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        超高層寫(xiě)字樓結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)分析

        2022-07-25 06:27:06矯良健JIAOLiangjian
        價(jià)值工程 2022年22期
        關(guān)鍵詞:彈塑性塔樓樓層

        矯良健JIAO Liang-jian

        (重慶市設(shè)計(jì)院有限公司,重慶 400000)

        1 工程概況

        金融城6 號(hào)項(xiàng)目位于重慶市江北嘴中央商務(wù)區(qū)A06號(hào)地塊,北面為建設(shè)中的高檔住宅江北嘴壹號(hào)院·東苑,南面為建設(shè)中的高檔寫(xiě)字樓俊豪ICFC 金融中心,西面為已建成運(yùn)營(yíng)的江北嘴金融城3 號(hào)項(xiàng)目,東面為已建成運(yùn)營(yíng)的IFS國(guó)際金融中心。項(xiàng)目緊鄰江北城北大街及軌道六號(hào)線和九號(hào)線換乘站江北城站,并與軌道1#出口直接相連,地理環(huán)境優(yōu)越且交通便捷。

        本文介紹其中3#塔樓,為高檔寫(xiě)字樓,地上共44 層,建筑高度200 米。

        2 3#塔樓針對(duì)性設(shè)計(jì)措施

        2.1 塔樓柱加強(qiáng)措施

        ①3#塔樓下部1/4 高度的樓層,塔樓柱采用型鋼混凝土柱。

        ②外框柱,柱軸壓比按0.80 控制,配筋按一級(jí)構(gòu)造措施控制。

        ③L1~L2 外框柱(通高11.2 米),柱軸壓比限制較規(guī)范減小0.1,按0.75 控制。體積配箍率不小于1.5%,全高加密,箍筋直徑不小于14??v筋配筋率不小于1.5%。

        ④3#樓VIP 辦公區(qū)局部通高柱(通高9.6 米),體積配箍率不小于1.2%,全高加密,箍筋直徑不小于12,縱筋配筋率提高0.1%。

        ⑤屋面大跨處柱,全高加密,體積配箍率不小于1.2%,箍筋直徑不小于12,縱筋配筋率提高0.1%。

        ⑥凈高與柱寬之比小于4 的柱,體積配箍率不小于1.2%,并全高加密。

        2.2 筒體加強(qiáng)措施

        ①筒體剪力墻軸壓比按0.55 控制。

        ②底部加強(qiáng)區(qū),筒體四角約束邊緣構(gòu)件配筋率按1.45%控制,其余外墻按1.35%控制,內(nèi)墻按1.3%控制,配箍特征值0.24,外墻分布筋按0.4%控制,內(nèi)墻按0.35%控制。

        ③其余區(qū)域,筒體四角均設(shè)置約束邊緣構(gòu)件,其余區(qū)域設(shè)置構(gòu)造邊緣構(gòu)件,筒體四角配筋率按1.4%控制,配箍特征值0.2,其余外墻配筋率按1.2~0.9%控制(樓層往上逐步減?。?,內(nèi)筒配筋率按1.1%~0.8%控制(樓層往上逐步減?。?。外墻分布筋按0.4%控制,內(nèi)墻按0.3%控制。

        2.3 其他加強(qiáng)措施

        ①筒體內(nèi)板厚120mm,配筋按雙層雙向拉通配置,最小配筋率為0.25%;

        ②塔樓平面四個(gè)角部采用雙向梁系,角部區(qū)域雙層雙向配筋,配筋率不小于0.3%,鋼筋直徑采用8,間距不大于150。

        3 3#樓結(jié)構(gòu)的單、多塔模型對(duì)比分析

        3.1 振周期及振型特性

        表1 3#樓塔樓周期(多塔模型與單塔模型)

        3.2 樓層的位移和位移角

        從計(jì)算結(jié)果可以看出,單塔和多塔的計(jì)算模型周期及位移結(jié)果吻合較好。3#塔樓裙房以上樓層在單,多塔模型的計(jì)算結(jié)果差異較小。

