貴陽某超高層辦公樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

楊 瞻 馬改改 楊珂懿

(1．貴陽市建筑設(shè)計(jì)院有限公司，貴州貴陽 550000;2．上海大同一鋼建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司貴州分公司，貴州貴陽 550000)

1 工程概況

本工程位于貴州省貴陽市富源路，建筑面積72 962．14 m2，層數(shù)為(－1+5+38)層。本棟與其余三棟塔樓一起組成A組團(tuán)。四棟塔樓以地下室頂板作為嵌固端。裙樓主要功能為商業(yè)、車庫，塔樓主要功能為辦公，結(jié)構(gòu)高度為177．1 m。效果圖如圖1所示。

A1棟結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土框架—核心筒結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)高寬比為5．4，核心筒高寬比為14．8，抗震設(shè)防烈度為6度(0．05g)，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，設(shè)計(jì)特征周期為0．25 s，建筑場(chǎng)地類別為Ⅰ類。W0=0．30 kN/m2(承載力計(jì)算時(shí)取1．1倍)，地面粗糙度類別C類。

本工程結(jié)構(gòu)由于屬于B級(jí)超高層建筑，因此需要進(jìn)行小震作用下的彈性分析，中震作用下的彈性和不屈服分析，以及大震作用下動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析，以評(píng)估結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件的性能表現(xiàn)。

2 結(jié)構(gòu)體系及平面布置

本工程采用全現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架—核心筒結(jié)構(gòu)，為減少底部柱斷面，地下室及下部15層柱采用型鋼混凝土柱。結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層典型平面尺寸為33 m×45 m，塔樓標(biāo)準(zhǔn)層平面布置如圖2所示。

圖1 效果圖

圖2 標(biāo)準(zhǔn)層平面布置圖

3 超限分析及性能目標(biāo)

根據(jù)規(guī)范要求，本工程主要的超限內(nèi)容為:房屋高度超限，存在兩項(xiàng)一般不規(guī)則(扭轉(zhuǎn)位移比大于1．2，相鄰層受剪承載力變化大于80%)。根據(jù)不同部位構(gòu)件的重要性，參照J(rèn)GJ 3-2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程以及GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，對(duì)塔樓構(gòu)件的抗震性能目標(biāo)進(jìn)行了確定(抗規(guī)的性能目標(biāo)3，高規(guī)的性能目標(biāo)C)，具體如表1所示。

表1 構(gòu)件抗震性能指標(biāo)

4 多遇地震下振型分解反應(yīng)譜計(jì)算分析

本工程采用了兩套計(jì)算軟件，PM-SATWE，MIDASBUILDING程序，進(jìn)行了整體抗震分析，結(jié)構(gòu)彈性整體分析主要計(jì)算結(jié)果如表2所示。

通過兩個(gè)程序的整體計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析可見，計(jì)算結(jié)果相差在10%以內(nèi)，說明計(jì)算結(jié)果有效可靠。

結(jié)構(gòu)振型圖如表3所示，由振型圖可知，辦公樓結(jié)構(gòu)第一階振型為平動(dòng)振型(X方向平動(dòng))，第二階為平動(dòng)振型(Y方向平動(dòng))，第三階振型為扭轉(zhuǎn)振型;第一階扭轉(zhuǎn)振型出現(xiàn)在第三階，其與第一階的周期比為0．656，小于規(guī)范規(guī)定的0．9。

5 彈性時(shí)程分析

根據(jù)規(guī)范要求，對(duì)于B級(jí)高度超高層建筑，需補(bǔ)充彈性時(shí)程分析，地震波時(shí)程曲線圖及三條波對(duì)應(yīng)的反應(yīng)譜平均與規(guī)范反應(yīng)譜對(duì)比詳見圖3。

通過彈性時(shí)程計(jì)算表明:

1)每條時(shí)程曲線計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力均大于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的65%，三條時(shí)程曲線計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力平均值大于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的80%，因此選用的地震波滿足規(guī)范的相關(guān)要求。

表2 結(jié)構(gòu)彈性分析主要結(jié)果

表3 結(jié)構(gòu)振型圖

2)時(shí)程分析法與振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果顯示，二者計(jì)算的結(jié)構(gòu)反應(yīng)特征、變化規(guī)律基本一致，結(jié)果合理可信。

3)第三條地震波時(shí)程分析的結(jié)果略大于振型分解反應(yīng)譜法結(jié)果。根據(jù)《抗規(guī)》要求，計(jì)算結(jié)果取時(shí)程法的包絡(luò)值和振型分解反應(yīng)譜法的較大值，本工程在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)振型分解反應(yīng)譜法結(jié)果按比例放大進(jìn)行計(jì)算。時(shí)程分析得到的X向基底剪力包絡(luò)值是反應(yīng)譜計(jì)算得到的基底剪力值的1．22倍，因此在施工圖設(shè)計(jì)中將該方向的反應(yīng)譜地震力放大1．22倍進(jìn)行構(gòu)件的設(shè)計(jì)和計(jì)算。

