石　異, 束偉農(nóng), 周　鋼, 孫　鵬, 張建良, 趙東卓, 侯　硯

(北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100045)

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通州新北京中心項(xiàng)目9B樓超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

石異, 束偉農(nóng), 周鋼, 孫鵬, 張建良, 趙東卓, 侯硯

(北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100045)

【摘要】通州新北京中心項(xiàng)目9B樓位于北京市通州區(qū)，高度為151.89 m的框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，屬于高度超限結(jié)構(gòu)。文章介紹了該公寓樓的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并通過(guò)彈塑性分析著重研究結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的受力特點(diǎn)和抗震性能。

【關(guān)鍵詞】超高層建筑;剪力墻;彈塑性;外框柱

1工程概況與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

工程建設(shè)地點(diǎn)位于北京市通州區(qū)新華北路東約100 m，通惠河北側(cè)。9B樓長(zhǎng)43.3 m、寬26.5 m，層數(shù)41層，高度為151.89 m。地上1～3層為商業(yè)，層高分別為6 m、5.1 m、5.1 m；4層為設(shè)備層，層高2.19 m；15層、28層為避難層，層高為4.2 m；其余為公寓，層高為3.5 m、3.7 m。9B樓建筑效果圖見圖1，剖面圖見圖2。

圖1　建筑效果圖

圖2　建筑剖面

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年，抗震設(shè)防烈度為8度，抗震設(shè)防類別為丙類，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.20 g。建筑結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)為二級(jí)。場(chǎng)地類別為III類，特征周期0.42 s(剪切波速230 m/s內(nèi)插值)，設(shè)計(jì)地震分組為第一組。

2結(jié)構(gòu)體系及超限情況

2.1結(jié)構(gòu)體系

本工程采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。外框架與核心筒之間的距離X向?yàn)?1.05 m，Y向?yàn)?0.4 m。由于Y向剛度偏弱，在Y向的核心筒東西兩側(cè)對(duì)應(yīng)位置上設(shè)置了剪力墻。核心筒外墻厚度為1 000～400 mm，外框柱底層1 500 mm×800 mm，至頂層逐漸縮減為1 500 mm×500 mm，角柱為1 100 mm×1 100 mm。建筑標(biāo)準(zhǔn)層平面見圖3。

圖3　建筑標(biāo)準(zhǔn)層平面

2.2結(jié)構(gòu)的超限情況

本工程根據(jù)建質(zhì)[2010]109號(hào)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》，對(duì)規(guī)范涉及結(jié)構(gòu)不規(guī)則性的條文進(jìn)行了檢查，本工程屬超B級(jí)高度的房屋。

3高度超限應(yīng)對(duì)措施及分析結(jié)論

本工程抗震設(shè)防類別為丙類，抗震措施按8度要求。彈性分析阻尼比取值0.05，彈塑性分析阻尼比取值0.06。風(fēng)荷載按重現(xiàn)期50年進(jìn)行取值，為0.45 kN/m2(計(jì)算按1.1倍采用)；地面粗糙度為B類；風(fēng)荷載體型系數(shù)和風(fēng)振系數(shù)依據(jù)荷載規(guī)范取值；雪荷載按重現(xiàn)期50年進(jìn)行取值，為0.40 kN/m2。

3.1高度超限應(yīng)對(duì)措施

3.1.1分析模型及分析軟件

(1)采用兩個(gè)不同力學(xué)模型的空間分析程序PKPM-SATWE和MIDAS GEN進(jìn)行對(duì)比校核計(jì)算，檢查小震下整體結(jié)構(gòu)各項(xiàng)指標(biāo)是否滿足規(guī)范要求。

(2)中震計(jì)算取GB50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》提供的地震動(dòng)參數(shù)，驗(yàn)算各構(gòu)件符合中震作用下的性能目標(biāo)。對(duì)于中震時(shí)出現(xiàn)小偏心受拉的混凝土構(gòu)件，拉應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)置型鋼承擔(dān)所有拉應(yīng)力。

(3)在罕遇地震作用下，擬進(jìn)行靜力彈塑性分析，找出結(jié)構(gòu)薄弱部位，并觀察結(jié)構(gòu)在罕遇地震力作用下的塑性鉸發(fā)展趨勢(shì)。檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的彈塑性變形滿足規(guī)范限值1/100要求，保證大震不倒的設(shè)防目標(biāo)。

(4)驗(yàn)算在10年一遇的風(fēng)荷載作用下建筑使用的舒適度，滿足規(guī)范要求。

3.1.2抗震設(shè)計(jì)性能目標(biāo)及加強(qiáng)措施

(1) 在雙向水平地震作用下，底部加強(qiáng)部位的墻肢，偏壓承載力按中震不屈服設(shè)計(jì)，受剪承載力滿足中震彈性和大震下的截面剪應(yīng)力控制要求。加強(qiáng)部位以上的主要墻肢，受剪承載力滿足中震不屈服的要求。墻肢的約束邊緣構(gòu)件延伸至軸壓比0.25的高度;底部加強(qiáng)部位墻肢拉應(yīng)力超過(guò)ftk時(shí)，構(gòu)件內(nèi)設(shè)置型鋼承擔(dān)拉力，對(duì)拉應(yīng)力較大(≥1.5ftk)的主要墻肢，其偏拉承載力按中震彈性設(shè)計(jì)。

(2) 底部加強(qiáng)部位的框架柱，計(jì)入多道防線，偏壓和偏拉承載力按中震不屈服設(shè)計(jì)，受剪承載力滿足中震彈性的要求；加強(qiáng)部位以上框架柱受剪承載力滿足中震不屈服的要求。