        3.3 單多塔分析小結(jié)

        從計(jì)算結(jié)果可以看出,單塔和多塔的計(jì)算指標(biāo)結(jié)果(周期、位移等)結(jié)果吻合較好??梢?jiàn)塔樓裙房以上樓層在單,多塔模型的計(jì)算結(jié)果差異較小,可以滿足計(jì)算要求的。因此3#塔樓在后續(xù)超限分析中采用單塔模型為代表是可行的。在施工圖設(shè)計(jì)中,塔樓裙房以上采用單塔和多塔的計(jì)算結(jié)果包絡(luò)值作為配筋依據(jù),裙房以下采用多塔整體模型進(jìn)行設(shè)計(jì)。

        4 3#樓小震彈性振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)構(gòu)的主要控制指標(biāo)

        4.1 3#樓周期和振型

        分別計(jì)算3#塔樓結(jié)構(gòu)的前27 個(gè)周期振型,列出塔樓結(jié)構(gòu)的前6 個(gè)振型的周期值和振型描述:

        如表2 所示,兩個(gè)軟件計(jì)算的周期振型接近,第一扭轉(zhuǎn)周期Tt 與第一平動(dòng)周期的比值Tt/T1 滿足《高規(guī)》(JGJ 3-2010)的要求。

        表2 3#樓周期振型統(tǒng)計(jì)表

        可以看出二者計(jì)算結(jié)果相近,規(guī)律性一致。根據(jù)抗震規(guī)范(GB50011-2010)5.2.5 條,剪重比應(yīng)達(dá)到0.64%(X向),0.67%(Y 向)。而計(jì)算剪重比分別為0.59%(X 向),0.62%(Y 向)。配筋設(shè)計(jì)時(shí),各樓層地震剪力相應(yīng)放大以滿足規(guī)范剪重比要求。

        4.2 3#樓水平作用下結(jié)構(gòu)的位移

        表3 3#樓樓層層間位移角結(jié)果

        由以上結(jié)果可知,地震作用下,樓層豎向構(gòu)件最大位移(或?qū)娱g位移)與平均值之比,在裙房以上樓層最大1.20。兩個(gè)方向最大層間位移角滿足規(guī)范限值(1/1000)。

        4.3 3#樓樓層剛度比,抗剪承載力比

        從計(jì)算結(jié)果可知,YJK 和Midas 計(jì)算的樓層側(cè)向剛度的分布規(guī)律一致,各層側(cè)向剛度與相鄰上層側(cè)向剛度的比值均滿足規(guī)范要求。抗剪承載力比值,均大于0.75,滿足規(guī)范要求。除轉(zhuǎn)換層及屋頂電梯機(jī)房部位外,結(jié)構(gòu)各層抗剪承載力沿高度變化均勻,無(wú)明顯薄弱部位。

        4.4 3#樓振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算總結(jié)

        采用YJK 及MIDAS兩軟件進(jìn)行對(duì)比計(jì)算。兩者小震反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果十分接近,規(guī)律相同。各計(jì)算結(jié)果數(shù)值上滿足規(guī)范要求。由于層高及墻肢變化的原因,局部樓層剛度及受剪承載力有波動(dòng)。底部加強(qiáng)部位剪力墻設(shè)為關(guān)鍵部位,設(shè)計(jì)將進(jìn)行加強(qiáng)。后續(xù)設(shè)計(jì)將以YJK 計(jì)算結(jié)果為依據(jù)。

        5 3#樓結(jié)構(gòu)小震彈性時(shí)程反應(yīng)分析

        5.1 3#樓地震波選取

        按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010)的規(guī)定,時(shí)程分析所采用的加速度時(shí)程曲線,“其平均地震影響系數(shù)曲線應(yīng)與振型分解反應(yīng)譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計(jì)意義上相符”,根據(jù)本工程結(jié)構(gòu)周期,場(chǎng)地類別以及本工程的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn),選出5 條天然地震波和2 條人工地震波。彈性時(shí)程分析采用YJK 進(jìn)行計(jì)算分析。從對(duì)比結(jié)果中可以看到,7 條地震波平均地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應(yīng)說(shuō)是譜法所用的地震影響系數(shù)曲線相比,在在前三階振型的周期點(diǎn)上相差不大于20%,統(tǒng)計(jì)意義上相符,滿足規(guī)范要求。

