蔣 媛 劉開強

成都某超高層辦公樓結(jié)構(gòu)設(shè)計可行性分析

蔣 媛1劉開強2

(1.中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司 四川成都 610072;2.漢嘉設(shè)計集團股份有限公司 四川成都 610041)

成都某超高層辦公樓主體結(jié)構(gòu)高度為154.900 m，采用框架－核心筒結(jié)構(gòu)體系。介紹了工程的結(jié)構(gòu)體系及布置、抗震設(shè)防性能目標(biāo)。通過不同程序進(jìn)行計算，對結(jié)構(gòu)整體計算結(jié)果、罕遇地震作用下的動力彈塑性分析結(jié)果進(jìn)行分析。結(jié)果表明，工程各項計算指標(biāo)比較理想，均滿足規(guī)范要求。針對結(jié)構(gòu)的超限情況提出了相應(yīng)的超限對策及加強措施。

超高層結(jié)構(gòu) 框架－核心筒結(jié)構(gòu) 抗震性能設(shè)計 動力彈塑性分析

1 工程概況

本工程為成都地區(qū)某辦公樓，主樓為框架－核心筒結(jié)構(gòu)，地上39層，1層層高5.90 m，標(biāo)準(zhǔn)層層高3.70 m;地下室4層，地下1層、2層、3層、4層層高分別為4.55 m，3.90 m，3.90 m，6.00 m;結(jié)構(gòu)層面總高度為 154.900 m，屋頂造型幕墻頂高度為173.90 m。主樓按嵌固在地下室頂板上設(shè)計，頂板厚度180 mm，地下室埋深為19.00 m。結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級。抗震結(jié)構(gòu)安全等級為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類，抗震設(shè)防烈度為7度0.10g，場地類別為II類，設(shè)計地震分組為第三組，多遇地震下水平地震影響系數(shù)最大值為0.08;基本風(fēng)壓取50年重現(xiàn)期的風(fēng)壓0.30 kN/m2，承載力設(shè)計時為基本風(fēng)壓的1.1倍，地面粗糙度類別為C類，風(fēng)荷載體型系數(shù)取1.4。

2 結(jié)構(gòu)布置

主樓標(biāo)準(zhǔn)層平面為不規(guī)則橢圓，標(biāo)準(zhǔn)層平面布置見圖1。核心筒剪力墻厚度沿高度由600 mm漸變?yōu)?00 mm，混凝土強度由C60漸變?yōu)镃30;框架柱沿高度由1 300 mm×1 500 mm漸變?yōu)?00 mm× 800 mm，混凝土強度由C70漸變?yōu)镃40;各樓面梁、板的混凝土強度等級均為C30。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)布置示意圖Fig.1 The layout diagram of typical floor

3 結(jié)構(gòu)超限情況及抗震性能目標(biāo)

主樓結(jié)構(gòu)高度為154.900 m，超過《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3－2010)［1］(簡稱高規(guī))中7度設(shè)防時A級高度框架－核心筒結(jié)構(gòu)高度限值130 m，故本工程為B級高度超限高層。同時根據(jù)《高規(guī)》和《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 5011－2010)［2］(簡稱抗規(guī))，本工程還存在考慮偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比為1.3，大于1.2，小于1.4，屬于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點》［3］和《四川省抗震設(shè)防超限高層建筑工程界定標(biāo)準(zhǔn)》［4］，本工程為具有一項不規(guī)則的B級高度高層建筑結(jié)構(gòu)。

根據(jù)上述超限情況及《全國民用建筑工程設(shè)計技術(shù)措施》(混凝土結(jié)構(gòu))［5］附錄D中D.0.1－D.0.6條，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、建造費用、震后損失和修復(fù)難易程度等各項因素，本工程結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)定位為D等級，結(jié)構(gòu)或構(gòu)件抗震性能目標(biāo)見表1。

表1 結(jié)構(gòu)或構(gòu)件抗震性能目標(biāo)Table 1 The performance－based seismic objectives of structure and structural member

4 結(jié)構(gòu)分析及計算結(jié)果

4.1 風(fēng)荷載和多遇地震作用下的彈性分析及結(jié)構(gòu)抗震性能評價

根據(jù)《高規(guī)》和《抗規(guī)》要求，本項目采用兩個不同力學(xué)模型結(jié)構(gòu)分析軟件(YJK－A，MIDAS)進(jìn)行多遇地震作用下的結(jié)構(gòu)整體計算。結(jié)構(gòu)嵌固部位設(shè)在地下室頂板，整體計算時輸入地下室以考慮其對上部塔樓的影響。風(fēng)荷載和多遇地震作用下的結(jié)構(gòu)計算結(jié)果見表2。

表2 多遇地震作用下的結(jié)構(gòu)計算結(jié)果Table 2 The calculation results of the structure under frequent earthquake

