高層框架—核心筒結(jié)構(gòu)抗震性能設計與優(yōu)化

黃 怡 萍

(上海建科結(jié)構(gòu)新技術(shù)工程有限公司，上海 200023)

高層框架—核心筒結(jié)構(gòu)抗震性能設計與優(yōu)化

黃 怡 萍

(上海建科結(jié)構(gòu)新技術(shù)工程有限公司，上海 200023)

結(jié)合工程設計實例和相關(guān)規(guī)范，論述了結(jié)構(gòu)抗震性能目標、連梁超限措施、結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案、彈性反應譜分析以及彈性和彈塑性動力時程分析等內(nèi)容，最后，通過對結(jié)構(gòu)的計算分析表明，結(jié)構(gòu)基本能達到預期的抗震性能目標。

框架核心筒，抗震性能目標，時程分析

本文即結(jié)合某高層框架—核心筒結(jié)構(gòu)工程實例，詳細論述該結(jié)構(gòu)的抗震設計及優(yōu)化過程。

1 工程概況

本工程為商用住宅樓，塔樓屋面高度為296.27 m，共64層；無地下室。本工程結(jié)構(gòu)安全等級為二級，設計基準期定為50年，場地類別為Ⅲ類，抗震設防烈度為7度(0.10g)，設計地震分組為第一組，場地土特征周期為0.45 s?？拐鹪O防類別核心筒為乙類，外周框架為丙類。

1.1 結(jié)構(gòu)體系

本工程采用型鋼混凝土框架—鋼筋混凝土筒體結(jié)構(gòu)。由核心筒承受主要側(cè)向力，作為第一道抗震防線；外圍框架承擔次要抗側(cè)力，作為第二道抗震防線。二者形成了雙重抗側(cè)力體系，保證結(jié)構(gòu)在大震下的安全。

結(jié)構(gòu)分布圖見圖1。

1.2 結(jié)構(gòu)平面布置

其標準層平面圖和結(jié)構(gòu)立面圖如圖1所示。結(jié)構(gòu)的平面布置相對較規(guī)則，核心筒貫通建筑物全高。核心筒高度296.27 m,最小寬度為22.2 m,高寬比為13.34，超過JGJ 3-2010高規(guī)[1]規(guī)定：7度區(qū)框架—核心筒最大高寬比為7的限值要求。高寬比的大小對整體結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的影響很大，因此針對本工程的特殊建筑要求，1層～36層核心筒外框柱采用十字形勁性型鋼混凝土柱來增加抗側(cè)力構(gòu)件的剛度，滿足規(guī)范的剛重比要求。

2 結(jié)構(gòu)設計初步分析

采用PKPM系列軟件之SATWE(V2.1版)首先對結(jié)構(gòu)進行多遇地震作用下的初步計算，主要計算參數(shù)取值情況見表1。

初步分析的主要技術(shù)指標結(jié)果見表2。依據(jù)《高規(guī)》規(guī)定：周期比限值為0.85；位移角不宜大于1/500；本層與相鄰上層的側(cè)向剛度比不宜小于0.9；B級高層建筑的層間受剪承載力不應小于其相鄰上一層受剪承載力的75%?？梢钥闯龀藗?cè)向剛度比不滿足規(guī)范要求外，其他各項主要整體指標均滿足規(guī)范要求。除此之外，部分連梁出現(xiàn)超筋，部分樓層外框架柱出現(xiàn)軸壓比超限情況，相應問題的解決措施如第3部分所述。

表1 結(jié)構(gòu)主要計算參數(shù)取值

表2 初步分析結(jié)構(gòu)主要分析結(jié)果

3 結(jié)構(gòu)設計問題的解決措施

3.1 連梁超限的問題

連梁對于框架—核心筒結(jié)構(gòu)尤為重要，它不僅起到連接墻肢的作用，在抗震過程中很好地發(fā)揮了核心筒剪力墻的延性，起到了第一道防線的重要作用。所以解決連梁超筋或剪壓比不滿足的問題至關(guān)重要。目前常用的解決連梁超限的方法主要有：1)遵循“強墻弱梁”的延性設計與良好耗能性能統(tǒng)一的原則，采用多連梁設計方法，即采用擠塑板填縫處理，在PKPM中時采用多縫連梁模擬，以弱化連梁剛度，合理化連梁配筋，同時也能保證不降低連梁的耗能能力及結(jié)構(gòu)整體剛度。2)通過在連梁上布置交叉斜筋或?qū)前祿谓鉀Q連梁超筋問題。3)對于部分剪壓比不滿足要求的連梁，可以在連梁內(nèi)加設型鋼。該工程局部樓層出現(xiàn)了連梁超筋現(xiàn)象，采用連梁設縫、布置交叉斜筋等措施已得到解決。

