鐘林杭

(廈門(mén)合立道工程設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司 福建廈門(mén) 361004 )

某超限高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與彈塑性分析

鐘林杭

(廈門(mén)合立道工程設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司 福建廈門(mén) 361004 )

結(jié)合一棟B級(jí)高度的剪力墻結(jié)構(gòu)住宅樓的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程，分析項(xiàng)目的超限情況，采用振型分解反應(yīng)譜法對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行了多遇地震作用下的對(duì)比分析，同時(shí)采用彈性時(shí)程分析、靜力彈塑性(Pushover)分析及樓板應(yīng)力分析等補(bǔ)充計(jì)算方法對(duì)結(jié)構(gòu)體系的合理性進(jìn)行驗(yàn)證，并在施工圖設(shè)計(jì)階段采取了有效的抗震構(gòu)造加強(qiáng)措施。計(jì)算分析表明，該工程采用的結(jié)構(gòu)體系抗震性能良好。

超限高層；剪力墻結(jié)構(gòu)； 抗震性能化設(shè)計(jì)；靜力彈塑性

1 工程概況

該工程位于泉州市鯉城區(qū)筍江路，總建筑面積約60萬(wàn)m2；其中住宅2-1#樓為地下2層，地上42層的超高層建筑，首層層高為5.1m，其余各層層高均為3.15m，建筑總高度為134.25m，項(xiàng)目總用地面積約13萬(wàn)m2。

該項(xiàng)目設(shè)計(jì)使用年限為50年，建筑安全等級(jí)為二級(jí)。結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防類(lèi)別為丙類(lèi)，設(shè)防烈度7度(0.15g)，設(shè)計(jì)地震分組為第三組，Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地，場(chǎng)地特征周期根據(jù)安評(píng)報(bào)告取0.50s；地面粗糙類(lèi)別為B類(lèi)，基本風(fēng)壓取為0.7kN/m2。

2 地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

根據(jù)《巖土工程詳細(xì)勘查報(bào)告書(shū)》，針對(duì)本場(chǎng)地特點(diǎn)，主樓采用三岔雙向擠擴(kuò)灌注樁(鉆孔灌注樁)，樁基持力層為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層，樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，樁基直徑為1 000mm，單樁豎向抗壓承載力特征值為8 900kN，有效樁長(zhǎng)為22m～33m，設(shè)置2個(gè)承力盤(pán)，承力盤(pán)直徑為1 800mm。該工程樁基采用氣舉反循環(huán)清孔施工工藝，以確?？椎壮猎暮穸葷M(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。純地下室基礎(chǔ)采用機(jī)械接頭的PHC500-125-AB預(yù)應(yīng)力管樁，樁端持力層為卵石層，單樁豎向承載力特征值為1 700kN，單樁豎向抗拔承載力為140kN，PHC管樁與底板上布置的多重防腐型擴(kuò)體抗浮錨桿共同組成抗浮體系。

3 上部主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)體系

主樓采用鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，地下室頂板厚度不小于200mm，經(jīng)初步估算，地下一層主樓相關(guān)范圍的樓層側(cè)移剛度(剪切剛度)大于地上一層的2倍，滿(mǎn)足地下室頂板對(duì)上部主體結(jié)構(gòu)的嵌固要求。結(jié)構(gòu)平面布置如圖1所示。為配合業(yè)主對(duì)戶(hù)型的使用功能需求，從五層到四十層分為3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層都有躍層，樓板開(kāi)洞位置不同，形成較多的樓板連接薄弱處。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，豎向構(gòu)件的平面布置根據(jù)盡量簡(jiǎn)單、對(duì)稱(chēng)，且X、Y兩個(gè)方向的側(cè)向剛度不至于相差過(guò)大的原則，充分利用樓梯間、電梯間、分戶(hù)墻和建筑周邊角部房間布置落地剪力墻，剪力墻厚度自下而上采用300mm、250mm、200mm均勻變化。豎向構(gòu)件的混凝土強(qiáng)度等級(jí)由低區(qū)到高區(qū)分別采用C50、C45、C40、C35和C30，同時(shí)加強(qiáng)大開(kāi)洞房間周邊連接薄弱處樓板的厚度，以保證水平力的有效傳遞。

3.2 結(jié)構(gòu)超限情況及性能目標(biāo)

該項(xiàng)目結(jié)構(gòu)總高度134.25m，在A級(jí)高度限值120m和B級(jí)高度限值150m之間，屬于B級(jí)高度超限高層(抗震等級(jí)為一級(jí))，存在以下不規(guī)則項(xiàng)：①扭轉(zhuǎn)不規(guī)則——在規(guī)定水平力作用下，考慮偶然偏心的影響，個(gè)別樓層位移比>1.2，但<1.4；②凹凸不規(guī)則——l/Bmax=12.97/25.77=0.50>0.35。在豎向規(guī)則性方面——該項(xiàng)目豎向抗側(cè)力構(gòu)件上下連續(xù)貫通，相鄰樓層的側(cè)向剛度變化均勻，無(wú)過(guò)大的外挑和收進(jìn)，質(zhì)量沿高度均勻分布。

