某超高塔樓部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的分析

郭艷坤李超

1中州大學(xué)（450044）2河南省省直機(jī)關(guān)房屋建設(shè)開(kāi)發(fā)公司（45003）

設(shè)計(jì)與施工

某超高塔樓部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的分析

郭艷坤1李超2

1中州大學(xué)（450044）2河南省省直機(jī)關(guān)房屋建設(shè)開(kāi)發(fā)公司（45003）

對(duì)某超高層塔樓鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)的超高層建筑，先后使用ETABS、SATWE軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，并對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行比較，從而論證設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)超限問(wèn)題。

塔樓；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；分析

1 工程概況

深圳某超高層塔樓建筑面積1萬(wàn)m2，用途為辦公，建筑物主體高度250m，核心筒部分及屋頂鋼架高度為280m，高寬比為7.7，地上65層。工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)年限為50年，塔樓部分的安全等級(jí)為二級(jí)，7度抗震設(shè)防,場(chǎng)地特征周期為0.35s，基本地震加速度為0.1g，建筑場(chǎng)地為II類(lèi)，抗震設(shè)防類(lèi)別為丙類(lèi)，設(shè)計(jì)地震分組為一組。一號(hào)塔樓的主體平面為矩形，標(biāo)準(zhǔn)層的結(jié)構(gòu)平面布置圖見(jiàn)圖1。

圖1 一號(hào)樓標(biāo)準(zhǔn)層平面圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略

深圳市地區(qū)的特點(diǎn)為風(fēng)荷載大、地震作用相對(duì)較小，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是提高建筑結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度。鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)體系中，鋼梁的剛度僅為同高度的混凝土梁的30%左右。計(jì)算結(jié)果表明,混合結(jié)構(gòu)體系很難滿(mǎn)足規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度要求。若要滿(mǎn)足要求，則必須設(shè)置2～3個(gè)加強(qiáng)層，這樣將帶來(lái)結(jié)構(gòu)受力的復(fù)雜性和設(shè)備層使用的不便性。因此，該塔樓采用鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系。

由于核心筒的特點(diǎn)是高寬大，如何充分發(fā)揮核心筒的抗側(cè)效率是個(gè)難題。在設(shè)計(jì)中通過(guò)加厚筒體翼緣墻體的厚度來(lái)增加抗側(cè)剛度，而筒體翼緣墻體的厚度隨著建筑高度增加逐漸減小來(lái)獲得較大的使用空間。這種設(shè)計(jì)方法成功滿(mǎn)足了規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度要求,而且避免了在設(shè)備層設(shè)置加強(qiáng)層，使得設(shè)備管道可以順利通過(guò)。

對(duì)于該塔樓采用的框-筒結(jié)構(gòu)體系,外框架體系將作為有效承重支撐，大部分豎向荷載通過(guò)軸力的方式向下傳送。由于結(jié)構(gòu)的層數(shù)較多，外框架柱承受豎向荷載較大。為了減小框架柱的截面面積，以增加有效使用面積，考慮采用鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)柱。在組合結(jié)構(gòu)柱的選型上,我們對(duì)型鋼混凝土柱、鋼管混凝土柱和鋼管混凝土疊合柱進(jìn)行了深入比較和論證。鋼管混凝土疊合柱同時(shí)具有鋼管混凝土和型鋼混凝土的優(yōu)點(diǎn)，剛度、強(qiáng)度均大，耐火性能好，因此外框架柱采用了鋼管混凝土疊合柱。

考慮到鋼筋混凝土與鋼管混凝土疊合梁柱節(jié)點(diǎn)的施工便利，該工程根據(jù)鋼筋混凝土梁的實(shí)際配筋在鋼管上開(kāi)矩形孔洞使梁中縱向鋼筋可以順利通過(guò)，管壁開(kāi)孔的截面損失率不超過(guò)50%。采用鋼管混凝土疊合柱方便了施工，減少了施工工期。

