陳 可

(成都惟尚建筑設(shè)計(jì)有限公司，四川成都 610041)

明宇金融廣場超限高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

陳 可

(成都惟尚建筑設(shè)計(jì)有限公司，四川成都 610041)

文章結(jié)合明宇金融廣場工程實(shí)例,對超限高層結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)過程進(jìn)行介紹。通過結(jié)構(gòu)在小震、中震、大震作用下的彈性、彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析，對三水準(zhǔn)地震作用下結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行了分析。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，采取相應(yīng)抗震構(gòu)造措施，使整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)達(dá)到了抗震設(shè)防要求。

超限高層； 豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)； 時(shí)程分析

1 工程概況

本工程建筑結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)。主樓平面呈橄欖形，平面尺寸約80.2 m×34.5 m，主樓高度為199.80 m，地上47層，地下5層； 17層、33層為避難層。在主樓中部利用建筑電梯井道及樓梯間布置剪力墻形成核心筒，在筒體周邊設(shè)置框架柱。結(jié)構(gòu)體系為鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)(部分框架為型鋼混凝土柱)?？拐鹪O(shè)防烈度為7度；抗震設(shè)防類別為丙類；主樓框架抗震等級(jí)為一級(jí)，剪力墻抗震等級(jí)為一級(jí),地下車庫部分框架抗震等級(jí)為三級(jí)。樓板采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu)體系；主樓采用鋼筋混凝土筏板基礎(chǔ)，以中風(fēng)化泥巖為持力層。

2 基于性能的設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)超限情況

2.1 抗震設(shè)計(jì)

抗震設(shè)計(jì)采用基于性能的設(shè)計(jì)方法[1]，其性能水準(zhǔn)為：小震下，結(jié)構(gòu)在地震后完好，無損傷，一般不需要修理即可繼續(xù)使用；中震下，結(jié)構(gòu)在地震后的薄弱部位和重要部位的構(gòu)件輕微損壞，出現(xiàn)輕微裂縫，其他部位有部分選定的具有延性的構(gòu)件發(fā)生中等損壞，出現(xiàn)明顯的裂縫，進(jìn)入屈服階段，需要修理并采取一些安全措施才可以繼續(xù)使用；大震下，結(jié)構(gòu)發(fā)生中等程度的破壞，多數(shù)構(gòu)件輕微損壞，部分構(gòu)件中等損壞，進(jìn)入屈服階段，有明顯的裂縫，經(jīng)過修理和適當(dāng)?shù)募庸毯蟛趴梢岳^續(xù)使用。

2.2 結(jié)構(gòu)超限情況

根據(jù)JGJ 3-2002《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》和建質(zhì)[2006]220號(hào)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》，本工程超限情況如下：

(1)高度超限。本工程房屋的高度為199.90 m，超過JGJ 3-2002《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》B級(jí)高度的抗震設(shè)防烈度7度框架-核心筒結(jié)構(gòu)的最大適用高度180 m。

(2)結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。裙樓部分樓層豎向構(gòu)件的最大水平位移和層間位移大于該樓層平均值的1.2倍，但不大于1.4倍。

2.3 抗震不利情況

本工程結(jié)構(gòu)體系存在的其他抗震不利之處：

(1)整個(gè)結(jié)構(gòu)體型呈橄欖狀，X、Y向剛度差異較大，其中標(biāo)準(zhǔn)層長寬比為X/Y=2.38;筒體長寬比為X/Y=3.38；設(shè)計(jì)時(shí)利用17層避難層作為結(jié)構(gòu)加強(qiáng)層，在Y向設(shè)置V字斜撐，提高Y向的抗側(cè)剛度。

(2)建筑物兩端由于立面造型的要求，在結(jié)構(gòu)兩端設(shè)置弧形剪力墻，豎向不連續(xù)；角部端柱每隔三層與樓層拉結(jié)。

(3)地下室樓板大部分為螺旋式斜坡板，使結(jié)構(gòu)在地下空間樓板不連續(xù)，土側(cè)水平力在結(jié)構(gòu)中傳力不直接，核心筒的兩側(cè)樓板形成錯(cuò)層。

