何禮東
(同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司,上海 200092)
隨著現(xiàn)代社會的進(jìn)步,且土地資源的限制,人們對超高層建筑的需求大幅提升,因此超高層建筑的數(shù)量不斷增多。同時由于建筑立面效果和功能的要求,使超高層結(jié)構(gòu)形式多樣復(fù)雜化,導(dǎo)致其設(shè)計(jì)問題也變得更加復(fù)雜[1],尤其是超高層結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)問題。合理的抗震性能化分析有助于發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié),從而有針對性地對結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)。國內(nèi)已有學(xué)者針對不同地區(qū)、不同高度和結(jié)構(gòu)形式超高層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗震性能分析,董穎杰等[2]針對西寧地區(qū)(抗震設(shè)防烈度7度)某245.1m超高層商業(yè)辦公樓進(jìn)行了罕遇地震彈塑性分析,其結(jié)構(gòu)體系為鋼筋混凝土框架-核心筒體系,不設(shè)置加強(qiáng)層;單孟碩等[3]針對抗震設(shè)防烈度為7度地區(qū)的某156m超高層辦公樓進(jìn)行了罕遇地震彈塑性時程分析,其結(jié)構(gòu)體系為鋼筋混凝土框架-核心筒體系,不設(shè)置加強(qiáng)層;錢坤等[4]針對某34層剪力墻結(jié)構(gòu)商業(yè)住宅進(jìn)行了罕遇地震彈塑性分析;馬中華等[5]針對南京地區(qū)145.8m超高層辦公樓進(jìn)行了抗震性能分析,其結(jié)構(gòu)體系為鋼筋混凝土框架-核心筒體系,不設(shè)置加強(qiáng)層。文中將針對高設(shè)防烈度(8度0.2g)地區(qū)的一幢超高層建筑分別進(jìn)行小震、中震、大震下的抗震性能分析,為設(shè)計(jì)提供依據(jù),從而有針對性地對結(jié)構(gòu)薄弱部位進(jìn)行加強(qiáng)。
工程位于甘肅省蘭州市,為Soho辦公功能的一棟超高層塔樓。地上建筑面積約6.74萬m2。地下4層,地上45層,首層層高6m,標(biāo)準(zhǔn)層高5.1m;結(jié)構(gòu)屋面高度為230.51m,屬于超B級高度的超高層建筑[6]。由于建筑立面效果的要求,部分外框柱設(shè)置為斜柱。
從抗側(cè)能力、布置形式等方面考慮,結(jié)構(gòu)采用了采用型鋼混凝土框架-核心筒體系,框架柱、外框架梁、各加強(qiáng)層層頂和層底框架梁設(shè)置型鋼,6層以下核心筒外圈墻體內(nèi)設(shè)置鋼板,核心筒外圈墻肢角部及部分墻肢端部設(shè)置型鋼。結(jié)合建筑功能中的避難層位置,設(shè)置1道剛度適宜的伸臂桁架(第10層)及2道環(huán)帶桁架(第28層及第37層),形成水平加強(qiáng)層,將部分整體彎矩轉(zhuǎn)化為外框柱軸向荷載,提高外框結(jié)構(gòu)與核心筒結(jié)構(gòu)間的整體抗側(cè)協(xié)調(diào)能力,進(jìn)而綜合性的提高建筑結(jié)構(gòu)的整體抗側(cè)剛度,滿足各工況下的結(jié)構(gòu)安全需求。
圖1 伸臂桁架層
圖2 環(huán)帶桁架層
圖3 結(jié)構(gòu)體系
混凝土強(qiáng)度等級如表1所示,型鋼強(qiáng)度等級為Q345B。
表1 混凝土等級
工程設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期及耐久性使用年限均為50年,結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.0,設(shè)防分類為丙類。根據(jù)GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[7](以下簡稱《抗規(guī)》),地震地震作用主要參數(shù)如下:剪力墻抗震等級為特一級,框架抗震等級為特一級。設(shè)防烈度8度(0.2g),場地類別Ⅱ類,設(shè)計(jì)地震分組第3組。嵌固端為地下室頂板。
