林挺寧

(廈門紫光科技園發(fā)展有限公司 福建廈門 361000)

東?；鹁婵萍紙@6#樓超限結(jié)構(gòu)設(shè)計

林挺寧

(廈門紫光科技園發(fā)展有限公司 福建廈門 361000)

東?；鹁婵萍紙@6#樓位于廈門市，為超B級高度超限高層辦公樓，主樓結(jié)構(gòu)采用鋼管混凝土柱、鋼筋混凝土框架梁-鋼筋混凝土核心筒。結(jié)構(gòu)存在超高、扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、豎向不規(guī)則、穿層柱、斜柱等問題。工程超限結(jié)構(gòu)設(shè)計主要通過小震彈性計算分析，中震抗剪彈性抗彎不屈服、大震彈塑性分析進行結(jié)構(gòu)計算，對工程超限情況采取針對性措施，使結(jié)構(gòu)達到安全可靠。

超限高層；抗震設(shè)計；結(jié)構(gòu)設(shè)計

1 工程簡介

東海火炬科技園6號樓位于廈門市集美區(qū)和同安區(qū)交界處，天馬山東側(cè)、鄰近同集路，緊鄰正在建設(shè)的濱海大道。地上43層，地下3層，建筑總高度184.6m。地上單體建筑面積約10萬m2。主樓結(jié)構(gòu)采用鋼管混凝土柱、鋼筋混凝土框架梁-鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)。嵌固端設(shè)在地下一層底板。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)

2.1 風(fēng)荷載

參照國家規(guī)范[1-2]該工程結(jié)構(gòu)設(shè)計風(fēng)載取值如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載取值

2.2 地震作用參數(shù)

參照國家規(guī)范[1,3]，該工程抗震參數(shù)如表2所示。

表2 結(jié)構(gòu)抗震參數(shù)表

注：穿層柱、斜柱、體型收進位置及核心筒內(nèi)收位置上下各2層范圍內(nèi)的框架柱為特一級。

3 結(jié)構(gòu)布置及剖面

該工程平面標(biāo)準層較多，僅截取部分標(biāo)準層的結(jié)構(gòu)布置如圖1所示，為19層～28層的標(biāo)準層。

該工程核心筒主要剪力墻厚度為700mm～1000mm；鋼管柱截面尺寸D=1400×30～1000×20(穿層柱為1500×30，單位mm)；墻砼強度等級C60～C45。梁板砼等級均采用C30。結(jié)構(gòu)剖面示意圖及主要結(jié)構(gòu)不規(guī)則如圖2所示。

圖1 6號樓19-28層結(jié)構(gòu)平面圖

圖2 6號樓剖面示意圖

4 結(jié)構(gòu)超限分析

4.1 高度超限

該工程為鋼管砼柱、鋼筋砼梁框架-鋼筋砼核心筒結(jié)構(gòu)體系，屬于框架-核心筒結(jié)構(gòu)，6號樓結(jié)構(gòu)總高度184.60m，超過高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[1]B級高度限值180m，故為超B級高度的鋼筋混凝土高層建筑。

4.2 結(jié)構(gòu)平面及豎向不規(guī)則性

參照《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[3]和建質(zhì)[2010]109號《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點》[4],該工程的結(jié)構(gòu)平面及豎向不規(guī)則性如表3所示。

表3 結(jié)構(gòu)平面及豎向不規(guī)則性情況

4.3 其他超規(guī)范內(nèi)容

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[1]第9.2.1條,框架核心筒結(jié)構(gòu)中的核心筒寬度不宜小于筒體總高的1/12，而該工程核心筒寬度為房屋總高的1/14.58，不滿足規(guī)范要求。

5 超限結(jié)構(gòu)設(shè)計

為滿足抗震設(shè)防的三水準目標(biāo)，即“小震不壞、中震可修、大震不倒”[3],該工程超限結(jié)構(gòu)設(shè)計主要通過小震計算分析，中震抗剪彈性抗彎不屈服、大震彈塑性分析進行結(jié)構(gòu)計算補充驗算。

5.1 小震結(jié)構(gòu)計算分析

5.1.1 多程序計算對比分析

采用兩種符合實際情況的空間分析程序(PKPM系列軟件SATWE和Midas-Building)進行比較分析，分別采用考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)的振型分解反應(yīng)譜法計算地震作用，并選用較多振型以充分考慮高階振型的影響，各振型貢獻按CQC組合。具體結(jié)果如表4所示，同時對計算結(jié)果分析了結(jié)構(gòu)墻柱最大軸壓比、框架中地震剪力百分比、結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性驗算、舒適度，均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

5.1.2 小震彈性時程分析

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[3],該工程采用采用PKPM系列軟件進行彈性時程分析法進行補充計算,結(jié)果如表5所示。

由表5可得，7條地震波計算所得的底部剪力均不小于CQC求得的底部剪力的65%,且多條曲線計算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力平均值大于CQC法計算結(jié)果的80%，符合建筑抗震設(shè)計規(guī)范[3]的要求。且規(guī)范譜與地震波譜在統(tǒng)計意義上二者相符。

