王營濤 張小偉 周明
摘 要 結(jié)合一超限高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析過程中使用的分析方法,探討了針對于此類型超高層設(shè)計(jì)的分析思路,通過大量的軟件數(shù)據(jù)分析,針對性的采取了加強(qiáng)措施,確保建筑在地震作用下的抗震性能水平,為類似結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一定的參考作用。
關(guān)鍵詞 超高層;性能設(shè)計(jì);動力彈塑性時程分析
1工程概況
1.1 基本信息
該項(xiàng)目位于烏魯木齊市水磨溝區(qū)紅光山片區(qū),會展大道東側(cè),龍盛街以北,北鄰在建的‘紅星美凱龍家居世博廣場,南側(cè)為益民大廈,總建筑面積57819.34㎡。本項(xiàng)目地上共33層,由一棟塔樓組成。塔樓為33層辦公樓,主屋面高度為142.95米(地下一層臨空,計(jì)算高度已算至負(fù)二層頂板),屋面以上設(shè)備夾層、擦窗機(jī)軌道層及幕墻圍護(hù),幕墻頂高度為147.45米。塔樓以4.05米層高辦公空間為主,避難層為3.9m層高,負(fù)一~三層為5.4米層高,四層為4.2米層高,其中負(fù)一層和一層局部為商業(yè)。本項(xiàng)目設(shè)四層地下室(結(jié)構(gòu)按地下三層計(jì)算,負(fù)一層地下室由于四面無土體約束按地上算并計(jì)入總高度),負(fù)二至負(fù)四層主要為汽車庫及設(shè)備用房。本項(xiàng)目為超限高層建筑工程,其超限情況簡要概述:結(jié)構(gòu)體系框架-核心筒結(jié)構(gòu),建筑高度142.95,超B級高度(140m)限值。主要結(jié)構(gòu)分析軟件:①《YJK建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析和設(shè)計(jì)軟件》(V2020-2.0.3版)北京盈建科股份有限公司開發(fā)研制。②《PKPM-SAUSAGE 高性能彈塑性動力時程分析軟件》 中國建筑科學(xué)研究院廣州建研數(shù)力建筑科技有限公司開發(fā)研制[1]。
1.2 地震作用
根據(jù)國家規(guī)范有關(guān)規(guī)定,抗震設(shè)防的設(shè)計(jì)參數(shù):①抗震設(shè)防基本標(biāo)準(zhǔn)抗震設(shè)防烈度:8度;設(shè)計(jì)基本地震加速度值:0.16g;②本工程考慮地震斷裂帶影響按0.16x1.1=0.176; ③建筑場地類別:Ⅱ類場地;④設(shè)計(jì)地震分組:第2組,Tg=0.40s;⑤水平地震影響系數(shù)最大值多遇地震:0.176,設(shè)防地震:0.495,罕遇地震:0.99;⑥振型分解反應(yīng)譜法按CQC法組合;⑦時程分析實(shí)際地震記錄(天然波)從天然波波庫選取,人工模擬加速度時程曲線從人工波波庫選取;⑧結(jié)構(gòu)阻尼比0.05;⑨地震波持續(xù)時間T>5T1且>15s;10.周期折減系數(shù):0.80。
2結(jié)構(gòu)布局
2.1 概述
塔樓采用框架-核心筒結(jié)構(gòu),地上共33層,由一棟塔樓組成。塔樓為33層辦公樓,主屋面高度為142.95米,屋面以上設(shè)備夾層、擦窗機(jī)軌道層及幕墻圍護(hù),幕墻頂高度為147.45米。塔樓以4.05米層高辦公空間為主,避難層為3.9m層高,負(fù)一~三層為5.4米層高,四層為4.2米層高,其中負(fù)一層和一層局部為商業(yè)。本項(xiàng)目設(shè)四層地下室(結(jié)構(gòu)按地下三層計(jì)算,負(fù)一層地下室由于四面無土體約束按地上算),樓蓋均采用現(xiàn)澆普通鋼筋混凝土梁板體系。
2.2 結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件信息(表1)
2.3 結(jié)構(gòu)計(jì)算嵌固端
本工程地下室頂板滿足以下條件:
(1) 負(fù)二層頂板無大開洞存在;地上結(jié)構(gòu)頂板采用普通現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu);樓板厚度為180mm,混凝土強(qiáng)度等級為C30,采用雙層雙向配筋,且每層每個方向最小配筋率為0.25%;
