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        杭州杭政儲(chǔ)出B塔樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

        2022-06-14 13:20:34詹海雷壽鈞良吳小平張陳勝
        低溫建筑技術(shù) 2022年4期
        關(guān)鍵詞:墻肢塔樓剪力

        詹海雷, 壽鈞良, 吳小平, 張陳勝

        (1.浙江順為工程技術(shù)有限公司,浙江 溫州 325000;2.紹興市軌道交通集團(tuán)有限公司,浙江 紹興 312000;3.浙江省建筑設(shè)計(jì)研究院,杭州 310006)

        0 引言

        地震具有高度不確定性和突發(fā)性,人類依據(jù)現(xiàn)有的知識(shí)和資料還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以進(jìn)行準(zhǔn)確的地震動(dòng)區(qū)劃。眾所周知,抗震概念設(shè)計(jì)是決定結(jié)構(gòu)抗震性能的重要因素,國內(nèi)外歷次大地震震害經(jīng)驗(yàn)表明,結(jié)構(gòu)布置規(guī)則、符合概念設(shè)計(jì)的房屋具有較好的抗震性能。

        但近年來隨著經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的發(fā)展,某些項(xiàng)目為了實(shí)現(xiàn)建筑造型和滿足特殊的建筑功能需求,在結(jié)構(gòu)體型、高度、不規(guī)則程度等方面突破了現(xiàn)行規(guī)范限值,從而出現(xiàn)越來越多的復(fù)雜超限高層建筑。此類建筑在強(qiáng)烈地震作用下易形成薄弱部位、出現(xiàn)變形集中而可能遭受較嚴(yán)重的破壞。

        文獻(xiàn)[1]以杭州余政儲(chǔ)出5號(hào)樓為例,該樓高度為162.2m,超A級(jí)最大適用高度8.13%,采用框架-核心筒結(jié)構(gòu),作者利用多軟件對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析,根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果對(duì)剪力墻、連梁及樓板進(jìn)行加強(qiáng),以滿足抗震性能化設(shè)計(jì)要求。

        文獻(xiàn)[2]中介紹了浙江新世界財(cái)富中心,該建筑北塔樓高度為246m,超B級(jí)最大適用高度17.14%,采用框架-核心筒結(jié)構(gòu),下部樓層采用型鋼混凝土柱,并沿建筑豎向設(shè)置了三道環(huán)向鋼筋混凝土桁架,根據(jù)多軟件計(jì)算分析結(jié)果,可判斷該結(jié)構(gòu)滿足抗震性能化要求。

        文中通過對(duì)杭州杭政儲(chǔ)出B塔樓抗震研究及設(shè)計(jì)實(shí)踐,針對(duì)結(jié)構(gòu)高度超限類結(jié)構(gòu),提出了針對(duì)性的設(shè)計(jì)建議措施,對(duì)該類復(fù)雜超限結(jié)構(gòu)的分析計(jì)算和抗震設(shè)計(jì)具有一定的借鑒和指導(dǎo)作用。

        1 工程概況

        杭政儲(chǔ)出2005(70)號(hào)地塊位于杭州市濱江區(qū),建筑效果圖如圖1所示。建筑面積約20.49萬m2,涵蓋了酒店、辦公、住宅及商業(yè)等多項(xiàng)功能,場地東南側(cè)及西北側(cè)分別布置了一棟231.7m(A)、231.4m(B)高的塔樓(辦公和住宅),塔樓之間有一棟99.4m(C)高的酒店(場地東北側(cè))。A樓地上70層,B樓地上66層,C樓地上25層。5層裙房作為A、B、C塔樓的底盤,總高度24.5m。場地基本設(shè)置了滿鋪地下室,地下室為3層(局部為4層),長126.7m,寬105.8m。

        圖1 建筑效果圖

        2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        2.1 B塔樓主要超限情況

        (1)高度超限。B塔樓屋頂結(jié)構(gòu)標(biāo)高231.4m,根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[3],抗震設(shè)防烈度為6度,對(duì)于鋼筋混凝土框架核心筒結(jié)構(gòu)體系,A級(jí)最大適用高度為150m,B級(jí)最大適用高度為210m。B塔樓超A級(jí)最大適用高度59.4%,超B級(jí)13.86%。

        (2)結(jié)構(gòu)不規(guī)則超限。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]和《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》[5],考慮±5%偶然偏心的水平地震力作用下,其扭轉(zhuǎn)位移比大于1.2,屬于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。31層處在Y向建筑立面內(nèi)收8.6m,內(nèi)收比例為25.1%,超過25%,屬豎向尺寸突變。分別在30、43、58層設(shè)置了環(huán)向桁架加強(qiáng)層,屬于構(gòu)件間斷不規(guī)則(含加強(qiáng)層)。加強(qiáng)層引起下部樓層抗剪承載力小于上部相鄰樓層的75%,屬抗剪承載力突變。