3 結(jié)構(gòu)分析計(jì)算

本工程結(jié)構(gòu)在小震和中震下計(jì)算使用中國建筑科學(xué)研究院PKPMCAD工程部編制的空間有限元分析設(shè)計(jì)軟件SATWE(2006年9月版)和美國CSI公司的建筑結(jié)構(gòu)三維分析與設(shè)計(jì)程序ETABS程序，并以前者為主，后者驗(yàn)證。結(jié)構(gòu)在大震下的彈塑性時(shí)程分析使用中國建筑科學(xué)研究院PKPMCAD工程部編制的EPDA程序計(jì)算，選取一條人工波(安全性評價(jià)提供)和二條天然波(EL Centro；TH2TG040地震波)進(jìn)行彈性和彈塑性時(shí)程分析計(jì)算。

由于EPDA軟件無法考慮樓板應(yīng)力, 對平面內(nèi)局部開設(shè)大洞口，在ETABS程序中用彈性樓板單元模擬實(shí)際情況；偏于安全地計(jì)算罕遇地震作用下的樓板應(yīng)力。在ETABS分析中,考慮恒載+活載+地震作用,得出樓板在彈性小震、中震和大震作用下的應(yīng)力圖, 查出最不利的部位及其應(yīng)力值進(jìn)行分析，得出薄弱處樓板在罕遇地震作用下不屈服的性能指標(biāo)。

3.1 小震計(jì)算結(jié)果(振型分解反應(yīng)普法)

(1)最大層間位移角見表1。

(2) 周期(取前3個(gè)振型)

周期比見表2。

3.2 小震下彈性時(shí)程分析結(jié)果

地震加速度時(shí)程曲線的最大值為35 cm/s2，結(jié)構(gòu)底部剪力見表3，最大樓層剪力曲線見圖1，位移曲線見圖2，最大層間位移角曲線見圖3。

表1 最大層間位移角

表2 周期比

表3 結(jié)構(gòu)底部剪力

圖1 最大樓層剪力曲線

圖2 最大樓層位移曲線

圖3 最大層間位移角曲線

3.3 中震作用下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)

按中震不屈服計(jì)算，地震影響系數(shù)為0.24。

通過Satwe中震不屈服計(jì)算，大部分連梁已經(jīng)超筋，但結(jié)構(gòu)的豎向構(gòu)件均未出現(xiàn)超筋。底部剪力墻和柱的最大層間位移角為1/462，保持了一定的抗側(cè)移剛度。中震下連梁起到了耗能的作用，剪力墻的損傷很少，剪力墻和框架柱均未出現(xiàn)超筋(從計(jì)算結(jié)構(gòu)的超筋信息中可知)，滿足豎向構(gòu)件中震不屈服的要求。

3.4 大震下的彈塑性時(shí)程分析結(jié)果

地震加速度時(shí)程曲線的最大值為220 cm/s2，結(jié)構(gòu)的層間位移角見表4。

表4 結(jié)構(gòu)層間位移角

在罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的層間位移角均小于1/100。由于37層高變小引起剛度突變，有害位移角突然增大，形成新的薄弱部位，但層間位移角仍然不大于1/100。底部樓層層間位移角小于1/300。剪力墻的下部、避難層、頂層出現(xiàn)受拉裂縫，在設(shè)計(jì)時(shí)，將適當(dāng)加強(qiáng)墻體的配筋率，避免在罕遇地震下產(chǎn)生過大的變形，控制層間位移角。有個(gè)別剪力墻底部幾層出現(xiàn)有受壓裂縫，混凝土開始進(jìn)入塑性階段。

3.5 樓板應(yīng)力分析

樓板應(yīng)力見圖4。

通過樓板應(yīng)力結(jié)果分析可知：本結(jié)構(gòu)的樓板在地震作用下，雖然有部分損傷，但范圍很小，而且僅發(fā)生在整體剛度很好的中筒角部。當(dāng)配置一定的鋼筋后，此樓板基本上能達(dá)到處于彈性反應(yīng)狀態(tài)。對地下室坡道板及裙房部分樓板，根據(jù)計(jì)算結(jié)果在設(shè)計(jì)時(shí)加強(qiáng)拉應(yīng)力較大部位的樓板配筋。

從計(jì)算結(jié)果分析可以看出:小震作用下承載力和變形滿足彈性設(shè)計(jì)的要求(部分剪力墻的連梁除外)；在中震下結(jié)構(gòu)底部加強(qiáng)區(qū)的豎向構(gòu)件和薄弱層構(gòu)件滿足不屈服要求；在大震下，結(jié)構(gòu)在底部加強(qiáng)區(qū)的層間位移角控制在1/100以下，底部剪力墻不出現(xiàn)剪切等脆性破壞。本工程結(jié)構(gòu)承載力和層間位移將滿足要求，達(dá)到抗震性能設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4 主要抗震加強(qiáng)措施