(2) 按剪切剛度計(jì)算的結(jié)構(gòu)地上一層側(cè)向剛度小于相關(guān)范圍地下一層側(cè)向剛度的0.5倍;且地下室周邊有與頂板相連的抗震墻;
(3) 地下室頂板對應(yīng)于地上框架柱的梁柱節(jié)點(diǎn)按《抗規(guī)》6.1.14條有關(guān)構(gòu)造要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。
由此判定:負(fù)二層頂板可以作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端。
3抗震性能目標(biāo)
3.1 抗震設(shè)防性能目標(biāo)
本項(xiàng)目的抗震設(shè)計(jì)在滿足國家、地方規(guī)范的規(guī)定和要求外,將根據(jù)相關(guān)規(guī)范,采用結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)方法。建筑抗震性能設(shè)計(jì)可以立足于承載力和變形能力的綜合考慮,具有很強(qiáng)的針對性和靈活性。針對具體工程的需要和可能,可以對整個結(jié)構(gòu)或某些部位及關(guān)鍵構(gòu)件,靈活運(yùn)用各種措施達(dá)到預(yù)期的性能目標(biāo)[2]。
根據(jù)《高規(guī)》3.11.1、3.11.2條規(guī)定,結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)的要求,抗震設(shè)防性能目標(biāo)分為A、B、C、D四個等級,抗震性能分為1、2、3、4、5五個水準(zhǔn)。對于本工程項(xiàng)目,綜合考慮抗震設(shè)防類別、設(shè)防烈度、場地條件、結(jié)構(gòu)的特殊性、建造費(fèi)用、震后損失和修復(fù)難易程度等因素,結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)擬采用D級;相應(yīng)的性能水準(zhǔn)如下表2-1所示。塔樓的結(jié)構(gòu)抗震性能水準(zhǔn)按下表2-2進(jìn)行判別:
3.2 地震作用下的結(jié)構(gòu)分析方法
4多遇地震分析結(jié)果
結(jié)算結(jié)果指標(biāo):
(1)結(jié)構(gòu)自震周期:T1=2.9399S T2=2.6604S? ?T3=2.3991S。
(2)樓層最大層間彈性位移角:風(fēng)X=1/2078(20F)風(fēng)Y=1/3491(17F),地震X=1/812(28F) 地震Y=1/1046(25F)。
(3)最大位移與層平均位移比:X=1.23 (1F) Y=1.28 (1F)。
(4)最大層間位移與平均層間位移比:X=1.23 (1F)? Y=1.28 (14F)。
(5)最小剪重比:X=3.525%? Y=13.52%。
分析結(jié)果表明在地震作用下,框架部分所占剪力均勻合理;框架部分最大剪力滿足大于結(jié)構(gòu)底部地震剪力的10%,滿足《高規(guī)》9.1.11條;各樓層框架柱剪力經(jīng)分段調(diào)整后均需滿足《高規(guī)》8.1.4條(0.2V0調(diào)整)。剪力墻下部承受很大的剪力,向上逐漸減小,到頂部時剪力墻承受負(fù)剪力;框架與剪力墻部分在頂層剪力相反,框架部分和剪力墻部分在頂層有相互作用的集中力,表明結(jié)構(gòu)有良好的框剪共同作用的力學(xué)性能。計(jì)算結(jié)果表明,框架部分能夠形成有效的二道防線,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本合理;同時,根據(jù)相關(guān)規(guī)范,對框架作相應(yīng)的剪力調(diào)整,尤其是底層,擬參照框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系的要求對框架剪力作加強(qiáng)調(diào)整。
5設(shè)防烈度地震作用下分析