3.2 抗側(cè)剛度不滿足要求的問題

結(jié)構(gòu)由于相鄰樓層層高突變時，往往會在側(cè)向剛度偏小的樓層部位產(chǎn)生“軟弱層”現(xiàn)象，易引起樓層產(chǎn)生應力與變形的集中與放大，對抗震不利。

為了改善結(jié)構(gòu)樓層剛度突變幅度，常用的調(diào)整樓層剛度的方法有：

1)改變剪力墻厚度；2)改變混凝土標號；3)改變框架柱截面尺寸；4)改變框架梁截面；5)改變連梁截面；6)在層高突變層增加斜桿支撐。

有研究表明[3]，前四種方法對減小結(jié)構(gòu)樓層剛度突變的效果有限，而調(diào)整連梁截面和增加支撐對減小結(jié)構(gòu)樓層剛度突變效果比較明顯。因此針對本工程側(cè)向剛度突變問題，采用在突變樓層(即結(jié)構(gòu)第8層)增加斜桿支撐，見圖2。

3.3 外框柱軸壓比超限問題

根據(jù)《高規(guī)》11.4.4條，型鋼混凝土柱的軸壓比限值為0.70，對于剪跨比小于2的柱，其軸壓比限值為0.65。針對本工程中局部樓層軸壓比超限的外框柱采用增大柱截面尺寸或加大鋼骨截面尺寸等措施來解決柱軸壓比超限問題。

4 結(jié)構(gòu)超限分析

1)高度超限?！陡咭?guī)》第11.1.2條規(guī)定：型鋼框筒結(jié)構(gòu)使用的最大高度為190 m。而本工程結(jié)構(gòu)高度為296.27 m，結(jié)構(gòu)高度超限。

2)豎向不規(guī)則超限。由于結(jié)構(gòu)使用功能的需要，第8層的層高(8.9 m)明顯大于相鄰樓層層高(4.2 m)。第8層的側(cè)向剛度小于其上一層側(cè)向剛度的0.9倍，結(jié)構(gòu)屬于豎向不規(guī)則超限。

3)樓板開洞面積出現(xiàn)大于該層樓層面積的30%，造成了結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則超限。

針對以上超限情況，根據(jù)結(jié)構(gòu)的特殊性、設防烈度、場地條件、抗震設防類別等各項因素對結(jié)構(gòu)進行基于性能的抗震設計，將結(jié)構(gòu)抗震性能目標定為C，具體要求詳見表3，經(jīng)過模型優(yōu)化調(diào)整，結(jié)構(gòu)基本能達到預期的抗震性能目標。

表3 抗震性能目標C的具體要求

5 結(jié)構(gòu)彈性分析

多遇地震彈性計算采用建研院研發(fā)的SATWE(2013.10版)和PMSAP(2013.10版)，表4給出兩種軟件的計算結(jié)果。

表4 主要結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

從表4可以看出，PMSAP與SATWE兩個軟件的計算結(jié)果比較接近。周期比小于0.85，最大樓層位移比和最大層間位移比都小于1.2，滿足《高規(guī)》規(guī)定。在考慮雙向地震作用下的位移角最大值為1/811，小于《高規(guī)》的限值1/500，滿足規(guī)范要求。

由于塔樓的高度遠超100 m，需選取實際地震記錄和人工模擬加速度時程曲線，補充彈性時程分析計算。針對本工程選擇了3條用戶自定義的地震波對結(jié)構(gòu)進行彈性時程分析。基底剪力的計算結(jié)果見表5。

表5 基底剪力的計算結(jié)果

其中3條地震波作用下的樓層剪力平均值，除頂部8層外，都不大于振型分解反應譜計算的結(jié)果。比較發(fā)現(xiàn)頂部8層的樓層剪力比振型分解反應譜法求得的剪力大。這也進一步反映了反應譜法對高振型下的高柔結(jié)構(gòu)頂部鞭梢效應估計的缺陷，需要補充彈性時程分析。