為增加結(jié)構(gòu)的剛度和延性，減小柱截面尺寸和改善柱的軸壓比，底部框架柱采用型鋼混凝土柱。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮型鋼混凝土柱與混凝土梁節(jié)點(diǎn)連接構(gòu)造，繪制了詳細(xì)節(jié)點(diǎn)大樣圖，保證實(shí)際施工可操作性。結(jié)構(gòu)計(jì)算中嚴(yán)格控制各項(xiàng)指標(biāo)，滿足規(guī)范要求；控制結(jié)構(gòu)底部外圍柱的軸壓比不大于0.60，剪力墻的軸壓比不大于0.4；采用比一級(jí)抗震等級(jí)更嚴(yán)格的措施，控制在罕遇地震作用下的層間位移角小于1/400；底部加強(qiáng)區(qū)的剪力墻，按中震不屈服下的地震力進(jìn)行反應(yīng)譜分析，核算其相應(yīng)的承載力；在罕遇地震作用下控制結(jié)構(gòu)底部不出現(xiàn)零應(yīng)力和拉應(yīng)力區(qū)。

(a) 負(fù)一層樓板應(yīng)力圖(小震)

(b) 負(fù)一層樓板應(yīng)力圖(中震)

(c) 負(fù)一層樓板應(yīng)力圖(大震)

(d) 一層樓板應(yīng)力圖(小震)

(e) 一層樓板應(yīng)力圖(中震)

(f) 一層樓板應(yīng)力圖(大震)

結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)考慮P-Δ效應(yīng)；按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》7.3.11-3計(jì)算柱的計(jì)算長度；對于加強(qiáng)層相鄰層上、下層的框架柱和核心筒的剪力墻及梁、板做加強(qiáng)處理；柱箍筋全高加密，對部分超筋和剪跨比不大于2的連梁配置交叉暗撐，樓板加厚、雙層雙向配筋配筋率不小于0.30 %。

地下室坡道為螺旋式斜坡板，地下室周邊的土壓力不能通過樓板相互平衡。采用ETABS程序補(bǔ)充計(jì)算，將土壓力作為水平力輸入作用在地下室外墻上，按彈性樓板計(jì)算以考慮樓板剛度對水平力分配的影響；同時(shí)核心筒按照規(guī)范中錯(cuò)層墻的要求加強(qiáng)構(gòu)造。

弧形剪力墻端部設(shè)置 “X”型支撐，這兩榀支撐對結(jié)構(gòu)的抗側(cè)和抗扭剛度均有很大貢獻(xiàn)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算中，在支撐與樓層梁、墻相交處保持樓層梁、墻貫通，將其與梁相連節(jié)點(diǎn)設(shè)為鉸接。使支撐的受力明確，減少樓層梁附加彎距的干擾。計(jì)算表明在地震作用下，支撐有效地分擔(dān)樓層豎向荷載，提高了端部抗側(cè)抗扭剛度。

5 結(jié)束語

超限高層建筑在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取合理的結(jié)構(gòu)布置形式，建立符合結(jié)構(gòu)實(shí)際受力狀態(tài)的力學(xué)模型，進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算，對結(jié)構(gòu)的薄弱處采取必要的和有效的加強(qiáng)措施。對結(jié)構(gòu)整體應(yīng)采取比規(guī)范、規(guī)程的規(guī)定更嚴(yán)、更高的要求, 提高結(jié)構(gòu)的延性，從而減小超限情況帶來的不利影響，使結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果能夠滿足相關(guān)規(guī)范和規(guī)程要求的。

[1] 徐培福. 復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M ]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社, 2005.

[2] 徐培福,戴國瑩. 超限高層建筑結(jié)構(gòu)基于性能抗震設(shè)計(jì)的研究[J]. 土木工程學(xué)報(bào), 2005, 38 (1) .

[3] 馬宏旺,呂西林. 建筑結(jié)構(gòu)基于性能抗震設(shè)計(jì)的幾個(gè)問題[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào), 2002, 30 (12).

[4] JGJ 3-2002 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, 2002.

[5] NEHRP Recommended Provisions For Seismic Regulations ForNew BuildingsAnd Other Structures & Commentary[R]. FEMA368 /FEMA369.

[定稿日期]2017-11-24

陳可(1970～)，女，碩士，高級(jí)工程師，從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

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