結(jié)果表明，工程各項整體指標(biāo)均能滿足《高規(guī)》和《抗規(guī)》的要求。柱的軸壓比和各構(gòu)件的強度及變形也均能滿足要求，完全能達(dá)到多遇地震作用下“完好，變形遠(yuǎn)小于彈性位移限值”的第一階段的抗震性能目標(biāo)。

根據(jù)《高規(guī)》相關(guān)規(guī)定，本工程為復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)，需進(jìn)行多遇地震作用下的彈性時程分析。通過YJK－A軟件，選取5條實際地震波(User1，User2，User3，TH1TG045，TH4TG045)和 2條人工波(RH3TG045，RH4TG045)共7條加速度時程曲線進(jìn)行計算，輸入地震波最大加速度值X向和Y向分別為:35 cm/s2和29.7535 cm/s2。7條波的平均譜與《抗規(guī)》規(guī)范譜的對比詳見圖2，在主要周期振型點上，平均譜與規(guī)范譜相差不大于20%，滿足《高規(guī)》在統(tǒng)計意義上相符的規(guī)定。

通過 YJK－A軟件，采用振型分解反應(yīng)譜(CQC)法和時程分析法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行小震作用下的彈性時程分析，計算結(jié)果見表3。

結(jié)果表明，在多遇地震作用下，CQC法的計算結(jié)果大于7條波時程分析結(jié)果的平均值。在進(jìn)行施工圖設(shè)計時，按CQC法的計算結(jié)果進(jìn)行配筋設(shè)計。

圖2 規(guī)范譜與地震波譜對比圖Fig.2 Contrast figure of CODE SPECTRUM and seismic wave spectrum

表3 多遇地震作用下彈性時程計算結(jié)果Table 3 The calculation results of the Elastic time history analysis under frequent earthquake

4.2 設(shè)防烈度地震作用分析及結(jié)構(gòu)抗震性能評價

根據(jù)《高規(guī)》，綜合考慮抗震設(shè)防烈度、結(jié)構(gòu)體型規(guī)則性、超限程度等因素，本工程采用相對簡化的等效彈性方法進(jìn)行設(shè)防烈度地震作用下的性能分析。分析采用的分析軟件為YJK－A，地震影響系數(shù)取0.23，內(nèi)力調(diào)整系數(shù)取為1(即強柱弱梁、強剪弱彎等均不調(diào)整)，不計算風(fēng)荷載，連梁剛度折減系數(shù)0.4，阻尼比0.06，周期折減系數(shù)1.0，中梁剛度系數(shù)不放大。設(shè)防烈度地震作用下的最大層間位移角計算結(jié)果見表4［3］。

表4 設(shè)防烈度地震作用下的最大層間位移角Table 4 The maximal inter－story displacement angle by intermediate earthquake

設(shè)防烈度地震驗算結(jié)果表明其最大層間位移角滿足所設(shè)定的性能目標(biāo)要求。通過對塔樓在設(shè)防烈度地震作用下不屈計算結(jié)果進(jìn)行分析，底部加強區(qū)部位的剪力墻和塔樓框架柱縱向鋼筋和箍筋均未出現(xiàn)超筋現(xiàn)象。部分框架梁和連梁縱向鋼筋或箍筋出現(xiàn)超筋情況，但滿足截面抗剪要求。因此，底部加強區(qū)部位的剪力墻和塔樓框架柱抗彎、抗剪均不屈，部分框架梁和連梁屈服，但滿足截面抗剪要求?？拐饦?gòu)件滿足表1中所設(shè)定的性能目標(biāo)要求。

4.3 預(yù)估的罕遇地震動力彈塑性分析及結(jié)構(gòu)抗震性能評價

本工程采用PUSH＆EPDA軟件進(jìn)行彈塑性時程分析。主要計算參數(shù):地震影響系數(shù)取0.50，內(nèi)力調(diào)整系數(shù)取為1(即強柱弱梁、強剪弱彎等均不調(diào)整)，不計算風(fēng)荷載，連梁剛度折減系數(shù)0.3，阻尼比0.07，周期折減系數(shù)1.0，中梁剛度系數(shù)不放大，特征周期0.50，其余分項系數(shù)均保留。在罕遇地震作用下，沿X，Y及斜交抗側(cè)力構(gòu)件方向采用與多遇地震時程分析相同的7條地震波進(jìn)行抗倒塌驗算。

圖3 0°方向最大層間位移角(單位:rad)Fig.3 The maximum inter story dis－placement angle of 0 DEG

圖4 90°方向最大層間位移角(單位:rad)Fig.4 The maximum inter story displacement angle of 90 DEG