6 中震及大震驗(yàn)算

為達(dá)到設(shè)防地震作用下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)，即除豎向構(gòu)件外均按中震不屈服設(shè)計(jì)。為簡(jiǎn)化分析，整體結(jié)構(gòu)按中震不屈服設(shè)計(jì)，然后與小震彈性的設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行比較，豎向構(gòu)件的設(shè)計(jì)取包絡(luò)值，框架梁和連梁的設(shè)計(jì)取小震計(jì)算結(jié)果。

中震作用下結(jié)構(gòu)層間位移角，X方向按中震不屈服的最大層間位移角為1/840，Y方向按中震不屈服的最大層間位移角為1/822，層間位移角滿足性能目標(biāo)的層間位移角限值1/344的要求。中震不屈服層間位移角如圖4所示。

圖3 三條波對(duì)應(yīng)的反應(yīng)譜平均與規(guī)范反應(yīng)譜的對(duì)比圖

圖4 中震不屈服層間位移角圖

7 動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析

各條地震波作用下結(jié)構(gòu)的層間位移角及樓層剪力，具體詳見表4。

表4 各條地震波大震作用計(jì)算結(jié)果

在考慮重力二階效應(yīng)及大變形的條件下，結(jié)構(gòu)罕遇地震作用下最大彈塑性層位移角為1/388，滿足規(guī)范限值及性能目標(biāo)要求。

現(xiàn)列出反應(yīng)最大的天然波2在損傷最嚴(yán)重的時(shí)刻框架塑性鉸分布圖及剪力墻損傷圖，具體詳見圖5。

圖5 結(jié)構(gòu)塑性鉸出鉸圖及剪力墻損傷圖

根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果，結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下性能做出如下綜合評(píng)價(jià):

1)結(jié)構(gòu)主要耗能構(gòu)件為連梁，罕遇地震作用下屈服，起到耗能作用保護(hù)豎向構(gòu)件;少量框架柱進(jìn)入屈服狀態(tài)，主要集中于裙房頂層及屋頂層，但塑性變形程度不高，處于第一屈服階段，不影響結(jié)構(gòu)延性破壞機(jī)制;

2)大量剪力墻墻肢基本無損傷;僅剪力墻洞口附近用殼單元模擬的連梁損傷;

3)主體結(jié)構(gòu)在各組地震波作用下，最大彈塑性層間位移角為1/388，滿足規(guī)范限值及性能目標(biāo)要求。

基于以上結(jié)構(gòu)構(gòu)件變形和強(qiáng)度分析，主要抗側(cè)力構(gòu)件沒有發(fā)生嚴(yán)重破壞，結(jié)構(gòu)豎立不倒，連梁屈服耗能，部分框架梁參與塑性耗能，結(jié)構(gòu)在大震作用下的彈塑性反應(yīng)及破壞機(jī)制，符合結(jié)構(gòu)抗震工程的概念設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了“大震不倒”的抗震設(shè)防要求。

8 根據(jù)超限審查意見進(jìn)行的加強(qiáng)措施

本工程雙筒之間樓板開洞較多，現(xiàn)將雙筒之間的電梯井用剪力墻圍合，同時(shí)考慮到該處樓板應(yīng)力較為集中，施工圖階段將對(duì)該樓樓板整體進(jìn)行加強(qiáng)處理，提高配筋率、增加樓板厚度，具體詳見圖6。

圖6 核心筒加強(qiáng)構(gòu)造示意圖

9 結(jié)語

本工程結(jié)構(gòu)高度超限、平面和豎向基本規(guī)則。整體采用了抗震性能好的框架—核心筒結(jié)構(gòu)體系;并針對(duì)本工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)采取了一系列抗震計(jì)算、驗(yàn)算及抗震構(gòu)造加強(qiáng)措施。計(jì)算采用了多個(gè)有效的程序進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算參數(shù)完整、準(zhǔn)確，其計(jì)算結(jié)果可信且滿足規(guī)范要求。

本工程能滿足相應(yīng)的抗震設(shè)計(jì)各項(xiàng)規(guī)范要求和抗震性能目標(biāo)要求，能做到“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震目標(biāo)。

［1］ GB 50011-2010，建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．

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

［3］ 結(jié)構(gòu)大師非線性分析［M］．北京:北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司，2009．

［4］ Satwe S-3多層及高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析與設(shè)計(jì)軟件用戶手冊(cè)［M］．北京:中國建筑科學(xué)研究院PKPMCAD工程部，2010．