廣州某超限高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

楊志強(qiáng),劉洋,王素裹

(1.廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)研究院 廣東廣州 510060；2.福州大學(xué)土木工程學(xué)院 福建福州 350116)

廣州某超限高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

楊志強(qiáng)1,劉洋1,王素裹2

(1.廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)研究院 廣東廣州 510060；2.福州大學(xué)土木工程學(xué)院 福建福州 350116)

廣州某超高層建筑A、B塔地上為42層，主要高度153.9m，采用鋼筋混凝土框架—核心筒結(jié)構(gòu)體系。針對該超高層結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，超限內(nèi)容較多，體型不規(guī)則的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了性能化設(shè)計(jì)，根據(jù)性能化設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)計(jì)算及關(guān)鍵構(gòu)件的分析與設(shè)計(jì)，對今后類似的工程設(shè)計(jì)提供一定參考。

超高層建筑；性能目標(biāo)； 結(jié)構(gòu)計(jì)算

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1 工程概況

廣州某商業(yè)廣場項(xiàng)目位于廣州市番禺區(qū)萬博大道與漢溪大道交匯處?？偨ㄖ娣e345668m2，地上建筑面積242230m2，地下建筑面積105439m2。超高層寫字樓A、B塔地上為42層，地下3層，主要高度153.9m。建筑效果圖見(圖1)，剖面圖見(圖2)。

圖1 建筑效果圖圖2 建筑剖面圖

本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級；抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10g，特征周期0.35s，抗震設(shè)防分類為丙類?；撅L(fēng)壓強(qiáng)度驗(yàn)算時(shí)按100年重現(xiàn)期的基本風(fēng)壓值0.66kN/m2采用，位移驗(yàn)算時(shí)按按50年重現(xiàn)期的基本風(fēng)壓值0.60kN/m2采用，建筑物地面粗糙度為B類，風(fēng)荷載體型系數(shù)取1.4。

2 結(jié)構(gòu)體系

根據(jù)本工程塔樓和裙房連為一體的特點(diǎn)，確定采用鋼筋混凝土框架—核心筒結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)體系。核心筒外墻厚度從下到上由800mm減小到550mm；外框架柱截面由1600mmx1600mm減小到1200mmx1200mm；標(biāo)準(zhǔn)層采用鋼筋混凝土樓蓋體系，板厚h=110mm， 5層樓面(裙房開大洞)板厚為150mm，6層樓面(裙房頂)和屋面板，板厚h=150mm。塔樓結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層平面圖參見(圖3)。

圖3 塔標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置圖

3 工程場地安全性評價(jià)

根據(jù)廣東省工程防震研究院所作《工程場地地震安全性評價(jià)報(bào)告》有關(guān)結(jié)論如下：工程場地覆蓋層厚度3～20m，等效波速190.8～240.0 m/s，場地土類型中軟土～中硬土，場地類別為Ⅱ類；根據(jù)場地地震測試孔鉆探揭露，未發(fā)現(xiàn)有活動(dòng)性斷裂通過；場地內(nèi)不存在飽和砂土層和較厚的軟土層，不會(huì)發(fā)生砂土液化和軟土震陷現(xiàn)象，屬于抗震有利地段。地震參數(shù)如(表1、2、3)。

表1 工程場地63%、10%和2%的地震烈度及基巖加速度峰值

表2 工程場地水平的地面加速度峰值平均值

表3 設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)與規(guī)范值

4 結(jié)構(gòu)超限情況和性能化抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)

4.1 結(jié)構(gòu)超限情況

參照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]、《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[2]和《廣東省超限高層建筑工程抗震設(shè)防審查細(xì)則》[3]有關(guān)規(guī)定，本工程結(jié)構(gòu)主要超限情況見下(表4)：

表4 結(jié)構(gòu)主要超限情況表

4.2 性能化抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)

針對本工程結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和超限內(nèi)容，按《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》本工程各構(gòu)件性能化設(shè)計(jì)指標(biāo)見(表5)：