多遇地震作用下采用北京盈建科軟件有限責(zé)任公司軟件YJK和MIDAS GEN這兩個不同力學(xué)模型的空間結(jié)構(gòu)分析程序進(jìn)行計(jì)算分析,模態(tài)結(jié)果如表2所示。YJK和MIDAS GEN軟件的計(jì)算結(jié)果差距在5%以內(nèi),且結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一周期與平動為主的第一周期之比小于規(guī)范規(guī)定的0.85限值。
表2 自振周期(僅列出前3階振型作為對比)
層間位移角及剪重比結(jié)果見表3。從結(jié)果可以看出,層間位移角由小震控制,X方向最大層間位移角為1/559,Y方向最大層間位移角為1/642。根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(以下簡稱《高規(guī)》)3.7.3條,按建筑物高度(230.51m)線性插值得到的層間位移角限值為1/535,上述結(jié)果均滿足要求。根據(jù)《抗規(guī)》5.2.5節(jié),8度區(qū)基本周期位于3.5~5.0s間的結(jié)構(gòu),樓層最小地震剪力系數(shù)限值為2.58%(X向),2.42%(Y向)。僅底部個別樓層的X向剪力系數(shù)略低于規(guī)范要求,施工圖設(shè)計(jì)時按規(guī)范要求進(jìn)行調(diào)整。
表3 反應(yīng)譜法分析
采用《高規(guī)》中的等效彈性方法,利用YJK軟件對結(jié)構(gòu)在中震作用下進(jìn)行不屈服驗(yàn)算判定。主要計(jì)算結(jié)果如表4所示。
表4 中震分析的主要計(jì)算結(jié)果
由結(jié)果可知,隨著連梁剛度的退化,基底剪力及傾覆彎矩并非線性增大,層間位移角約為彈性層間位移角限值的2.4~2.5倍,符合《抗規(guī)》中“需一般修理,采取安全措施后適當(dāng)使用”的性能目標(biāo),結(jié)構(gòu)處于輕微破壞-中等破壞之間。
選取滿足規(guī)范“在統(tǒng)計(jì)意義上相符”規(guī)定的3條地震波(1條人工波、2條天然波),采用SAUSAGE軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大震下的彈塑性時程分析。
《高規(guī)》3.11.2將結(jié)構(gòu)的抗震性能分為5個水準(zhǔn),對應(yīng)的構(gòu)件損壞程度則分別為“無損壞、輕微損壞、輕度損壞、中度損壞、比較嚴(yán)重?fù)p壞”5個級別,與SAUSAGE中構(gòu)件的損壞評定標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)關(guān)系如表5所示,dc、dt分別為混凝土受壓、受拉損傷程度。ξ0(εp/εy)即鋼筋塑性應(yīng)變水平,為鋼筋當(dāng)前應(yīng)變與屈服應(yīng)變比值;ξp為鋼筋塑性應(yīng)變值[8]。
表5 性能評價標(biāo)準(zhǔn)
大震彈塑性及小震彈性時程分析結(jié)果比較見表6,3條地震波的基底包絡(luò)地震剪力約為多遇地震彈性時程計(jì)算結(jié)果的3.5倍,屬于合理范圍,說明結(jié)構(gòu)具有較好的延性。
表6 基底剪力結(jié)果比較 kN
層間位移角結(jié)果如表7所示,3條地震波的層間位移角包絡(luò)值不超過規(guī)范規(guī)定1/100。
表7 各地震波最大彈塑性層間位移角
混凝土受壓損傷和鋼筋塑性應(yīng)變水平圖如圖4~圖6所示,文中僅摘錄部分結(jié)果。
圖4 底部加強(qiáng)區(qū)墻體受壓損傷云圖
圖5 底部加強(qiáng)區(qū)墻體鋼筋塑性應(yīng)變水平(X為主方向)
圖6 底部加強(qiáng)區(qū)墻體性能水平
由圖4可知,塔樓底部墻體混凝土受壓較大,大部分混凝土受壓損傷因子在0.2以內(nèi),個別核心筒角部、短墻肢邊緣處混凝土受壓損傷因子較大,達(dá)到0.6左右,但仍未失去承載能力,不會出現(xiàn)混凝土剝落甚至壓潰等嚴(yán)重現(xiàn)象。