6 罕遇地震下彈塑性動力時程分析

根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》[2](2010年版)規(guī)定對于8度Ⅲ,Ⅳ類場地和9度區(qū)高大的單層鋼筋混凝土柱廠房的橫向排架、7度～9度區(qū)樓層屈服強度系數(shù)小于0.5的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)和框排架結(jié)構(gòu)、高度大于150 m的結(jié)構(gòu)、甲類建筑和9度時乙類建筑中的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)、采用隔震和消能減震設計的結(jié)構(gòu)，需要進行彈塑性變形驗算。所以針對本工程，采用建研院研發(fā)的彈塑性動力分析軟件EPDA。

選用兩組實際地震波和一組人工波，按雙向地震輸入，主次方向加速度峰值比為1∶0.85，主方向地震峰值加速度為220 cm/s2,混凝土本構(gòu)采用三線性模型，鋼材本構(gòu)采用雙折線模型。

通過觀察結(jié)構(gòu)塑性發(fā)展的時程動畫，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)在大震下的塑性損傷順序為：核心筒連梁及外圍框架梁→核心筒連梁→與連梁相連的核心筒剪力墻邊緣→加強層斜撐，外框基本沒有出現(xiàn)塑性損傷。其中45層～47層和結(jié)構(gòu)頂部幾層有較多墻體出現(xiàn)裂縫，這些需作為結(jié)構(gòu)的薄弱部位，設計時需適當提高配筋率。

7 結(jié)論與建議

本文結(jié)合某超高層框架—核心筒結(jié)構(gòu)的工程實例和相關(guān)抗震設計規(guī)范，從結(jié)構(gòu)初步分析、問題解決措施、結(jié)構(gòu)抗震性能目標確定、彈性反應譜分析以及彈性和彈塑性動力時程分析等方面詳細論述了超高層框架—核心筒的設計過程。

研究分析結(jié)論如下：

1)可采用設置多連梁，即采用擠塑板填縫處理連梁，或通過在連梁上布置交叉斜筋或?qū)前祿谓鉀Q連梁超筋問題?？刹捎眠B梁內(nèi)加設型鋼解決連梁剪壓比不滿足要求的問題。

2)對于結(jié)構(gòu)存在側(cè)向剛度突變的情況，調(diào)整連梁截面和增加支撐對減小結(jié)構(gòu)樓層剛度突變效果較明顯。

3)對于高柔結(jié)構(gòu)，需要對結(jié)構(gòu)進行動力時程分析，對于結(jié)構(gòu)薄弱部位，設計時應提高抗震措施。

[1] JGJ 3-2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[2] GB 50011-2010，建筑抗震設計規(guī)范[S].

[3] 許崇偉，黃勤勇.層高突變對高層建筑樓層剛度的影響及其對策[J].建筑科學，2006(1)：13-15.

[4] 孫 垚.框架—核心筒結(jié)構(gòu)設計分析探討[J].工業(yè)建設與設計，2011(16)：29-31.

[5] 高立人，方鄂華，錢稼茹.高層建筑結(jié)構(gòu)概念設計[M].北京：中國計劃出版社，2005.

[6] 呂西林.超限高層建筑工程抗震設計指南[M].第2版.上海：同濟大學出版社,2009.

[7] 趙變青.某超限鋼筋混凝土框架—核心筒結(jié)構(gòu)設計[J].山西建筑，2012，38(35)：33-34.

Seismic performance design and optimization of the high-rise frame-core tube structure

HUANG Yi-ping

(ShanghaiJiankeNewStructuralTechnologyCo.,Ltd,Shanghai200023,China)

Combining the practical project and relevant codes, the performance objectives, excessive reinforcement of coupling beam, structural optimization plan, elastic response spectrum analysis, elastic and elastic-plastic dynamic time-history analysis are discussed in this paper. In the end, according to the analytical results, the expected seismic performance objectives are basically reached.

frame-core wall， seismic performance objective， time-history analysis

1009-6825(2014)16-0048-03

2014-03-28

黃怡萍(1977- )，女，工程師

TU352.11

A