5.1 中震驗(yàn)算的主要對象
結(jié)構(gòu)在設(shè)防地震下,整體剛度及組成結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件的承載力,包括關(guān)鍵構(gòu)件(如加強(qiáng)層伸臂、支撐伸臂作用的周邊環(huán)帶結(jié)構(gòu)及豎向支撐構(gòu)件、承托上部多個樓層框架柱的腰桁架,底部加強(qiáng)區(qū)重要的剪力墻),普通豎向構(gòu)件(一般剪力墻、柱),耗能構(gòu)件(連梁、框架梁)。本工程性能設(shè)防目標(biāo)為D級,根據(jù)《高規(guī)》3.11.1結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)為在多遇地震下應(yīng)滿足第1性能水準(zhǔn)的要求,在設(shè)防地震作用下應(yīng)滿足第4性能水準(zhǔn)的要求,在預(yù)估的罕遇地震作用下應(yīng)滿足第5性能水準(zhǔn)的要求[3]。
5.2 設(shè)防烈度(中震)構(gòu)件承載力驗(yàn)算
根據(jù)性能目標(biāo),針對第二水準(zhǔn)(中震可修)下的中震組合效應(yīng)進(jìn)行構(gòu)件承載力驗(yàn)算。
構(gòu)件承載力驗(yàn)算時,目前較為常見的技術(shù)手段有兩種:
一是“中震彈性”,即結(jié)構(gòu)在中震作用下,結(jié)構(gòu)承載力滿足彈性設(shè)計(jì)要求,計(jì)算時不考慮地震內(nèi)力調(diào)整系數(shù),其他基本同抗震設(shè)計(jì)的第一階段(小震彈性),采用與小震時相同的作用分項(xiàng)系數(shù)、材料分項(xiàng)系數(shù)和抗震承載力調(diào)整系數(shù),材料強(qiáng)度取設(shè)計(jì)值,不考慮風(fēng)荷載參與組合。二是“中震不屈服”,即采用振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算地震效應(yīng),取消內(nèi)力調(diào)整,荷載和地震作用分項(xiàng)系數(shù)取1.0(組合值系數(shù)不變),截面驗(yàn)算采用材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,不考慮抗震承載力的調(diào)整,且不考慮風(fēng)荷載參與組合,考慮到中震不屈服驗(yàn)算時有部分構(gòu)件出現(xiàn)抗彎屈服,參考抗震規(guī)范的相關(guān)建議,適當(dāng)調(diào)整結(jié)構(gòu)阻尼比為0.06。
5.3 各構(gòu)件在中震的作用下,其抗震性能如下所述:
(1)連梁在中震作用下,部分出現(xiàn)抗彎屈服,通過連梁剪壓比計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)來看,連梁剪壓比在一定富裕,可以滿足預(yù)定抗震性能目標(biāo)。
(2)框架梁在中震作用下,少部分框梁出現(xiàn)輕微抗彎屈服,通過框架梁計(jì)算結(jié)果來看,框架梁抗剪承載力存在很大富裕,可以滿足預(yù)定抗震性能目標(biāo)。
(3)剪力墻在中震作用下,均能滿足中震抗彎抗剪不屈服的要求,其中抗剪承載力具有一定的富余。
(4)框架柱抗彎抗剪滿足中震不屈服,特別是抗剪承載力具有較大的富余。
(5)底部加強(qiáng)區(qū)的筒體邊部墻體在中震下存在偏心受拉,拉應(yīng)力已大于混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,故增設(shè)型鋼加強(qiáng)。
通過中震分析,結(jié)構(gòu)體系中豎向構(gòu)件在中震下基本保持著良好的工作性能,而水平構(gòu)件中——框架梁和作為結(jié)構(gòu)主要的耗能構(gòu)件的連梁在地震作用下出現(xiàn)部分受彎屈服,但不嚴(yán)重,抗剪存在一定富裕,均可滿足中震不屈服的要求。本結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上保證了中震彈性及不屈服概念的具體落實(shí),也即實(shí)現(xiàn)了中震可修的性能水準(zhǔn),同時,也體現(xiàn)了地震中各構(gòu)件的屈服順序基本上是首先耗能構(gòu)件的連梁和框架梁部分屈服,然后是剪力墻底部塑性鉸區(qū)的受彎接近屈服,框架柱則沒有出現(xiàn)屈服的情況,體現(xiàn)了框架作為二道防線的框剪結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。綜上所述,結(jié)構(gòu)可以滿足預(yù)定的中震性能目標(biāo)。
