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        某超高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計及屈曲分析

        2022-08-23 02:42:32郭瑾
        建材與裝飾 2022年24期
        關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)分析

        郭瑾

        (廣州市設(shè)計院集團有限公司,廣東 廣州 510620)

        1 工程概況

        本項目位于廣州市荔灣區(qū),2C棟共46層,高148.200m,建筑面積約2.3萬m2,標準層層高3.1m,首層層高7.9m、避難層層高3.5m。標準層平面圖如圖1所示。

        圖1 標準層平面圖(單位:mm)

        2 設(shè)計參數(shù)

        本工程的設(shè)計使用年限為50年,建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級??拐鹪O(shè)防類別為丙類,抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度,設(shè)計基本地震加速度0.10g,設(shè)計地震分組為第一組,建筑場地類別為Ⅱ類,50年重現(xiàn)期的基本風(fēng)壓為0.5kN/m2,地面粗糙度類別為C類,塔樓及周邊外延兩跨框架與剪力墻的抗震等級分別為:地下一層及以上為一級,首層標高改變處為特一級,地下二層為二級,地下三層為三級。塔樓及周邊外延兩跨之外地下室抗震等級:地下一層為三級,地下二層及以下為四級。

        由于地下室頂板較完整無開洞,結(jié)構(gòu)嵌固端可取首層。

        3 結(jié)構(gòu)布置及性能目標

        3.1 結(jié)構(gòu)布置

        本工程塔樓為剪力墻結(jié)構(gòu),屬B級高度高層建筑。高寬比為5.8,平面呈“品字”形,長寬比為1.27。塔樓投影范圍內(nèi)地下一層及首層采用梁板結(jié)構(gòu),塔樓投影范圍外采用加腋大板。剪力墻底部樓層主要為550~300mm厚墻體,中部樓層主要為300~250mm厚墻體,頂部樓層主要為300~200mm厚墻體??蚣芰褐饕孛鏋椋?00mm×600mm)~(300mm×600mm),次梁主要截面為(200mm×400mm)~(200mm×600mm)。樓板除核心筒區(qū)域采用現(xiàn)澆,其他區(qū)域主要采用鋼筋桁架樓承板。

        3.2 結(jié)構(gòu)超限情況及性能目標

        2C棟主體結(jié)構(gòu)高度148.20m,屬B級高度高層建筑,除高度超限外主要有扭轉(zhuǎn)不規(guī)則(考慮偶然偏心的結(jié)構(gòu)最大扭轉(zhuǎn)位移比分別為1.21)、凹凸不規(guī)則、樓板不連續(xù)3項超限項[1]。

        本項目抗震性能目標為C級。對應(yīng)構(gòu)件性能目標如表1所示。

        表1 構(gòu)件性能目標

        4 首層墻屈曲分析

        采用有限元分析軟件SAP2000對首層墻的穩(wěn)定性進行分析,得到屈曲因子如表2所示,由表中數(shù)據(jù)可知分析所得屈曲因子最小值為33.03。

        表2 各模態(tài)屈曲因子

        根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(DBJ 15-92—2013)[2]5.4.5,計算所得的屈曲因子大于10,墻體整體穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

        5 結(jié)構(gòu)分析計算

        5.1 小震彈性分析

        采用YJK及Etabs兩個軟件對結(jié)構(gòu)進行對比計算分析,在振型參與系數(shù)滿足90%的情況下總質(zhì)量、前三階自振周期各對比模型偏差8%以下,反應(yīng)譜計算的基底剪力、傾覆彎矩偏差在15%以下,各對比模型的質(zhì)量、周期、剪力、剪重比以及位移形態(tài)基本一致,各指標在規(guī)范合理限值范圍內(nèi),剪力墻、框架梁、連梁配筋均合理。主要計算結(jié)果對比如表3所示。

        表3 常遇地震作用下YJK和Etabs主要計算結(jié)果對比

        5.2 彈性動力時程分析

        根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)[3]4.3.4條和4.3.5條,對2C棟進行了常遇地震作用下的彈性時程分析。根據(jù)頻譜特性、有效峰值和持續(xù)時間的地震波選取三要素,選?、蝾悎龅?條地震波(5條天然波,2條人工波)進行計算,在時程分析中,主方向地震波加速度峰取值為35cm/s2。分析結(jié)果表明,結(jié)構(gòu)多組時程曲線的平均地震響應(yīng)系數(shù)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)計意義上相符,其中前三周期位點上地震波加速度反應(yīng)譜與規(guī)范譜差值小于20%,2C棟時程分析法基底最大總剪力與振型分解反應(yīng)譜法基底最大總剪力的比值各條時程曲線兩個方向計算結(jié)果均在65%~135%之間,每組時程曲線計算所得基底平均剪力與振型分解反應(yīng)譜法計算所得平均剪力的比值在80%~120%之間。單體基底剪力滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)[3]4.3.5條要求,小震彈性設(shè)計時各層剪力取時程分析法與振型分解反應(yīng)譜法兩者中的大值。

