劉 慶 偉

(上海智英化工技術(shù)有限公司，上海 200333)

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強(qiáng)框架弱核心筒超限高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉 慶 偉

(上海智英化工技術(shù)有限公司，上海 200333)

以某超限高層工程為例，從結(jié)構(gòu)計(jì)算和性能化設(shè)計(jì)等方面，對強(qiáng)框架弱核心筒結(jié)構(gòu)實(shí)例進(jìn)行了分析論證，結(jié)果表明，強(qiáng)框架弱核心筒超限結(jié)構(gòu)能夠滿足規(guī)范規(guī)定的抗震設(shè)防目標(biāo)。

強(qiáng)框架弱核心筒，超限高層，地震，剪力

1 概述

普通框架—核心筒結(jié)構(gòu)，在規(guī)定的水平力作用下結(jié)構(gòu)底層框架部分承擔(dān)的傾覆彎矩比一般為10%～40%。某工程為B級高度超限高層，底層框架承擔(dān)的傾覆彎矩比為48%左右，接近規(guī)范限值50%。對于超限高層從嚴(yán)控制的指導(dǎo)原則，工程被判定為強(qiáng)框架弱核心筒超限高層。根據(jù)超限審查要求，結(jié)構(gòu)做了小震、中震、大震分析和性能化設(shè)計(jì)，最終通過超限審查要求。

2 結(jié)構(gòu)總體分析

2.1 結(jié)構(gòu)體系概述

工程結(jié)構(gòu)高度147.500 m，屬于B類高層。標(biāo)準(zhǔn)層平面長向60.900 m，短向最大26.300 m，高寬比5.61，長寬比為2.32。采用框架—核心筒結(jié)構(gòu)，嵌固端為地下室頂板，框架和筒體抗震等級均為一級。地下室與其他塔樓地下室連成整體，塔樓外區(qū)域地下室結(jié)構(gòu)采用框架結(jié)構(gòu)。地下1層主樓及周圍相關(guān)范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)抗震等級同上部結(jié)構(gòu)，地下2層、3層主樓及周圍相關(guān)范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)抗震等級分別為二級、三級。

主樓樓蓋均采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板體系。核心筒內(nèi)板厚取150 mm，核心筒外板厚以120 mm為主局部150 mm。主要框架梁尺寸為400 mm×650 mm，主要剪力墻厚度由下至上由700 mm逐級遞減至300 mm，主要框架柱尺寸自下至上由1 400 mm×1 400 mm逐級變化至700 mm×700 mm。豎向構(gòu)件混凝土強(qiáng)度等級自下至上由C60逐級變化至C30，主樓梁板混凝土強(qiáng)度等級均采用C30。

2.2 地震動(dòng)參數(shù)

根據(jù)《地震安全性評價(jià)報(bào)告》《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》《巖土工程勘察報(bào)告》及南通地方規(guī)定，地震參數(shù)取值如下：

抗震設(shè)防類別：丙類；

抗震設(shè)防烈度：7度0.10g；

設(shè)計(jì)地震第二組：場地類別Ⅲ類；

場地特征周期:0.60 s(計(jì)算罕遇地震時(shí)，增加0.05 s)。

水平地震影響系數(shù)最大值：小震0.08,大震0.50。

2.3 結(jié)構(gòu)超限分析

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》以及《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》，結(jié)構(gòu)具體超限條款情況為：

1)對于7度設(shè)防地區(qū)，框架—核心筒結(jié)構(gòu)高度超過130 m，屬于B級高度高層建筑，高度超限。

2)經(jīng)計(jì)算分析結(jié)果表明，樓層最大彈性水平位移大于樓層兩端彈性水平位移平均值的1.2倍，小于1.4倍，屬于平面扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。

3)底層框架承擔(dān)的傾覆彎矩比為48%左右，接近規(guī)范限值50%，為強(qiáng)框架弱核心筒結(jié)構(gòu)。

2.4 結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)

按照J(rèn)GJ 3—2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范3.11.1條，該超限高層結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)為C等級，建筑物預(yù)期的抗震性能目標(biāo)具體要求見表1。

表1 建筑物預(yù)期抗震性能目標(biāo)表

2.5 小震作用結(jié)構(gòu)計(jì)算

2.5.1 SATWE與MIDAS主要分析結(jié)果對比

1)結(jié)構(gòu)自振周期見表2。

表2 結(jié)構(gòu)自振周期表

2)水平荷載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)見表3。

從表2，表3結(jié)果可以看出，兩個(gè)程序結(jié)構(gòu)質(zhì)量基本相同，自振周期相差不大，大部分指標(biāo)基本接近，可以互相驗(yàn)證，兩個(gè)程序計(jì)算結(jié)果都能滿足規(guī)范要求。PKPM內(nèi)力計(jì)算結(jié)果略大于MIDAS計(jì)算結(jié)果，用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是偏安全的。

2.5.2 SATWE小震彈性時(shí)程分析

小震彈性時(shí)程分析計(jì)算時(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)地震分組第二組，場地類別Ⅲ類，共選用7組地震加速度時(shí)程曲線。其中5組為實(shí)際強(qiáng)震記錄，2組為人工模擬。所選用的地震加速度時(shí)程曲線均符合該工程場地地震動(dòng)的頻譜特性、有效峰值和持續(xù)時(shí)間等要求。加速度時(shí)程曲線在主方向輸入的峰值為35 cm/s2，在次方向輸入的峰值為29.75 cm/s2。