        2.2 結(jié)構(gòu)布置

        豎向構(gòu)件為混凝土柱(下部為型鋼混凝土柱)及混凝土核心筒,水平構(gòu)件為混凝土梁板。核心筒抗震、抗風(fēng),為主要抗側(cè)力體系。外框架根據(jù)建筑功能及立面要求布置,起到一定抗側(cè)力作用。設(shè)計(jì)保證外圈核心筒厚度,厚度分別為900mm(地下室)、800mm(裙房部分),700~500mm(主塔樓),同時(shí)提高約束邊緣構(gòu)件配箍率,從而提高其抗震承載力和延性。核心筒內(nèi)縱橫隔墻厚度為250mm、300mm。外圍框架柱采用型鋼混凝土柱(37層樓面以下)。整體結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

        圖2 B塔樓整體結(jié)構(gòu)模型

        樓層典型樓板厚度:裙房樓板厚150mm;辦公(31層以下)樓板厚120mm;住宅(31層以上)樓板厚140mm;腰桁架加強(qiáng)層樓板厚180mm;屋面層、停機(jī)坪樓板厚150mm;地下一層作為上部結(jié)構(gòu)嵌固端,樓板厚180mm;人防區(qū)厚350mm;地下其余各層樓板厚度均為150mm。

        B塔樓沿著樓層高度分別在30層(標(biāo)高103.050)、43層(標(biāo)高148.950m)和58層(標(biāo)高200.350m)設(shè)置了3個(gè)加強(qiáng)層。腰桁架可以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度。經(jīng)計(jì)算比較,不設(shè)置加強(qiáng)層時(shí)最大層間位移角,不滿足規(guī)范1/537(根據(jù)規(guī)范第4.6.3條規(guī)定插值得到)的要求,設(shè)置三道加強(qiáng)層后對(duì)整體結(jié)構(gòu)的層間位移角能有效控制。B塔樓典型加強(qiáng)層桁架模型及立面圖如圖3。

        圖3 B塔樓典型加強(qiáng)層桁架模型及立面圖(單位:mm)

        2.3 結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)目標(biāo)

        根據(jù)規(guī)范[3]、[4],對(duì)B塔樓進(jìn)行抗震性能化設(shè)計(jì)。綜合考慮技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性,針對(duì)B塔樓超限情況,選定抗震性能目標(biāo)為“C”,其在多遇、設(shè)防、罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的性能水準(zhǔn)、水平及層間位移角限值見表1。繼而確定關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件包括主樓核心筒、周邊框架及加強(qiáng)層腰桁架的抗震設(shè)計(jì)性能目標(biāo),如表1所示。

        表1 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)性能目標(biāo)

        2.4 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件抗震措施

        根據(jù)已確定的整體結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件抗震性能目標(biāo),對(duì)B塔樓提出針對(duì)性抗震措施。

        (1)核心筒??刂坪诵耐矇χ募魬?yīng)力水平,驗(yàn)算罕遇地震作用時(shí)不同剪跨比的墻肢抗剪截面,使其不發(fā)生剪切破壞[6]。針對(duì)高度超限,將核心筒底部加強(qiáng)區(qū)延伸至第7層樓面標(biāo)高位置,即裙房屋面以上2層。為保證大震作用下核心筒底部出現(xiàn)塑性鉸后具有足夠大的延性以適應(yīng)變形,將裙房屋面以上2層的地震剪力放大1.25倍,其核心筒約束邊緣構(gòu)件及墻身配筋隨之加強(qiáng),并保證約束邊緣構(gòu)件配置高度達(dá)墻肢軸壓比小于0.25的樓層標(biāo)高。另驗(yàn)算所有墻肢在風(fēng)荷載或小震作用下不得受拉。核心筒剪力墻配置多層鋼筋,確保墻肢受力均勻。

        (2)周邊框架。37層樓面以下采用型鋼混凝土柱,適當(dāng)提高框架柱的體積配箍率,改善框架柱的延性。周邊框架作為第二道抗震防線,設(shè)計(jì)時(shí)嚴(yán)于規(guī)范對(duì)各樓層框架部分地震剪力進(jìn)行調(diào)整。適當(dāng)加強(qiáng)嵌固端至裙房屋面上一層的框架柱配筋,其箍筋全高加密以提高延性。