        5.3 性能設(shè)計

        通過使用YJK軟件對2C棟進行了小震彈性、中震彈性、中震不屈服下的受力分析,并對大震抗剪截面、底部加強區(qū)剪力墻大震抗剪不屈服進行了驗算。小震彈性計算結(jié)果表明,結(jié)構(gòu)滿足小震彈性的設(shè)計要求。對局部樓層、個別連梁抗剪截面不滿足要求的,采用強剪弱彎復(fù)核配筋。小震彈性和中震彈性豎向構(gòu)件水平筋進行比較,剪力墻水平筋、豎向構(gòu)件抗剪箍筋主要是小震控制,對計算結(jié)果取包絡(luò)設(shè)計。小震彈性和中震不屈服豎向構(gòu)件配筋、剪力墻連梁、框架梁縱向配筋比較,配筋結(jié)果有小震控制,也有中震不屈服控制,對計算結(jié)果取包絡(luò)設(shè)計。對各單體豎向構(gòu)件,大震抗剪截面驗算結(jié)果表明,構(gòu)件剪壓比滿足限值,滿足性能目標要求。底部加強區(qū)剪力墻水平分布筋配置可滿足大震抗剪不屈服的要求。

        采用YJK軟件對墻肢分別進行了風(fēng)荷載作用下、常遇地震作用下、設(shè)防烈度地震作用下的受拉分析[4],根據(jù)墻肢受拉分析驗算結(jié)果,將墻肢拉應(yīng)力與2ftk對比,取首層為代表(表4),對于出現(xiàn)偏拉的墻肢,擬通過提高墻肢的配筋率,滿足中震下性能設(shè)計的要求。

        表4 墻肢受拉驗算

        5.4 彈塑性動力時程分析

        在對結(jié)構(gòu)進行動力彈塑性時程分析時,本工程使用了PKPM-SAUSAGE軟件。對2C棟選用人工波1條,天然波2條,地震波主方向峰值加速度取值為220cm/s2,次方向峰值加速度取值為187cm/s2,由于結(jié)構(gòu)存在強弱方向區(qū)分,故每條波對結(jié)構(gòu)X、Y方向分別選取主方向。結(jié)構(gòu)前三階自振周期分別為4.0570s、3.2430s、2.8990s,模型彈塑性最大剪力為小震CQC法基底剪力的3.77~5.66倍,大震彈塑性最大層間位移角在1/216~1/291之間,滿足1/120限值要求。罕遇地震作用下X、Y向各樓層的層間位移角、層位移曲線相對平滑,無明顯突變,位移角在中部樓層最大,位移曲線為彎曲型,與小震彈性階段曲線分析趨勢一致,說明結(jié)構(gòu)進入彈塑性階段后剛度分布較為合理,未出現(xiàn)明顯的薄弱層。彈塑性動力時程分析過程中,塑性鉸最先出現(xiàn)在連梁上,繼而在連接剪力墻的框架梁上出現(xiàn)。在大震作用下,部分連梁損壞嚴重,說明在大震作用下該區(qū)域連梁剛度退化顯著,連梁發(fā)揮了預(yù)期的耗能作用;在大震作用下,剪力墻能夠保證結(jié)構(gòu)整體完整,除個別部位產(chǎn)生重度損壞以外,均保持在輕度損壞及輕度損壞以下,能夠達到C級抗震性能目標[5],結(jié)構(gòu)可行且是安全的。

        6 結(jié)構(gòu)抗震加強措施

        根據(jù)超限分析結(jié)果,結(jié)構(gòu)的抗震加強措施如下。

        根據(jù)各水準的性能分析結(jié)果,底部加強區(qū)剪力墻豎向分布筋的配筋率取為0.30%,同時各構(gòu)件根據(jù)性能水準,取包絡(luò)設(shè)計。

        針對平面凹凸不規(guī)則,在凹凸位置利用電梯井、樓梯間布置相對完整的筒體,改善平面薄弱部位的受力性能,同時采用YJK軟件對樓板在小震、中震、大震下的受力性能進行了分析。計算結(jié)果表明樓板處于良好的工作狀態(tài),可以保證結(jié)構(gòu)的整體性。

        針對平面扭轉(zhuǎn)不規(guī)則,計算采用考慮扭轉(zhuǎn)耦連、偶然偏心等空間計算模型進行多軟件的對比分析,并在全樓角部剪力墻設(shè)置約束邊緣構(gòu)件。

        7 結(jié)語

        綜上,本工程高度超過A級高度120m,為B級高度超限高層建筑,具有扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、平面凹凸不規(guī)則、樓板不連續(xù)3項不規(guī)則項。超限分析針對不規(guī)則項進行了了小震對比分析、小震彈性時程分析、性能設(shè)計、專項分析、大震動力彈塑性分析等,并根據(jù)分析結(jié)果對相關(guān)構(gòu)件進行了適當(dāng)加強,分析結(jié)果表明結(jié)構(gòu)滿相關(guān)足規(guī)范的要求,能達到C級抗震性能目標,結(jié)構(gòu)可行且安全。

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