由圖5可知,底部水平鋼筋塑性應(yīng)變水平較小,大部分處于0.33以內(nèi),部分達(dá)到0.6左右,水平鋼筋未進(jìn)入塑性狀態(tài);底部豎向鋼筋塑性應(yīng)變水平基本在0.7以內(nèi),部分核心筒角部或短墻肢邊緣處豎向鋼筋塑性應(yīng)變水平較大,但不超過1,豎向鋼筋未進(jìn)入塑性狀態(tài)。說明底部加強(qiáng)區(qū)核心筒抗彎和受剪均未屈服。
由圖6可知,底部加強(qiáng)區(qū)墻體大部分處于輕度損壞。驗(yàn)證了底部加強(qiáng)區(qū)核心筒墻體滿足性能目標(biāo)要求。
施工圖設(shè)計(jì)時,針對損傷因子較大處及鋼筋塑性應(yīng)變值較大處,將通過控制剪力墻軸壓比、加強(qiáng)約束邊緣構(gòu)件配筋、增加型鋼或鋼板等措施,更好得控制剪力墻抗彎、抗剪不屈服。
由圖7可知,底部框架柱混凝土受壓較大,最大損傷因子約為0.14,但未失去承載能力,不會出現(xiàn)混凝土剝落甚至壓潰等嚴(yán)重現(xiàn)象。
圖7 混凝土柱受壓損傷云圖(X為主方向)
由圖8可知,底部框架柱混凝土受拉較大,主要集中在四個角部區(qū)域,最大損傷因子約為0.91,混凝土發(fā)生輕微開裂。在施工圖設(shè)計(jì)時,針對受拉損傷因子較大的框架柱,將加大其型鋼及配筋,從而控制其混凝土開裂程度。
圖8 底部加強(qiáng)區(qū)混凝土柱受拉損傷云圖(X為主方向)
由圖9可知,底部框架柱鋼筋塑性應(yīng)變值在0.6以內(nèi),鋼筋均處于彈性狀態(tài),說明底部加強(qiáng)區(qū)框架柱抗彎及抗剪均未屈服。
圖9 底部加強(qiáng)區(qū)框架柱鋼筋塑性應(yīng)變水平(X為主方向)
由圖10可知,底部加強(qiáng)區(qū)框架柱基本處于無損壞、輕微損壞,滿足性能目標(biāo)要求。
圖10 底部加強(qiáng)區(qū)框架柱性能水平
伸臂桁架及環(huán)帶桁架抗震性能水平如圖11~圖13所示。伸臂桁架腹桿基本處于輕度損壞,弦桿大部分進(jìn)入中度破壞,少部分處于輕度破壞。環(huán)帶桁架腹桿基本處于無損壞狀態(tài),弦桿大部分進(jìn)入輕度破壞。滿足性能目標(biāo)要求。
圖11 伸臂桁架性能水平
圖12 28層環(huán)帶桁架性能水平
圖13 37層環(huán)帶桁架性能水平
綜上分析結(jié)果表明:
(1) 多遇地震作用下,結(jié)構(gòu)能保持彈性,各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。底部個別樓層的X向剪力系數(shù)略低于規(guī)范要求,施工圖設(shè)計(jì)時按規(guī)范要求進(jìn)行調(diào)整。
(2) 設(shè)防地震作用下,層間位移角約為彈性層間位移角限值的2.4~2.5倍,符合《抗規(guī)》中“需一般修理,采取安全措施后適當(dāng)使用”的性能目標(biāo),結(jié)構(gòu)處于輕微破壞-中等破壞之間。
(3) 在罕遇地震作用下,基底剪力約為小震彈性時程作用下的3.5~4.0倍左右,結(jié)構(gòu)具有較好的延性。結(jié)構(gòu)、構(gòu)件滿足性能目標(biāo)要求。
(4) 對于超高層結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)延性尤為重要,為使結(jié)構(gòu)滿足“小震完好,中震中度破壞,大震比較嚴(yán)重破壞”“小震彈性,中震可修,大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo),合理的抗震性能化分析有助于發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié),驗(yàn)證所選結(jié)構(gòu)體系的合理性,為施工圖階段提供設(shè)計(jì)依據(jù),找出結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié),從而有針對性地對結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)。