        (3)腰桁架加強(qiáng)層。腰桁架使周邊框架柱受力均勻,減小其剪力滯后效應(yīng),提高結(jié)構(gòu)剛度。加強(qiáng)層核心筒內(nèi)設(shè)置約束邊緣構(gòu)件,范圍為向下延伸2層,向上延伸1層,并適當(dāng)提高核心筒抗震等級(jí),保證結(jié)構(gòu)延性。適當(dāng)加強(qiáng)樓板厚度,配筋雙層雙向,以提高結(jié)構(gòu)的整體性。

        3 結(jié)構(gòu)整體分析

        3.1 多遇地震作用下結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

        為判斷模型分析結(jié)果的準(zhǔn)確性,采用PKPM和MIDAS Building這2種軟件計(jì)算B塔樓的結(jié)構(gòu)總重量及周期,比對(duì)發(fā)現(xiàn)兩者基本一致,如表2所示。結(jié)構(gòu)前三階振型如圖4所示,結(jié)構(gòu)剛度中心與質(zhì)量中心基本一致,扭轉(zhuǎn)效應(yīng)小。PKPM其余計(jì)算結(jié)果見表3,B塔樓雖然存在較多傾斜柱,相較于層間位移角概念中構(gòu)件為鉛錘的前提,若取柱兩端位移變化與層高之比,則偏于保守,但計(jì)算仍按保守取值。B塔樓因在30、43、58層間設(shè)置了腰桁架,導(dǎo)致這3層樓層抗剪承載力產(chǎn)生突變,出現(xiàn)薄弱層,設(shè)計(jì)對(duì)薄弱層下2層、上1層的框架、核心筒抗震等級(jí)均取一級(jí),同時(shí)對(duì)其進(jìn)行中震彈性驗(yàn)算。

        表2 結(jié)構(gòu)總重量及前六階周期對(duì)比

        表3 多遇地震作用下計(jì)算結(jié)果

        圖4 B塔樓前三階振型

        各樓層框架部分承擔(dān)的地震剪力=max{min[底部總地震剪力的25%,最大樓層地震剪力1.8倍],結(jié)構(gòu)底部總地震剪力15%}

        3.2 結(jié)構(gòu)彈性時(shí)程分析

        B塔樓為存在加強(qiáng)層的復(fù)雜高層建筑,應(yīng)采用時(shí)程分析法進(jìn)行多遇地震下的補(bǔ)充驗(yàn)算,以驗(yàn)證規(guī)范反應(yīng)譜法的包絡(luò)性[3]。根據(jù)Ⅲ類場地、第三組地震分組,選取天然波TH2TG045、TH4TG045和人工波RH3TG045,與反應(yīng)譜法得出的基底剪力進(jìn)行對(duì)比,如表4,每條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)基底剪力不小于規(guī)范反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的65%,多條時(shí)程曲線計(jì)算的結(jié)構(gòu)基底剪力的平均值不小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的80%,滿足規(guī)范。根據(jù)結(jié)果B塔樓地震力不需要放大。

        表4 時(shí)程分析與反應(yīng)譜分析基底剪力比較

        3.3 設(shè)防地震作用下結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

        對(duì)結(jié)構(gòu)大底盤及其上一層,各腰桁架及其對(duì)應(yīng)的上1層、下2層的豎向抗側(cè)力構(gòu)件進(jìn)行中震彈性驗(yàn)算。計(jì)算時(shí),地震作用不再根據(jù)抗震等級(jí)增大;填充墻在中震作用下會(huì)破壞,因此不考慮其對(duì)周期的折減;同樣連梁也會(huì)發(fā)生一定程度的破壞,適當(dāng)減小其剛度折減系數(shù)。

        計(jì)算結(jié)果表明,墻肢與框架柱的軸壓比分別小于0.5與0.75,配筋合理;腰桁架弦桿配筋同樣較為合理,判斷結(jié)構(gòu)可滿足中震彈性要求。并對(duì)中震作用下出現(xiàn)受拉狀態(tài)的墻肢,均設(shè)置約束邊緣構(gòu)件。

        3.4 罕遇地震作用下彈塑性分析

        采用PKPM軟件通過對(duì)B塔樓進(jìn)行靜力彈塑性分析(pushover),從而判斷結(jié)構(gòu)是否能達(dá)到罕遇地震作用下的抗震性能目標(biāo),另校核其在小震下的受力與變形。分析前,混凝土梁、柱配筋采用計(jì)算配筋,按實(shí)際配筋復(fù)核。根據(jù)計(jì)算所得能力-需求譜曲線,找到性能點(diǎn),并對(duì)比性能點(diǎn)狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的最大層間位移角是否小于“層間彈塑性位移角限值”即1/100[4]。在模擬持續(xù)增大地震作用的過程中,由構(gòu)件的塑性鉸開展得出其破壞順序,驗(yàn)證結(jié)構(gòu)變形是否與預(yù)期相符;驗(yàn)算構(gòu)件在各性能水準(zhǔn)下是否超過其允許變形;并通過定性考察各構(gòu)件的塑性發(fā)展,標(biāo)記需要加強(qiáng)的構(gòu)件。