表5 結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵部位性能目標(biāo)及驗(yàn)算結(jié)果匯總

5 主要計(jì)算分析結(jié)果

5.1 彈性整體計(jì)算

選用SATWE軟件和Midas-building軟件分別進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體分析，主要計(jì)算結(jié)果詳見(表6)。兩個(gè)軟件風(fēng)荷載及地震作用計(jì)算值有些差異，但差異不大，在合理的范圍之內(nèi)。

表6 主要計(jì)算結(jié)果匯總

5.2 結(jié)構(gòu)的彈性時(shí)程分析

采用SATWE程序?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了常遇地震下的彈性時(shí)程分析。彈性時(shí)程分析采用的3條地震波； 分別為天然波TH1TG040、天然波TH4TG040、人工波DZ1AUser1，其記錄步長均為 0.02秒；其中USER1為廣東省工程防震研究院所作《場地地震安全性評價(jià)報(bào)告》提供的人工模擬的加速度時(shí)程曲線，TH1TG040、TH24TG040則為實(shí)測天然波的加速度時(shí)程曲線。三條地震波作用下結(jié)構(gòu)彈性時(shí)程反應(yīng)與規(guī)范反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果比較如(表7)所示。

表7 時(shí)程分析計(jì)算參數(shù)和結(jié)果摘要

彈性時(shí)程分析結(jié)論：

a.時(shí)程分析結(jié)果滿足平均底部剪力不小于振型分解反應(yīng)譜法結(jié)果的80%，每條地震波底部剪力不小于反應(yīng)譜法結(jié)果的65%的條件；

b.由上述計(jì)算結(jié)果對比可見，彈性時(shí)程分析的樓層反力和位移平均值小于規(guī)范反應(yīng)譜結(jié)果，反應(yīng)譜分析結(jié)果在彈性階段對結(jié)構(gòu)起控制作用。

c．樓層位移曲線下部以彎曲型為主，上部以剪切型為主，位移曲線光滑無突變，反映結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度較為均勻。

d．各條時(shí)程地震波下的層間位移角曲線形狀均較相似。

5.3 中震彈性分析

根據(jù)“中震可修”的原則，允許結(jié)構(gòu)次要部位開裂，即對應(yīng)作為第一道防線的剪力墻連梁開裂、剛度折減至0.4，考慮在中震作用下框架梁的開裂，同時(shí)按規(guī)范規(guī)定中震(50年，10%概率)地震影響系數(shù)0.23輸入，計(jì)算同時(shí)需考慮結(jié)構(gòu)的P-Δ效應(yīng)，整體分析仍按基于彈性的振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算。分析中震計(jì)算結(jié)果最大位移(見圖4)：X向?yàn)?/405、Y向?yàn)?/ 510，計(jì)算剪力墻加強(qiáng)區(qū)邊緣構(gòu)件按中震彈設(shè)計(jì)。

圖4 塔樓中震作用下位移曲線圖

5.4 靜力(PUSHOVER)彈塑性分析

本工程采用PPUSHOVER分析評價(jià)結(jié)構(gòu)在大震作用下是否能滿足預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)性能。PUSHOVER分析中控制性參數(shù)選取：目標(biāo)位移為1.53m[為樓高(包括地下室及屋頂)的1/100]，側(cè)向荷載模式為倒三角模式，考慮P—△效應(yīng)，考慮初始重力荷載，計(jì)算X與Y向地震作用。

