2多遇地震作用下彈性動力時程分析
按《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》( GB 50011-2010)第5.1.2條第3款的規(guī)定選取了符合要求的兩條天然波( SW1，SW2)和一條人工波( SY1)。以6#樓為例，結(jié)構(gòu)在三種不同性能目標下，三組地震波譜與規(guī)范反應(yīng)譜的對比見圖3～5，樓層剪力對比見表4。
在多遇地震作用下，彈性動力時程分析結(jié)果表明：在三種不同的性能目標下，結(jié)構(gòu)所采用的三組時程波的平均曲線與振型反應(yīng)譜法（CQC法）所采用的曲線相比，在相應(yīng)結(jié)構(gòu)主要周期點上相差不到20%，在統(tǒng)計意義上相符；三組時程波計算所得到的結(jié)構(gòu)底部剪力均不小于振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的65%，且不大于135%；三組時程波計算所得到的結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值亦不小于振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的80%，且不大于120%。
3.3設(shè)防地震作用下計算分析
在設(shè)防地震作用下，采用SATWE程序進行彈性反應(yīng)譜法分析，以6#樓為例，結(jié)構(gòu)在三種不同抗震性能目標下的計算結(jié)果見表5。6#樓在設(shè)防地震下反應(yīng)譜法分析結(jié)果表明：
(1)結(jié)構(gòu)在三種不同性能目標及設(shè)防地震作用下，結(jié)構(gòu)各項主要控制指標均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)構(gòu)件均達到各自預(yù)期的性能水準。
(2)在三種不同的抗震性能目標下，通過對比結(jié)構(gòu)的各項主要控制指標大小，可得出結(jié)構(gòu)的抗震性能在性能目標D，C，B下分別依次增強，說明結(jié)構(gòu)在性能目標B下的抗震性能最好。
3.4罕遇地震作用下靜力彈塑性計算分析
由于結(jié)構(gòu)在三種性能目標下的前3階振型的參與質(zhì)量系數(shù)均大于50%，結(jié)構(gòu)總高度為200m以下，且以低階振型為主，所以可以采用靜力彈塑性( Pushover)方法進行分析。荷載加載類型為倒三角形，豎向荷載作用方式為桿端加載，用球面弧長法進行走步控制，考慮二階效應(yīng)。以6#樓為例，結(jié)構(gòu)在三種不同性能目標下，X，Y兩個方向的Pushover分析結(jié)果見表6。
計算結(jié)果表明：1）在性能目標D，C，B下，結(jié)構(gòu)在X，Y兩個方向的需求層間位移角均滿足罕遇地震作用下的彈塑性層間位移角限值要求，并且在X，y兩個方向的推覆過程中，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的屈服順序均滿足先耗能構(gòu)件后豎向構(gòu)件的要求，所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件也均達到預(yù)期的性能水準；2）從彈塑性層間位移角大小、塑性鉸分布及加載步綜合判斷，可得出結(jié)構(gòu)的抗震性能在性能目標D，C，B下分別依次增強，結(jié)構(gòu)在性能目標B下的抗震性能最好。
4 經(jīng)濟效益分析
在不同性能目標下，結(jié)構(gòu)工程量統(tǒng)計分別見表7，8。由于樓板和個別柱子工程量相差不大，所以沒有列出，縱向鋼筋及箍筋均采用HRB400鋼筋，對于剪力墻而言，縱向鋼筋指分布筋，箍筋指拉筋。
統(tǒng)計結(jié)果表明：當對結(jié)構(gòu)基于小震丙類進行設(shè)計時，以結(jié)構(gòu)在性能目標C下混凝土、縱向鋼筋、箍筋用量為基準：結(jié)構(gòu)在性能目標B下混凝土用量同比提高12.1%，縱向鋼筋、箍筋用量分別同比提高13. 5%，20%，相當于縱向鋼筋、箍筋用量每平方米分別增加0. 007 9，0.002 6t；結(jié)構(gòu)在性能目標D下混凝土用量同比降低7.6 010，縱向鋼筋、箍筋用量分別同比降低3. 97%，6.2%，相當于縱向鋼筋、箍筋用量每平方米減少0. 002 3，0.000 8t。由以上統(tǒng)計結(jié)果可以得出，結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟效益在性能目標D，C，B下分別依次降低，結(jié)構(gòu)在性能目標D下的經(jīng)濟效益最好。
5 結(jié)論與建議
若想要追求比較高的結(jié)構(gòu)抗震性能，則可以選擇結(jié)構(gòu)整體性能目標為B；若想要追求比較高的結(jié)構(gòu)經(jīng)濟效益，則可以選擇結(jié)構(gòu)整體性能目標為D;若想要兼顧結(jié)構(gòu)的抗震性能與經(jīng)濟效益，則可以選擇結(jié)構(gòu)整體性能目標為C。