        5.2 3#樓結(jié)構(gòu)小震彈性時(shí)程分析總結(jié)

        在進(jìn)行彈性時(shí)程分析的階段中,主要是采取7 條地震波開(kāi)展計(jì)算的。待計(jì)算環(huán)節(jié)通過(guò)相關(guān)的參數(shù)比分析,相關(guān)的平均底部的剪力和振型分解產(chǎn)生的計(jì)算結(jié)構(gòu)均達(dá)到的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。時(shí)程分析表明:1#樓在X 向7 條時(shí)程波計(jì)算的樓層底部剪力平均值能夠在一定的范圍上對(duì)計(jì)算值反應(yīng)出來(lái),其計(jì)算值為89%;在Y 向計(jì)算的樓層底部剪力平均值分別為反應(yīng)譜的計(jì)算值98%。

        在進(jìn)行施工圖設(shè)計(jì)的過(guò)程中,考慮到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,針對(duì)地震作用的效應(yīng)振型分解反應(yīng)普法以及7 條波時(shí)程法計(jì)結(jié)果,則需要按照包絡(luò)值進(jìn)行設(shè)計(jì)。

        6 3#樓大震動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析

        本報(bào)告通過(guò)大震作用下的動(dòng)力彈塑性分析,擬達(dá)到下述目的:

        ①對(duì)整體結(jié)構(gòu)的相應(yīng)情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。采取基底等參數(shù),對(duì)其塑性的開(kāi)展程度進(jìn)行評(píng)價(jià);

        ②對(duì)計(jì)算結(jié)構(gòu)的整體變化情況進(jìn)行分析,對(duì)結(jié)構(gòu)中存在的測(cè)量變形情況進(jìn)行評(píng)價(jià);對(duì)結(jié)構(gòu)層的變化情況進(jìn)行全面計(jì)算,針對(duì)軟弱層與薄弱層進(jìn)行評(píng)價(jià)(根據(jù)結(jié)構(gòu)層位移的角度進(jìn)行比較);

        ③對(duì)抗側(cè)構(gòu)建的損傷分布進(jìn)行評(píng)價(jià)(包含了框架梁柱、剪力墻損傷信息與發(fā)展程度的信息),對(duì)抗側(cè)力在遇到作用時(shí)其性能水準(zhǔn)是否達(dá)到要求。

        分析軟件:選用YJK 軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析?;阡摻罨炷两Y(jié)構(gòu)額單元參數(shù)需要按照彈性計(jì)算的結(jié)構(gòu)與相關(guān)的規(guī)范要求進(jìn)行鋼筋配置。

        模型簡(jiǎn)化:因彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析時(shí)間長(zhǎng),計(jì)算工作量大,對(duì)計(jì)算模型做了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化處理:刪除了裙房部分。

        3#樓地震波的選擇:

        《高規(guī)》第5.5.1 條第6 款規(guī)定:進(jìn)行動(dòng)力彈塑性計(jì)算時(shí),地面運(yùn)動(dòng)的加速度時(shí)程的選取、預(yù)估罕遇地震作用時(shí)的峰值加速度取值以及計(jì)算結(jié)果的選用應(yīng)符合該規(guī)程

        4.3.5 條的規(guī)定。

        第4.3.5 條主要要求有:

        ①選擇3 組或是選擇7 組地震波進(jìn)行。

        ②針對(duì)地震波產(chǎn)生的“有效持續(xù)時(shí)間”不能夠小于于周期的5 倍,且時(shí)間不能超過(guò)15 秒。

        ③分析可知,相關(guān)多組地震時(shí)曲線的平均地爭(zhēng)影響曲線值與采取的統(tǒng)計(jì)方法相同。相關(guān)條文中對(duì)統(tǒng)計(jì)意義的解析方向?yàn)椋合鄬?duì)于結(jié)構(gòu)主要的振周期位置點(diǎn)相差值≤20%