圖5 X、Y向大震作用下能力譜-需求譜曲線

7 結(jié)論

綜上所述，本工程雖然為B級高層建筑適用高度，結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，存在多項(xiàng)不規(guī)則，但在設(shè)計(jì)中采用性能設(shè)計(jì)方法，根據(jù)抗震原則及建筑特點(diǎn)，對整體結(jié)構(gòu)體系及布置進(jìn)行仔細(xì)的考慮并作優(yōu)化，使之具有良好的結(jié)構(gòu)性能。在抗震設(shè)計(jì)中，除保證結(jié)構(gòu)在小震下完全處于彈性階段外，還補(bǔ)充了主要構(gòu)件在中震下表現(xiàn)的性能要求，再采取多種計(jì)算程序進(jìn)行了彈性、彈塑性的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明，多項(xiàng)指標(biāo)均表現(xiàn)得較為良好，基本滿足規(guī)范的有關(guān)要求，使可控制的不規(guī)則程度得到基本有效控制。同時(shí)又通過概念設(shè)計(jì)及各階段的計(jì)算程序分析結(jié)果，對關(guān)鍵和重要構(gòu)件作了適當(dāng)加強(qiáng)，在構(gòu)造措施方面亦相應(yīng)作了處理，以達(dá)到結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防目標(biāo)。

[1]GB50011-2010 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]JGJ3-2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程[S].

[3]廣東省超限高層建筑工程抗震設(shè)防審查細(xì)則[S].

大震作用下X向與Y向能力譜-需求譜曲線見(圖5)。圖上可以看出，結(jié)構(gòu)在X方向需求層間位移角為1/126，需求點(diǎn)對應(yīng)的總荷載步號為63；Y方向需求層間位移角為1/204, 需求點(diǎn)對應(yīng)的總荷載步號為32；均滿足罕遇地震下規(guī)范規(guī)定變形要求。

X、Y方向?qū)?yīng)步號相對的結(jié)構(gòu)桿端塑性狀態(tài)圖見(圖6)?？梢钥闯觯Y(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下，連梁大部分開裂，塑性鉸大部分都出現(xiàn)在水平構(gòu)件，主要集中在底部加強(qiáng)層區(qū)域內(nèi)；在性能點(diǎn)處，核心筒剪力墻四周出現(xiàn)裂縫，尤其是底部加強(qiáng)區(qū)內(nèi)較為嚴(yán)重，應(yīng)對底部剪力墻墻肢及全樓層核心筒四周采取加強(qiáng)措施。

(a)X向第63步 (b)Y向第32步

6 結(jié)構(gòu)超限的主要措施

根據(jù)分析結(jié)果，采取以下加強(qiáng)措施：①對底部加強(qiáng)部位的鋼筋混凝土核心筒剪力墻，抗震等級取特一級，底部加強(qiáng)部位核心筒墻按中震彈性設(shè)計(jì)；②對B-4塔五層夾層樓板，采取加強(qiáng)板厚由120mm加強(qiáng)到150mm，局部200mm，每層每向配筋率不少于0.30%；③裙房頂層與塔樓相鄰跨區(qū)域樓板均加強(qiáng)板厚由120mm加強(qiáng)到150mm，每層每向配筋率不少于0.30%；④對核心筒區(qū)域采用加強(qiáng)構(gòu)造措施，如核心筒四個(gè)角部采用約束構(gòu)件直通到頂層、核心筒每個(gè)樓層設(shè)暗梁等，進(jìn)而提高整個(gè)核心筒的延性。

The Discussion of the Structure Design of a Super-High Rise Building in Guangzhou

YANGZhiqiang1,LIUYang1,WANGSuguo2

(1.Guangzhou Urban Planning & Design Survey Research Institute Guangzhou, 510060;2.Civil Engineering College, Fuzhou University Fuzhou, 350116)

A super-high rise building in Guangzhou consists of 42 floors above the ground. The main height of the building is 153.9 meters. The structure of the building used the reinforced concrete frame-core tube system. A performance based structure design was adopted in order to solve the structural complexity involved in the design. A series of structural calculation, analysis and design were conducted based on the performance based design, to provide a reference for future similar project design.

Super-high rise building; Performance objectives; Structural calculation

楊志強(qiáng)(1982- )，男，工程師。

2015-03-21

TU973

A

1004-6135(2015)04-0059-05