3 結(jié)構(gòu)整體計(jì)算結(jié)果

3.1 彈性計(jì)算結(jié)果

在設(shè)計(jì)中對(duì)整體結(jié)構(gòu)的自振特性分別采用ETABS和SATWE分析軟件進(jìn)行了分析計(jì)算。兩種不同軟件的計(jì)算結(jié)果如表1所示，計(jì)算結(jié)果較為接近，從側(cè)面反映出結(jié)構(gòu)模型和分析的正確性。平動(dòng)為結(jié)構(gòu)的主要振型，扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期與平動(dòng)為主的第一自振周期之比為0.67，滿(mǎn)足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（JGJ3-2002）的要求。

風(fēng)荷載及小震作用下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)計(jì)算是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容。結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載及小震作用下結(jié)構(gòu)最大的層間位移如表2所示?？梢?jiàn)，在風(fēng)和地震作用下的層間位移角在規(guī)范限值之內(nèi)。

表1 周期計(jì)算結(jié)果

表2 風(fēng)荷載及小震作用下結(jié)構(gòu)最大的層間位移

在偶然偏心影響的水平地震作用下，層間位移和其平均值之比值、樓層豎向構(gòu)件的最大水平位移和其平均值之比值均在規(guī)范限值之內(nèi)，從而證明結(jié)構(gòu)抗扭剛度較好。

地震作用下樓層剪重比同樣是結(jié)構(gòu)整體分析時(shí)需要分析的重要內(nèi)容。計(jì)算結(jié)果表明，在13層以下的各層沿X向和Y向的層間地震剪力不能滿(mǎn)足規(guī)范的最小剪重比要求，因此程序?qū)υ摬糠值卣鸺袅M(jìn)行了1.15倍調(diào)整，以提高該部分地震抗剪承載力。圖2分別給出了X向和Y向地震作用下的框架和核心筒傾覆力矩沿樓層的變化情況。計(jì)算結(jié)果表明，基底框架和核心筒X向傾覆力矩分別為1 121019kN·m和2349918kN·m，Y向傾覆力矩分別為948767kN·m和2586129kN·m。計(jì)算結(jié)果表明,本塔樓結(jié)構(gòu)中核心筒所占傾覆力矩沿結(jié)構(gòu)高度始終大于50%總地震傾覆力矩。

3.2 彈性時(shí)程分析

采用三條地震波，包括一條地面人工波和兩條天然波,對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性時(shí)程分析。表3給出了3條地震波和規(guī)范反應(yīng)譜的計(jì)算結(jié)果，圖3對(duì)應(yīng)的層間剪力值與樓層的關(guān)系曲線(xiàn)。通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的彈性時(shí)程分析結(jié)果可以得到：1）每條時(shí)程曲線(xiàn)計(jì)算所得結(jié)構(gòu)基底剪力均大于振型分解反應(yīng)譜法的65%，三條時(shí)程曲線(xiàn)計(jì)算所得結(jié)構(gòu)基底剪力的平均值均大于振型分解反應(yīng)譜法的80%，地震波的選擇滿(mǎn)足規(guī)范要求；2）CQC法的層間剪力曲線(xiàn)基本能反映所選的三條地震波對(duì)應(yīng)的平均層間剪力曲線(xiàn)。但在結(jié)構(gòu)頂部少數(shù)樓層,CQC法的地震剪力偏小,說(shuō)明設(shè)計(jì)反應(yīng)譜在長(zhǎng)周期階段的人為調(diào)整以及計(jì)算中對(duì)高階振型的影響估計(jì)不足，施工圖設(shè)計(jì)將對(duì)頂部樓層的地震剪力進(jìn)行調(diào)整。

(a)X向地震作用下的傾覆力矩

圖2 傾覆力矩分配

表3 基底剪力計(jì)算結(jié)果(KN)

(a)X向

圖3 地震作用下的層間剪力值

3.3 中震不屈服分析

由于該塔樓為超限結(jié)構(gòu)，為確保結(jié)構(gòu)的安全可靠，進(jìn)行了在中震（設(shè)防烈度）下的抗震計(jì)算，使這些重要的抗震構(gòu)件（剪力墻、柱、連梁和框架梁），在中震作用下不屈服。