3.2分析結(jié)論

3.2.1多遇地震反應(yīng)譜分析結(jié)果

結(jié)構(gòu)計(jì)算分析的過(guò)程中，考慮了以下的結(jié)構(gòu)假定，以模擬結(jié)構(gòu)的真實(shí)受力狀態(tài)，分析結(jié)果見表1。

(1)本工程以地下室頂板(±0.000)作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端；

(2)開洞樓板較大處考慮樓板平面外彈性假定；

(3)結(jié)構(gòu)整體的施工模擬，依照施工順序，逐層疊加，形成剛度和分層加載。

表1　多遇地震反應(yīng)譜分析結(jié)果

兩個(gè)程序的計(jì)算結(jié)果基本相符，可以認(rèn)為計(jì)算模型正確有效。在后續(xù)的設(shè)計(jì)階段中，按照多個(gè)程序結(jié)果的包絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)，能夠保證結(jié)構(gòu)的安全。

3.2.2時(shí)程分析與振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算的地震作用效應(yīng)比較

本工程彈性時(shí)程計(jì)算采用PKPM-SATWE，阻尼比為0.05。計(jì)算時(shí)采用北京震泰工程有限公司提供的五條天然波和兩條人工波，根據(jù)《場(chǎng)地地震安全性評(píng)估報(bào)告》時(shí)程曲線峰值加速度取80 gal,分析結(jié)果見表2。

表2　時(shí)程分析與振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果比較

從計(jì)算結(jié)果可以看出，每條時(shí)程曲線計(jì)算所得的結(jié)果底部剪力大于振型分解反應(yīng)譜法求得的底部剪力的65 %，多條時(shí)程曲線計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值也大于振型分解反應(yīng)譜法求得的底部剪力的80 %，滿足GB50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.1.2的要求。

3.2.3中震反應(yīng)譜分析結(jié)果

由于本工程高度超限，為保證結(jié)構(gòu)的安全，設(shè)計(jì)中提高了重要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全度水平，對(duì)于底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻及框架柱受剪承載力按中震彈性設(shè)計(jì)，對(duì)于底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻及框架柱受彎承載力按中震不屈服設(shè)計(jì)。

在中震作用下剪力墻受剪承載力滿足中震彈性的設(shè)防目標(biāo)，部分連梁、樓面梁出現(xiàn)超筋，剪力墻受彎承載力和外框柱經(jīng)中震不屈服驗(yàn)算，滿足中震不屈服的設(shè)防目標(biāo)。

中震作用下底部部分墻肢出現(xiàn)拉應(yīng)力，根據(jù)出現(xiàn)拉應(yīng)力大小，施工圖設(shè)計(jì)時(shí)在拉應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值墻肢中設(shè)置型鋼，且型鋼應(yīng)能承擔(dān)所有中震作用下產(chǎn)生的拉力，外框架的型鋼配置也應(yīng)滿足中震的拉力要求需要。

3.2.4靜力彈塑性計(jì)算結(jié)果

在Pushover分析曲線中，性能控制點(diǎn)對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)層間位移角小于規(guī)范規(guī)定的限值。從結(jié)構(gòu)的出鉸部位和順序來(lái)看，在設(shè)防烈度地震的作用下，結(jié)構(gòu)在一些連梁和剪力墻中出現(xiàn)了少量塑性鉸；在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)的一部分連梁和剪力墻出現(xiàn)了塑性鉸，且一些塑性鉸屈服程度較深(圖4、圖5)。但從基底剪力—頂點(diǎn)位移相關(guān)曲線上可以看到，整體結(jié)構(gòu)仍處于強(qiáng)化上升的工作階段，因此結(jié)構(gòu)能夠經(jīng)受罕遇地震的考驗(yàn)。

圖4　罕遇地震時(shí)刻X向出鉸圖(出鉸單元比例8.2%)

圖5　罕遇地震時(shí)刻Y向出鉸圖(出鉸單元比例6.5%)

3.2.5樓板開洞局部應(yīng)力分析結(jié)果

9B樓在三層設(shè)置游泳池，導(dǎo)致樓板開大洞，從小震下的分析結(jié)果可以看出，X向地震X方向的應(yīng)力、Y向地震Y方向的應(yīng)力很小，幾乎為0 MPa，X向地震Y方向的應(yīng)力、Y向地震Y方向的應(yīng)力在局部洞邊的應(yīng)力為0.3 MPa，較小，開洞對(duì)于樓板應(yīng)力的影響很小(圖6、圖7)。

4結(jié)束語(yǔ)

通州新北京中心項(xiàng)目9B樓屬高度超限結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要圍繞超高展開，加強(qiáng)底部剪力墻和外框柱的抗震性能，并在常規(guī)整體計(jì)算的基礎(chǔ)上，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性分析，深入了解結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的工作性能，確保主體結(jié)構(gòu)滿足

圖6　X向地震樓板應(yīng)力

圖7　Y向地震樓板應(yīng)力

設(shè)計(jì)性能指標(biāo)。

所涉及剪力墻、外框柱的設(shè)計(jì)計(jì)算原則均是針對(duì)本工程特點(diǎn)提出的，以供相似工程借鑒和對(duì)比。

參考文獻(xiàn)

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【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】B

【中圖分類號(hào)】TU973.1+6

[作者簡(jiǎn)介]石異(1969～)，男，碩士研究生，高級(jí)工程師，從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

[定稿日期]2015-11-16