6罕遇地震作用下動力彈塑性時程分析
6.1 分析目的
《高規(guī)》第5.1.13條規(guī)定“B級高度的高層建筑、混合結(jié)構(gòu)和復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu),宜采用彈塑性靜力或彈塑性動力分析方法補(bǔ)充計(jì)算”。本工程屬于超過《高規(guī)》3.3.1-2中B級最大適用高度的一般不規(guī)則結(jié)構(gòu),有必要了解結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的性態(tài)。
動力彈塑性時程分析方法可以考慮包括幾何、材料、邊界條件等各種復(fù)雜的非線性因素;還可以反映地面運(yùn)動的方向、特性、持續(xù)時間的影響及地基和結(jié)構(gòu)相互作用以及分塊阻尼等問題。
作為傳統(tǒng)承載力設(shè)計(jì)方法的必要補(bǔ)充,動力彈塑性時程分析方法是一種直接基于結(jié)構(gòu)動力方程的數(shù)值分析方法,是將結(jié)構(gòu)作為彈塑性振動體系直接按照地震波數(shù)據(jù)輸入地面運(yùn)動時的加速度,然后得到結(jié)構(gòu)在地面加速度隨時間變化期間內(nèi)的各個質(zhì)點(diǎn)位移、速度、加速度和構(gòu)件的內(nèi)力,通過給出結(jié)構(gòu)開裂和屈服的順序來發(fā)現(xiàn)應(yīng)力和變形的集中部位,來判別結(jié)構(gòu)的屈服機(jī)制、薄弱環(huán)節(jié)及可能破壞類型,通過設(shè)計(jì)加強(qiáng)措施來保證結(jié)構(gòu)具有較好的承載能力和延性,滿足罕遇地震性能目標(biāo)的抗震設(shè)防要求。
6.2 構(gòu)件性能目標(biāo)
《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ3-2010)新增加了第3.11節(jié)——結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì),將結(jié)構(gòu)的抗震性能分為五個水準(zhǔn),對應(yīng)的構(gòu)件損壞程度則分為“無損壞、輕微損壞、輕度損壞、中度損壞、比較嚴(yán)重?fù)p壞”五個級別。
鋼筋混凝土構(gòu)件除了考察鋼筋塑性應(yīng)變,還要考察混凝土材料的受壓損傷情況,其程度以損傷因子表示。剪力墻構(gòu)件由“多個細(xì)分混凝土殼元+分層分布鋼筋+兩端約束邊緣構(gòu)件桿元”共同構(gòu)成,但對整個剪力墻構(gòu)件而言,如下圖所示,由于墻肢面內(nèi)一般不滿足平截面假定,在邊緣混凝土單元出現(xiàn)受壓損傷后,構(gòu)件承載力不會立即下降,其損壞判斷標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)有所放寬??紤]到剪力墻的初始軸壓比通常為0.5~0.6,當(dāng)50%的橫截面受壓損傷達(dá)到0.5時,構(gòu)件整體抗壓和抗剪承載力剩余約75%,仍可承擔(dān)重力荷載,因此以剪力墻受壓損傷橫截面面積作為其嚴(yán)重?fù)p壞的主要判斷標(biāo)準(zhǔn)。連梁和樓板的損壞程度判別標(biāo)準(zhǔn)與剪力墻類似,樓板以承擔(dān)豎向荷載為主,且具有雙向傳力性質(zhì),小于半跨寬度范圍內(nèi)的樓板受壓損傷達(dá)到0.5時,尚不至于出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p壞而導(dǎo)致垮塌[4]。
6.3 罕遇地震作用下分析結(jié)論