通過(guò)中震不屈服分析和判斷可以得出結(jié)論：結(jié)構(gòu)體系中豎向構(gòu)件在中震情況下保持著良好的彈性性能，而水平構(gòu)件特別是連梁則有較多的進(jìn)入屈服狀態(tài)，通過(guò)調(diào)整連梁、框架梁的配筋以及對(duì)部分連梁截面調(diào)整，才使主要水平構(gòu)件不屈服。這從設(shè)計(jì)上保證了中震不屈服概念的具體落實(shí)，也體現(xiàn)了地震中各構(gòu)件的屈服順序基本上先是連梁屈服，后是部分框架梁屈服，而豎向構(gòu)件則沒(méi)有出現(xiàn)屈服的情況。

3.4 靜力彈塑性分析

雖然規(guī)范中僅僅對(duì)大震分析的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了界定，但對(duì)于大震分析的主要方法所言甚少。該項(xiàng)目采用靜力推覆分析研究結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的工作性能。靜力推覆分析可以較好地揭示結(jié)構(gòu)在大震下的屈服過(guò)程，展示出結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)屈服、內(nèi)力重分布的發(fā)展過(guò)程以及結(jié)構(gòu)達(dá)到預(yù)定的變形限值。對(duì)不同材料及應(yīng)用范圍的結(jié)構(gòu)構(gòu)件彈塑性、變形性能進(jìn)行明確規(guī)定的國(guó)際規(guī)范有美國(guó)規(guī)范ATC40、FEMA273、FEMA35、ACI318等?？刂茦?gòu)件塑性變形能力，可以將結(jié)構(gòu)構(gòu)件變形控制在輕微變形、嚴(yán)重變形等范疇。從對(duì)使用者生命財(cái)產(chǎn)的危害程度角度，結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以分為震后可完全使用水準(zhǔn)、震后可立即進(jìn)住水準(zhǔn)、生命安全水準(zhǔn)、震后不倒塌水準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)。

通過(guò)靜力彈塑性推覆分析，得出如下結(jié)論：1）結(jié)構(gòu)方案完全滿(mǎn)足規(guī)范要求的“小震彈性、中震可修、大震不倒”抗震設(shè)防性能目標(biāo)。2）結(jié)構(gòu)方案同時(shí)也滿(mǎn)足本報(bào)告設(shè)定的小震彈性、中震允許部分次要水平構(gòu)件出現(xiàn)塑性、大震允許部分連梁和框架梁出現(xiàn)較多塑性鉸但不出現(xiàn)危及生命安全的嚴(yán)重變形的抗震設(shè)防性能目標(biāo)。3）塑性鉸主要發(fā)生在連梁、部分框架梁局部位置,且主要分布于建筑物的中下部，這在一定程度上與中震分析的結(jié)果是吻合的。也就是說(shuō)，中震分析時(shí)構(gòu)件界面利用率最大的部位在推覆分析中將首先出現(xiàn)屈服,且隨著推覆的進(jìn)展，部分塑性鉸的發(fā)展也與中震結(jié)果中構(gòu)件界面利用率具有一定的相關(guān)性。4）豎向構(gòu)件中框架柱未出現(xiàn)塑性鉸，剪力墻在大震下未出現(xiàn)塑性鉸，說(shuō)明豎向構(gòu)件具有良好的抗震性能。5）通過(guò)結(jié)構(gòu)在大震下的變形和塑性鉸出現(xiàn)位置和發(fā)展?fàn)顟B(tài)，可以確定現(xiàn)設(shè)計(jì)是安全的，抗震構(gòu)造措施是適當(dāng)?shù)?。同時(shí)，局部位置塑性鉸發(fā)展較為嚴(yán)重的構(gòu)件需要改善其延性性能和配筋等，以調(diào)節(jié)其抗震變形能力，盡量將其變形控制在生命安全范圍以?xún)?nèi)。

4 結(jié)論

根據(jù)建筑物自身特點(diǎn)，此超高層建筑塔樓采用鋼筋混凝土框-筒結(jié)構(gòu)，在地面至26層的外框柱使用了鋼管混凝土疊合柱，提高了核心筒和外框架的使用效率，從而使剛度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

[1]CECS188：2005,鋼管混凝土疊合柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].中國(guó)計(jì)劃出版社,2005.

[2]JGJ3-2002,高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范[S].中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),2002.

[3]GB50011-2001,建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),2002.