針對(duì)項(xiàng)目超限情況，根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專(zhuān)項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》的規(guī)定和該項(xiàng)目抗震設(shè)防專(zhuān)項(xiàng)審查意見(jiàn)的要求，對(duì)結(jié)構(gòu)受力的關(guān)鍵部位及構(gòu)件按C級(jí)性能目標(biāo)進(jìn)行抗震性能設(shè)計(jì)[1]，如表1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)平面布置圖

設(shè)防水準(zhǔn)多遇地震(小震)設(shè)防烈度地震(中震)罕遇地震(大震)性能描述完好可修復(fù)不倒塌層間位移角上限1/1000—1/120底部加強(qiáng)部位剪力墻連梁彈性正截面抗彎承載力、斜截面抗剪承載力滿(mǎn)足彈性要求斜截面抗剪承載力滿(mǎn)足截面控制條件，控制整體彈塑性變形

4 主體結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

4.1 振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果分析

該項(xiàng)目采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院PKPM軟件中的SATWE模塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體模型計(jì)算分析，計(jì)算中考慮了扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)影響，并采用MIDAS軟件進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算校核，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 SATWE及MIDAS彈性結(jié)果對(duì)比分析

分析主要計(jì)算結(jié)果，結(jié)構(gòu)底部5層在X向的最小剪重比不滿(mǎn)足規(guī)范限值2.40%，但大于2.04%。按規(guī)范要求，乘以放大系數(shù)調(diào)整底部總剪力和各樓層的水平地震剪力，使之滿(mǎn)足剪重比大于規(guī)范限值2.40%的要求[2]。結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定驗(yàn)算滿(mǎn)足要求。水平荷載下位移角滿(mǎn)足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)剛度較好。

4.2 補(bǔ)充計(jì)算結(jié)果分析

4.2.1 彈性時(shí)程分析

為校核振型分解反應(yīng)譜法的計(jì)算結(jié)果，根據(jù)規(guī)范要求，位于設(shè)防烈度7度地區(qū)的建筑總高度超過(guò)100m時(shí)，應(yīng)采用彈性時(shí)程分析法進(jìn)行多遇地震下的補(bǔ)充計(jì)算[3]。根據(jù)業(yè)主提供的地震安評(píng)報(bào)告，該項(xiàng)目進(jìn)行彈性時(shí)程分析時(shí)，地面運(yùn)動(dòng)最大加速度取值為55gal，阻尼比取0.05。所選用的地震波包括5條天然波和2條人工波，每組地震波包含X和Y兩個(gè)方向的分量，地震波的波形除符合有效峰值、持續(xù)時(shí)間、頻譜特性等方面的要求外，還應(yīng)滿(mǎn)足規(guī)范對(duì)底部剪力的相關(guān)要求。

將選出的7組小震加速度記錄作為彈性時(shí)程分析的地震波輸入，采用PMSAP程序計(jì)算的結(jié)果如圖2～圖3所示。

圖2 X向樓層剪力

圖3 Y向樓層剪力

計(jì)算結(jié)果表明：每條時(shí)程曲線(xiàn)計(jì)算所得結(jié)構(gòu)基底剪力均大于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的65%，且小于135%，彈性時(shí)程分析法所選取的地震波滿(mǎn)足規(guī)范要求；多條時(shí)程曲線(xiàn)計(jì)算所得結(jié)構(gòu)基底剪力的平均值大于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的80%[4]。因此，該項(xiàng)目直接取振型分解反應(yīng)譜法的計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)即可，無(wú)需調(diào)整樓層構(gòu)件的內(nèi)力及配筋。

4.2.2 靜力彈塑性分析(pushover)

為確保主體結(jié)構(gòu)在大震作用下具有足夠的延性和抗倒塌能力，該項(xiàng)目采用靜力彈塑性(pushover)分析法驗(yàn)算了罕遇地震作用下的樓層位移，計(jì)算結(jié)果表明，該項(xiàng)目X向和Y向?qū)娱g彈塑性位移角在罕遇地震作用下分別為1/121和1/154，均滿(mǎn)足規(guī)范對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)層間彈塑性位移角限值的規(guī)定[2]。最不利方向(X向)的結(jié)構(gòu)能力-需求曲線(xiàn)如圖4所示。

圖4 X向結(jié)構(gòu)能力-需求曲線(xiàn)

分析結(jié)果表明：性能點(diǎn)加載步結(jié)構(gòu)的最大層間位移角出現(xiàn)在計(jì)算模型的二十四層～二十八層，此附近樓層的變形相對(duì)較大，隨著水平推覆荷載的進(jìn)一步加大，結(jié)構(gòu)的變形由初期的彈性階段逐步進(jìn)入塑性發(fā)展階段。施工圖設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)相應(yīng)樓層的相關(guān)構(gòu)件加強(qiáng)抗震構(gòu)造措施設(shè)計(jì)，增強(qiáng)主體結(jié)構(gòu)的整體性，有效控制結(jié)構(gòu)的最大彈塑性位移[5]。