通過對塔樓在罕遇地震作用下不屈計算結(jié)果進(jìn)行分析，底部加強區(qū)部位的剪力墻和塔樓框架柱縱向鋼筋和箍筋均未出現(xiàn)超筋現(xiàn)象。部分框架梁和連梁縱向鋼筋或箍筋出現(xiàn)超筋情況，且出現(xiàn)比較嚴(yán)重破壞。罕遇地震作用下，底部加強區(qū)部位的剪力墻和框架柱抗彎、抗剪均不屈。部分框架梁和連梁較嚴(yán)重破壞。從圖3－圖5可以看出，在罕遇地震作用下的最大彈塑性層間位移角均小于1/115的規(guī)范規(guī)定限值，層間位移角無較大的突變，結(jié)構(gòu)抗側(cè)力剛度比較均勻，無明顯薄弱層。結(jié)構(gòu)整體及各構(gòu)件的抗震性能滿足性能目標(biāo)D的要求，結(jié)構(gòu)能夠滿足“罕遇地震作用下不倒”的要求。

5 抗震加強措施

抗震的主要加強措施有:(1)嚴(yán)格控制核心筒剪力墻和塔樓框架柱的軸壓比、剪壓比，提高豎向構(gòu)件的承載力和延性。(2)核心筒內(nèi)部板加厚(150 mm)，配筋率不小于0.25%，增強結(jié)構(gòu)的整體性。(3)塔樓框架柱箍筋直徑不小于12，間距不大于100 mm;底部加強部位的框架柱設(shè)置芯柱，提高框架柱的承載力和延性。(4)按設(shè)防烈度地震、預(yù)估的罕遇地震作用下底部加強區(qū)部分的剪力墻和塔樓框架柱抗彎、抗剪均不屈進(jìn)行設(shè)計。

圖5 34°方向最大層間位移角(單位:rad)Fig.5 The maximum inter story dis－placement angle of 34 DEG

6 結(jié)論

(1)本工程為具有扭轉(zhuǎn)不規(guī)則一項的B級高度(房屋高度為154.900 m)超限高層建筑，通過對底部加強部位剪力墻、框架柱等關(guān)鍵構(gòu)件及連接薄弱部位采取相應(yīng)、有效的加強措施后，結(jié)構(gòu)計算結(jié)果滿足規(guī)范要求。

(2)在多遇地震作用下，YJK－A和MIDAS模型計算結(jié)果在數(shù)值上雖存在一定的差異，但基本規(guī)律一致。

(3)設(shè)防烈度地震作用下，結(jié)構(gòu)薄弱層的彈塑性位移角為1/449，滿足設(shè)定的性能目標(biāo)要求。

(4)在預(yù)估的罕遇地震作用下，彈塑性動力時程分析結(jié)果顯示結(jié)構(gòu)薄弱層的彈塑性位移角小于規(guī)范允許的限值，滿足大震不倒的要求。

本工程通過對多遇地震、設(shè)防烈度地震和預(yù)估的罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的性能分析，計算結(jié)果中的各項指標(biāo)均滿足現(xiàn)行規(guī)范和規(guī)程的要求，并在合理范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)方案可行。

［1］ JGJ 3－2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2011.

［2］ GB50011－2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010.

［3］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點［S］.2010.

［4］ DB 51/T 5058－2008，四川省抗震設(shè)防超限高層建筑工程界定標(biāo)準(zhǔn)［S］.成都:四川省建設(shè)廳，2008.

［5］ 住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部工程質(zhì)量安全監(jiān)管司，中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計研究院.全國民用建筑工程設(shè)計技術(shù)措施:結(jié)構(gòu)(混凝土結(jié)構(gòu))，2009版［M］.北京:中國計劃出版社，2012.

［6］ 董志峰，柳超，陳勇，等.沈陽樂天世界超高層住宅樓抗震設(shè)計［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2014，44(19): 57－60.

Structure Design and Analysis of Feasibility for a Super High－rise Office in Chengdu

JIANG Yuan1，LIU Kai－qiang2

(1.Chengdu Hydroelectric Investigation＆Design Institute，Power Construction Corporation of China，Chengdu 610072，Sichuan，China;2.Hanjia Design Group Co.，Ltd.，Chengdu 610041，Sichuan，China)

Frame－core wall structure system was adopted in a super high－rise office in Chengdu，the height of which is 154.900 m.The structural system，structural arrangement，the seismic fortification and performance objectives of the super high－rise building were presented.The overall calculation results and Dynamic elastics－plastic analysis results under rare earthquake were analyzed through different programs.Results indicate that the technical parameters of the building all well satisfy the requirements of the specifications.In addition，the counter plans and strengthening measures were put for out－of－code situations.The overall structure can meet the requirements of the specifications on performance－based design.

Super high－rise structure;Frame－core wall structure;Performance－based seismic;Dynamic elastics－plastic analysis

TU318+.1

A

1671－8755(2015)03－0052－05

2015－03－24

蔣媛(1986—)，女，工學(xué)碩士，工程師，一級注冊結(jié)構(gòu)工程師，注冊土木工程師(巖土)，主要從事建筑結(jié)構(gòu)、巖土工程設(shè)計。E－mail:358524391@qq.com