表4 多程序計算對比分析

注：根據(jù)高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[1],該工程房屋高度為184.60m，根據(jù)插入法計算規(guī)范允許最大層間位移角為[1/678]。

表5 彈性時程分析七條波計算結(jié)果

5.2 結(jié)構(gòu)的中震計算

基于抗震設(shè)防的性能目標(biāo)設(shè)計，為保證結(jié)構(gòu)重要構(gòu)件及關(guān)鍵部位受力安全可靠，對該工程補充進行了中震抗彎不屈服和中震抗剪彈性計算分析。

5.2.1 中震抗彎不屈服驗算

通過PKPM系列軟件進行中震不屈服計算分析，結(jié)論如下：

(1)底部加強區(qū)墻身配筋率提高至0.8%，底部加強區(qū)的剪力墻抗彎強度能滿足中震不屈服驗算。中震驗算時，局部的剪力墻存在受拉，局部拉應(yīng)力大于墻砼的抗拉強度標(biāo)準值。

(2)針對小偏心受拉且拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強度標(biāo)準值的墻肢，采取砼墻內(nèi)增設(shè)型鋼,設(shè)計考慮拉應(yīng)力均由型鋼承擔(dān)，型鋼向上延伸至不需要該型鋼的樓層。

小偏心受拉的混凝土墻肢，如圖3所示(核心筒另一半剪力墻計算結(jié)果基本對稱于左半部墻肢，故未示意)。

圖3 中震不屈服時墻體受拉示意圖

(3)核心筒剪力墻在地下室負一層～三層范圍內(nèi)所需配筋增加較多，墻厚如圖3所示，配筋詳見5.2.1中(1)條所示。經(jīng)分析，主要原因是基于核心筒剪力墻受拉引起暗柱配筋加大。對此，通過采取砼墻內(nèi)增設(shè)型鋼,設(shè)計考慮拉應(yīng)力均由型鋼承擔(dān)，型鋼向上延伸至不需要該型鋼的樓層。

(4)鋼管砼柱和砼框架柱均為構(gòu)造配筋，處于彈性狀態(tài)中。

5.2.2 中震抗剪彈性驗算

通過PKPM系列軟件進行中震彈性計算分析，結(jié)果如下：

(1)框架柱抗剪彈性分析

①在中震彈性分析中，各層柱抗剪均未超越截面抗剪承載力。砼柱的最大軸壓比為0.90。鋼管柱的最大軸壓比為0.88。

②躍層柱、穿層柱在中震彈性分析中，截面抗剪滿足規(guī)范要求，均為構(gòu)造配筋，在施工圖中對此類構(gòu)件做適當(dāng)加強。

(2)墻體抗剪彈性分析

在中震情況下，有墻肢出現(xiàn)計算配筋，通過配置滿足計算結(jié)果要求的水平鋼筋，確保墻肢中震抗剪彈性，并加配一定數(shù)量型鋼提高抗剪承載能力。

5.3 大震分析1——PushOver靜力彈塑性分析

采用PKPM中三維結(jié)構(gòu)靜力彈塑性PUSHOVER分析程序?qū)υ摴こ淘诖笳鹱饔孟碌淖畲髮娱g位移，結(jié)構(gòu)能力曲線、需求曲線和抗倒塌進行驗算，X向、Y向的計算結(jié)果分別如圖4、圖5所示。

5.3.1X向計算結(jié)果

性能點最大層間位移角:1/133；性能點基底剪力(kN):174 967.4；性能點頂點位移(mm):1054.3；性能點附加阻尼比:0.223×0.70=0.156。

圖4 等效單自由度體系周期T(s)——X向(0度)

5.3.2Y向計算結(jié)果

性能點最大層間位移角:1/133；性能點基底剪力(kN):168 227.4；性能點頂點位移(mm):1260.8；性能點附加阻尼比:0.134×0.70=0.094。

圖5 等效單自由度體系周期 T(s)——Y向(90度)

5.3.3 PushOver靜力彈塑性分析結(jié)論

通過PushOver靜力彈塑性分析可得如下結(jié)論：

(1)在X向、Y向相應(yīng)位移下，結(jié)構(gòu)在X向和Y向荷載作用下均未發(fā)生整體垮塌，抗震性能較好。

(2)結(jié)構(gòu)的能力曲線在X向和Y向均能順利穿越需求曲線，滿足規(guī)范[1，3]要求。

(3)X向和Y向性能點最大層間位移角小于[1/100]均滿足規(guī)范[1]要求，滿足“大震不倒”的基本要求。

(4)穿層柱、斜柱在三維結(jié)構(gòu)靜力彈塑性 PUSHOVER計算下未出現(xiàn)塑性鉸，未發(fā)生剪切屈服，未形成樓層破壞機制。

(5)各層框架柱(鋼管柱和砼柱)均未出現(xiàn)塑性鉸，未發(fā)生剪切屈服，未形成樓層破壞機制。

(6)在性能點處，罕遇地震作用下，整個結(jié)構(gòu)塑性鉸的出現(xiàn)首先是梁端，且進入塑性階段的時間也比較早，分布較廣泛。底部加強區(qū)范圍內(nèi)，核心筒出現(xiàn)一定程度的塑性鉸并形成斜向裂縫(首、二層核心筒較多處)，在設(shè)計中予以加強(考慮適當(dāng)提高墻段邊緣構(gòu)件的配筋率和豎向分布筋的配筋率，并配置型鋼提高核心筒的承載力)。