為了更好地了解本項(xiàng)目在大震(50年超越概率為2%,2500年回歸期)作用下的結(jié)構(gòu)性能,根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010)和《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3-2010)的要求,使用SAUSAGE軟件建立了非線性模型對結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性時程分析。模型包括了所有的主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件,包括剪力墻、連梁、框架柱和框架梁。模型考慮了幾乎所有主要構(gòu)件的非線性。
盡管非線性時程分析耗時很長,而且還存在一些不足之處,但總體上來說,分析結(jié)果對于評價(jià)結(jié)構(gòu)在大震作用下的受力和變形是有指導(dǎo)意義的。分析的主要結(jié)果如下:
(1)結(jié)構(gòu)層間彈塑性層間位移角均小于規(guī)范限值要求(1/100),結(jié)構(gòu)主要抗側(cè)力構(gòu)件沒有發(fā)生嚴(yán)重破壞,局部構(gòu)件屈服但不會引起局部倒塌或危及結(jié)構(gòu)的整體安全,結(jié)構(gòu)具有良好的整體性,可滿足“大震不倒”的抗震性能目標(biāo)要求。
(2)部分剪力墻發(fā)生抗彎曲屈服,部分墻肢受剪屈服,但比例較小,不會出現(xiàn)整片墻肢的剪切屈服和破壞。
(3)框架柱未屈服。結(jié)構(gòu)具有較好的“強(qiáng)柱弱梁”體系。
(4)作為主要耗能構(gòu)件的連梁、框架梁,大部分樓層連梁及框架梁梁端進(jìn)入彎曲屈服狀態(tài),但均未發(fā)生剪切屈服,頂部一些樓層連梁、框架梁端率先彎曲屈服,再向底部、中間樓層發(fā)展;連梁普遍先于框架梁進(jìn)入屈服狀態(tài),且完成屈服時間也短于框架梁,結(jié)構(gòu)具有良好的多道防線和耗能體系。施工圖設(shè)計(jì)時將對核心筒連梁采取增加交叉斜筋、適當(dāng)提高連梁的配箍率及腰筋的抗震構(gòu)造措施改善抗剪延性。
結(jié)論:罕遇地震作用下各項(xiàng)設(shè)計(jì)控制指標(biāo)均滿足性能水準(zhǔn)5的抗震性能目標(biāo)[5]。
7抗震加強(qiáng)措施
(1)提高底部加強(qiáng)部位受彎和受剪承載力;在剪力墻底部加強(qiáng)部位及其上一層,設(shè)置約束邊緣構(gòu)件,加大該部位的配箍率。底部加強(qiáng)部位之上設(shè)置兩層過渡層,其配筋較非加強(qiáng)區(qū)適當(dāng)提高。
(2)底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻分布筋配筋率按不小于0.5%控制,且同時滿足中震不屈服的抗剪承載力要求。
(3)對少量剪力過大的連梁,適當(dāng)提高連梁的配箍率及腰筋,以滿足強(qiáng)剪弱彎的抗震概念設(shè)計(jì)要求。施工圖設(shè)計(jì)時將對核心筒連梁采取增加交叉斜筋、適當(dāng)提高連梁的配箍率及腰筋的抗震構(gòu)造措施改善抗剪延性。
(4)在底部加強(qiáng)區(qū)(1~3層)混凝土主要受拉墻肢中按計(jì)算設(shè)置型鋼,以滿足墻肢抗拉、抗剪截面的要求,并進(jìn)一步提高墻肢延性級抗震性能。
(5)設(shè)計(jì)時對豎向構(gòu)件按小震彈性和中震不屈服分析結(jié)果包絡(luò)設(shè)計(jì)。
(6)對躍層柱采用設(shè)置芯柱及提高抗震等級(特一級)的構(gòu)造方式提高其承載力和延性,對中庭樓板開洞處,采用加大板厚(150mm)并雙層雙向配筋,控制最小配筋率不小于0.3%。
(7)結(jié)論:通過以上計(jì)算分析和結(jié)構(gòu)措施,本項(xiàng)目可以滿足建筑功能和使用要求,抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)合理,滿足高規(guī)性能目標(biāo)的要求,具有良好的抗震性能。
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