        計(jì)算結(jié)果表明,結(jié)構(gòu)在小震作用下無屈服,與小震相符。中震時(shí),核心筒墻肢底部加強(qiáng)部位、伸臂加強(qiáng)層及相鄰上1層、下2層處于彈性,其余部位不屈服。當(dāng)達(dá)到6度罕遇地震作用水平時(shí),部分層連梁及框架梁出現(xiàn)塑性鉸,核心筒部分剪力墻、腰桁架出現(xiàn)塑性鉸,框架柱不屈服,符合抗震性能設(shè)計(jì)。部分計(jì)算結(jié)果如表5所示,滿足規(guī)范要求。

        表5 pushover計(jì)算結(jié)果

        3.5 風(fēng)載作用下結(jié)構(gòu)舒適度驗(yàn)算

        B塔樓高度不小于150m,應(yīng)進(jìn)行風(fēng)振舒適度驗(yàn)算及風(fēng)洞試驗(yàn)[7]。風(fēng)洞試驗(yàn)的主要內(nèi)容是測量建筑模型上的平均風(fēng)壓與脈動(dòng)風(fēng)壓時(shí)程,通過數(shù)據(jù)處理、計(jì)算分析,得到在各重現(xiàn)期和各風(fēng)向角風(fēng)壓作用下塔樓表面風(fēng)壓值和結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)態(tài)響應(yīng),為B塔樓的結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

        塔樓測壓模型由透明有機(jī)玻璃制成,幾何縮尺比為1:250。共布置了888個(gè)測壓點(diǎn)??紤]到地塊臨近沒有高層建筑,主要以民房為主,本試驗(yàn)?zāi)M了大廈周圍300m半徑內(nèi)的建筑物。大廈周圍建筑采用PVC板制成模型模擬,如圖5。

        圖5 風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)P蛨D

        風(fēng)洞試驗(yàn)舒適度結(jié)果如表6所示,滿足規(guī)范要求。

        表6 風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果m/s2

        按10年一遇的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下,結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)順風(fēng)向最大加速度為0.034m/s2(X方向)、0.039m/s2(Y方向),橫風(fēng)向頂點(diǎn)最大加速度為0.094m/s2(X方向),0.082m/s2(Y方向),均小于規(guī)范對(duì)住宅的限值0.15m/s2。

        4 結(jié)語

        通過對(duì)帶加強(qiáng)層的超高層B塔樓多軟件計(jì)算及對(duì)其結(jié)果對(duì)比分析,結(jié)構(gòu)最終能達(dá)到抗震性能目標(biāo),驗(yàn)證了設(shè)計(jì)合理。以下從大底盤、核心筒、腰桁架加強(qiáng)層、周邊框架展開總結(jié)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn):

        (1)大底盤對(duì)于超B級(jí)高層結(jié)構(gòu)起到底部約束作用,其屋面及其上一層的豎向抗側(cè)力構(gòu)件應(yīng)按中震彈性要求進(jìn)行設(shè)計(jì);并可通過對(duì)板厚及配筋適當(dāng)加大從而對(duì)其加強(qiáng)。

        (2)核心筒抗震、抗風(fēng),為主要抗側(cè)力體系,應(yīng)驗(yàn)算大震下核心筒剪力墻墻肢,使其不得發(fā)生剪切破壞;并通過配置多層鋼筋使墻肢受力均勻。

        (3)腰桁架加強(qiáng)層使周邊框架柱受力均勻,減小其剪力滯后效應(yīng),提高結(jié)構(gòu)整體剛度。其設(shè)置位置可利用建筑避難層。對(duì)其引起的相鄰樓層抗剪承載力突變問題,考慮將加強(qiáng)層下兩層、上一層的墻、柱抗震等級(jí)均取一級(jí),保證其中震彈性,并應(yīng)控制大震下這幾個(gè)樓層的彈塑性位移角不超過1/100。

        (4)周邊框架為框架核心筒抗震二道防線,應(yīng)嚴(yán)于規(guī)范對(duì)各樓層框架部分地震剪力進(jìn)行調(diào)整??刹捎眯弯摶炷林?yán)格控制其軸壓比,以確保周邊框架具備足夠的延性。

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