        按照上述選擇出來(lái)的資料進(jìn)行分析,各個(gè)組波的彈性參數(shù)值均存在一定的特征值。相關(guān)剪力參數(shù)見(jiàn)表4 中分析。

        表4 1#樓各條地震波彈性時(shí)程剪力與彈性振型分解反應(yīng)譜的剪力對(duì)比表

        7 3#樓罕遇地震彈塑性時(shí)程分析主要計(jì)算結(jié)果

        大震彈塑性時(shí)程與彈性時(shí)程計(jì)算基底剪力對(duì)比如表5。

        表5 大震彈塑性時(shí)程與彈性時(shí)程計(jì)算基底剪力對(duì)比表

        以人工波為例,對(duì)比基底剪力的彈性與彈塑性時(shí)程曲線,如圖1、圖2 所示。

        圖1 X 向底部剪力時(shí)程曲線

        圖2 Y 向底部剪力時(shí)程曲線

        以人工波為例,對(duì)比頂點(diǎn)位移的彈性與彈塑性時(shí)程曲線,如圖3、圖4 所示。

        圖3 X 向屋面位移時(shí)程曲線

        圖4 Y 向屋面位移時(shí)程曲線

        計(jì)算結(jié)果顯示,罕遇地震作用下,結(jié)構(gòu)周期有一定程度的增長(zhǎng),結(jié)構(gòu)剛度出現(xiàn)部分退化。結(jié)構(gòu)底部彈塑性地震剪力較彈性地震剪力有一定減少,說(shuō)明罕遇地震作用下因?yàn)樯喜克遣糠謽?gòu)件的屈服,發(fā)生塑性變形,有效的耗散了地震能量,結(jié)構(gòu)彈塑性剪力出現(xiàn)滯后現(xiàn)象。隨著地震的作用,兩主方向下結(jié)構(gòu)彈塑性位移時(shí)程比彈性時(shí)程從基本重合到有明顯的滯后,表明結(jié)構(gòu)的損傷逐漸發(fā)展導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變?nèi)?,周期延長(zhǎng)的現(xiàn)象。

        X 向地震作用時(shí)的樓層最大層間位移角為1/201(29層),Y 向地震作用時(shí)的樓層最大層間位移角為1/221(29層),滿足規(guī)范大震下彈塑性位移角不大于1/133 的限值,而且也滿足水準(zhǔn)4 性能目標(biāo)1/163 的限值。

        夠形成較好的耗能機(jī)制。綜合結(jié)構(gòu)層位移及層間位移角指標(biāo),驗(yàn)證了在大震下,結(jié)構(gòu)整體塑性發(fā)展程度有限,無(wú)明顯薄弱層,結(jié)構(gòu)體系中的各構(gòu)件均能達(dá)到性能目標(biāo)的要求。

        人工波1 的總內(nèi)能、框架柱內(nèi)能、框架梁內(nèi)能及墻柱內(nèi)能曲線如下圖,從圖中可以看出,梁從開(kāi)始到最后所占耗能比例最高,其次是墻柱、框架柱。說(shuō)明結(jié)構(gòu)在地震作用下,主要是連梁耗能,耗能受力機(jī)制合理,滿足抗震設(shè)計(jì)原則要求。

        8 價(jià)值結(jié)果

        本項(xiàng)目1~7#為超高層結(jié)構(gòu),采用了框筒結(jié)構(gòu)體系。并針對(duì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)采取了一系列抗震計(jì)算及抗震構(gòu)造加強(qiáng)措施,同時(shí)采用兩個(gè)有效的程序進(jìn)行計(jì)算,其計(jì)算結(jié)果可信且滿足規(guī)范要求。利用動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)在地震作用下有良好的抗震性能,達(dá)到了預(yù)期的抗震性能目標(biāo)。

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