表3 水平荷載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)表

小震彈性時(shí)程分析計(jì)算結(jié)果表明：7條時(shí)程曲線所計(jì)算的結(jié)構(gòu)底部剪力均分別大于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的65%，7條時(shí)程曲線所得結(jié)構(gòu)底部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%。從最大樓層剪力曲線圖來看，時(shí)程分析平均值較反應(yīng)譜法小。反應(yīng)譜法計(jì)算的結(jié)構(gòu)響應(yīng)(層間位移角)結(jié)果大于時(shí)程分析的平均值?？梢姴捎梅磻?yīng)譜法來進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)是偏安全的。

2.6 中震作用結(jié)構(gòu)計(jì)算

2.6.1 中震彈性計(jì)算

中震彈性驗(yàn)算在SATWE中的實(shí)現(xiàn)：按中震輸入αmax(0.23)，構(gòu)件抗震等級指定為4級(不考慮地震組合內(nèi)力調(diào)整)。

計(jì)算結(jié)果表明，框架柱、底部加強(qiáng)區(qū)墻體剪壓比滿足規(guī)范要求，柱箍筋、墻水平筋較小震結(jié)果大。施工圖設(shè)計(jì)中應(yīng)按中震彈性復(fù)核框架柱、底部加強(qiáng)區(qū)墻體水平配筋。

2.6.2 中震不屈服計(jì)算

中震不屈服驗(yàn)算在SATWE中的實(shí)現(xiàn)：按中震輸入αmax(0.23)，構(gòu)件抗震等級指定為4級(不考慮地震組合內(nèi)力調(diào)整)，并選擇按中震不屈服做結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。中震不屈服設(shè)計(jì)不考慮荷載分項(xiàng)系數(shù)，材料強(qiáng)度采用標(biāo)準(zhǔn)值，地震組合內(nèi)力和抗震調(diào)整系數(shù)均不考慮調(diào)整。

計(jì)算結(jié)果表明，墻、柱縱筋均較小震結(jié)果大。施工圖設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按中震不屈服復(fù)核框架柱、底部加強(qiáng)區(qū)墻體豎向配筋。

底部加強(qiáng)區(qū)墻體約束邊緣構(gòu)件配筋率接近4%，為增強(qiáng)墻體延性，將約束邊緣構(gòu)件部分縱筋按拉力相等的原則替換成型鋼配置在邊緣構(gòu)件內(nèi)。

2.7 大震作用結(jié)構(gòu)計(jì)算

該工程大震彈塑性時(shí)程分析求解器采用ABAQUS/STANDARD和ABAQUS/EXPLICIT，采用基于顯式積分的動(dòng)力彈塑性分析方法。根據(jù)實(shí)際情況，大震彈塑性時(shí)程分析過程分為三個(gè)部分，分別為：施工加載計(jì)算、附加恒載+0.5活加載計(jì)算、地震波時(shí)程計(jì)算。地震波由地震工程研究所根據(jù)結(jié)構(gòu)特征周期及場地地震動(dòng)參數(shù)提供，時(shí)程峰值加速度為220 cm/s2。計(jì)算采用了2組天然波，1組人工波。

在3組地震波作用下，該結(jié)構(gòu)的彈塑性計(jì)算結(jié)果整體如下：

1)整個(gè)時(shí)間歷程的動(dòng)力彈塑性計(jì)算，每組波均能順利完成，且數(shù)值收斂性較好。

2)大震計(jì)算結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)在地震波計(jì)算完成后處于穩(wěn)定狀態(tài)，滿足規(guī)范要求的大震不倒的抗震設(shè)防目標(biāo)。

3)結(jié)構(gòu)在X方向基底剪力最大值為56 481.20 kN，對應(yīng)的剪重比為6.05%；在Y方向基底剪力最大值為69 244.40 kN，對應(yīng)的剪重比為7.42%。

4)結(jié)構(gòu)在X方向的層間位移角最大值為1/138，發(fā)生在第26層；結(jié)構(gòu)在Y方向的層間位移角最大值為1/110，發(fā)生在第42層。均滿足鋼筋混凝土框架—核心筒層間位移角不大于1/100的規(guī)范要求。

5)結(jié)構(gòu)在X,Y2個(gè)主方向柱頂最大位移分別為709 mm，755 mm，分別為結(jié)構(gòu)高度的1/216和1/202。

6)計(jì)算結(jié)果表明大震下本項(xiàng)目整體響應(yīng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

大震地震波作用下結(jié)構(gòu)的基底剪力值見表4。

表4 大震地震波作用下結(jié)構(gòu)的基底剪力值

3 結(jié)語

通過對結(jié)構(gòu)小震反應(yīng)譜分析、小震彈性時(shí)程分析，大震彈塑性性能分析，對核心筒底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻按抗剪中震彈性、抗彎中震不屈服進(jìn)行性能化設(shè)計(jì)，對框架柱全高按抗彎中震不屈服、抗剪中震彈性進(jìn)行性能化設(shè)計(jì)。該強(qiáng)框架弱核心筒結(jié)構(gòu)能夠滿足“小震不壞，中震可修，大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1] JGJ 3—2010,高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[2] GB 50011—2010,建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

Design of super high-rise building structure with strong frame and weak core tube

Liu Qingwei

(ShanghaiZhiyingChemicalTechnologyCo.,Ltd,Shanghai200333,China)

Taking the super high-rise building engineering as an example, starting from aspects of structural computation and performance design, the paper carries out analysis and discussion for the structure with strong frame and weak core tube. Results show that: the super high-rise structure with strong frame and weak core tube can meet seismic preventing demands.

strong frame and weak core tube, super high-rise building, earthquake, shearing force

1009-6825(2017)15-0035-02

2017-03-13

劉慶偉(1976- )，男，工程師，一級注冊結(jié)構(gòu)師

TU318

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