5.4 大震分析2——EPDA彈塑性動力時程分析

該工程采用PKPM系列軟件的EPDA進行彈塑性動力時程分析，在彈塑性動力時程計算分析中得到最大層間位移角曲線、最大樓層剪力曲線、樓層有害位移曲線如圖6～圖8所示。

由動力彈塑性時程分析結(jié)論如下：

(1)在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)未發(fā)生倒塌，結(jié)構(gòu)層間彈塑性位移角(X向：1/188，Y向：1/129)小于《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[1]的限值[1/100]。滿足“大震不倒”的基本要求。

(2)大部分連梁進入塑性耗能，結(jié)構(gòu)滿足“強墻肢弱連梁”的抗震設(shè)計目標(biāo)。

X向 主方向最大層間位移角曲線 Y向 主方向最大層間位移角曲線圖6 EPDA圖形結(jié)果1——最大層間位移角曲線

X向 主方向最大樓層剪曲線 Y向 主方向最大樓層剪曲線圖7 EPDA圖形結(jié)果2——最大樓層剪力曲線

X向 主方向最大層間有害位移角曲線 Y向 主方向最大層間有害位移角曲線圖8 EPDA圖形結(jié)果3——樓層有害位移曲線

(3)結(jié)構(gòu)的薄弱層以結(jié)構(gòu)最大有害層間位移角出現(xiàn)的層數(shù)和墻體裂縫的分布來判別。通過樓層有害位移曲線，可得最大有害層間位移角出現(xiàn)多在二層、五層。有害位移曲線在二層、五層(裙房屋面層)、十七層上下一層(豎向構(gòu)件收縮層)、三十層(X向核心筒收縮層)處存在突變現(xiàn)象。

(4)通過對核心筒各個墻肢剖面塑性鉸結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)：墻體在底部九層范圍以及三十層處均存在一定程度的塑性開裂情況，需進行加強(底部加強區(qū)墻身配筋率提高至0.8%)。

(5)各層柱均未出現(xiàn)塑性鉸。特別是穿層柱和斜柱均未出現(xiàn)。未發(fā)生剪切屈服，未形成樓層破壞機制。塑性鉸多發(fā)生在梁端，耗能。滿足“強柱弱梁”的抗震設(shè)計目標(biāo)。

(6)由以上分析判定，結(jié)構(gòu)薄弱層的位置主要集中在二層、五層(裙房屋面層)、十七層上下一層(豎向構(gòu)件收縮層)、三十層(X向核心筒收縮層)。計算結(jié)果與實際基本一致。

6 超限結(jié)構(gòu)針對性措施

通過以上小震、中震、大震分析，對結(jié)構(gòu)的超限項以及關(guān)鍵部位、薄弱部位采取的針對性加強措施如表6所示。

表6 針結(jié)構(gòu)超限采取的針對性措施

7 結(jié)語

該工程屬于超B級高度的平面不規(guī)則高層建筑，由于在結(jié)構(gòu)設(shè)計中采取了較為合理的結(jié)構(gòu)布置，提高了結(jié)構(gòu)抗側(cè)、抗扭剛度，同時通過多模型、多工況、多程序分析，對結(jié)構(gòu)進行彈性、彈塑性分析，并結(jié)合超限審查專家意見，對結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵、薄弱部位采用性能化設(shè)計，并對結(jié)構(gòu)采取了相應(yīng)的抗震措施，使得結(jié)構(gòu)仍具有良好的抗震性能,計算結(jié)果滿足現(xiàn)行規(guī)范和規(guī)程的要求。

[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，2010.

[2] GB 50009-2012 建筑結(jié)構(gòu)荷載設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[3] GB 50011-2010 建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[4] 建質(zhì)[2015]67號.超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點[S].2015.

Structural Design for Super High-Rise 6# Building in DongHai Science Park

LINTingning

(Xiamen Tsinghua science park development co.,Ltd, Xiamen 361000)

DongHai Science Park 6# Building located at XiaMen, it is a super class B highly overrun high-rise office building. The building structural form is concrete-filled steel tube frame column - R.C frame beam and shear wall core tube Structural system. The building have several features, such as super-high,tensional irregularity,vertical size irregularity,cross-floor column and inclined column. Through elastic design under frequent earthquake,elastic design and un-yield design under intermediate earthquake,elastic-plastic analysis in rare earthquake, targeted measures were taken to ensure the safety and reliability of the structure.

Super high-rise building；Seismic design；Structure design

林挺寧(1985.5- )，男，工程師。

E-mail:youxiangltn@qq.com

2017-05-26

TU973+.3

A

1004-6135(2017)09-0044-05