4.2.3 樓板應(yīng)力分析

該項(xiàng)目樓板開(kāi)洞較多且不規(guī)則，在結(jié)構(gòu)平面布置的中部存在電梯井、樓梯間和局部挑空區(qū)域，形成較多的樓板連接薄弱處，為確保水平剪力能夠通過(guò)樓蓋結(jié)構(gòu)有效傳遞到豎向構(gòu)件上，該項(xiàng)目對(duì)結(jié)構(gòu)平面上連接薄弱的區(qū)域采取加厚樓板的措施，并利用MIDAS

有限元軟件復(fù)核位移最大樓層和開(kāi)洞最大樓層的樓板應(yīng)力。

經(jīng)驗(yàn)算，在設(shè)防烈度地震作用下，結(jié)構(gòu)層間位移角最大的第二十八層樓板的最大主拉應(yīng)力為1.16MPa，結(jié)構(gòu)平面開(kāi)洞最大的第二十九層樓板的最大主拉應(yīng)力達(dá)到1.52MPa，均未超過(guò)C30混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(2.01MPa)，可滿(mǎn)足設(shè)防烈度地震作用下樓板不開(kāi)裂的設(shè)計(jì)要求。因此，經(jīng)過(guò)采取加厚連接薄弱區(qū)域樓板厚度的措施后，水平剪力的傳遞路徑可以得到有效保證。

4.3 抗震加強(qiáng)措施

經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，該項(xiàng)目在后期施工圖設(shè)計(jì)時(shí)，為保證結(jié)構(gòu)安全，另外采取了以下加強(qiáng)措施：

(1)中震作用下，將出現(xiàn)小偏心受拉的豎向構(gòu)件的抗震等級(jí)提高一級(jí)(按特一級(jí)構(gòu)造)。

(2)樓梯間、電梯間前室，大開(kāi)洞房間周邊連接薄弱區(qū)域進(jìn)行加強(qiáng)，加強(qiáng)區(qū)板厚采用140mm，樓板配筋采用雙層雙向布置，且每層每方向的配筋率不小于0.25%。

(3)嚴(yán)格控制豎向構(gòu)件的軸壓比，適當(dāng)加強(qiáng)位移角較大樓層的構(gòu)件配筋，以提高整體結(jié)構(gòu)的抗震性能。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)超高層剪力墻結(jié)構(gòu)住宅樓的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了總結(jié)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，根據(jù)規(guī)范判斷項(xiàng)目在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、凹凸不規(guī)則方面的超限情況，采用振型分解反應(yīng)譜法對(duì)兩個(gè)軟件的計(jì)算模型在多遇地震作用下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，采用彈性時(shí)程分析法補(bǔ)充計(jì)算驗(yàn)證，同時(shí)采用靜力彈塑性分析法(Pushover)計(jì)算了罕遇地震作用下的層間彈塑性位移角，還應(yīng)用MIDAS軟件對(duì)層間位移角最大和開(kāi)洞最多樓層的樓板進(jìn)行應(yīng)力分析，并結(jié)合補(bǔ)充計(jì)算的結(jié)果對(duì)抗震構(gòu)造措施進(jìn)行了加強(qiáng)。因此，該項(xiàng)目所采用的結(jié)構(gòu)體系具有良好的抗震性能，滿(mǎn)足規(guī)范相關(guān)要求。

[1] 建質(zhì)[2015]67號(hào).超限高層建筑工程抗震設(shè)防專(zhuān)項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)[S].住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部,2015.

[2] JGJ3-2010 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

[3] GB50011-2010 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

[4] 朱炳寅.高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程應(yīng)用與分析JGJ3-2010[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2013：140-141.

[5] 張根俞，朱炳寅，張路,等.某大底盤(pán)多塔框支剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析[J].建筑結(jié)構(gòu)，2014，44(5)：57-61.

Design of out-of-codes structure of a high-rise building and Pushover analysis

ZHONGLinhang

(Xiamen Hordor Architecture & Engineering Design Group Co. Ltd, Xiamen 361004)

According to solve the out-of-codes of super high-rise building irregular in torsion, concave-convex and sudden size change. SATWE and PMSAP were used to analyze and compare the results of procedures in case of CQC under multiples resilient earthquake, additional time history and Pushover analysis. appropriate measures were took to strength the earthquake reaction. The results show that the structure has good seismic performance.

Exceeded code limited of a high-rise building; Shearwall structure; Time history analysis; Pushover analysis

鐘林杭(1983.8- )，男，工程師。

E-mail:448667191@qq.com

2017-03-10

TU973

A

1004-6135(2017)06-0084-04