廈門某超限高層框-筒結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

陳國春

(中元(廈門)工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，福建 廈門 361004)

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廈門某超限高層框-筒結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

陳國春

(中元(廈門)工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，福建 廈門 361004)

摘要：以廈門某國際廣場超限高層框架核心筒結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)為例，采用SATWE進(jìn)行了3種墻柱截面設(shè)計(jì)方案的比選，用SATWE和PMSAP兩種軟件對所選方案在水平荷載作用下進(jìn)行了計(jì)算和對比分析，兩軟件計(jì)算結(jié)果基本吻合，分析結(jié)果表明,所選方案滿足規(guī)范要求。

關(guān)鍵詞：超高層； 框架核心筒結(jié)構(gòu)； 抗震設(shè)計(jì)； 方案比選

沿海發(fā)達(dá)城市中超出我國現(xiàn)行《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[ 1 ]限值的百米以上建筑越來越多。由于其所受的水平荷載和豎向荷載均遠(yuǎn)高于一般的高層建筑，特別是存在大空間、設(shè)置轉(zhuǎn)換層和樓層開洞等對抗震不利的問題，如何發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的薄弱部位并于設(shè)計(jì)中給予加強(qiáng)，確保結(jié)構(gòu)安全與經(jīng)濟(jì)，給設(shè)計(jì)師帶來了一系列新的挑戰(zhàn)。本文以廈門某國際廣場超限高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)為例，通過對比分析闡述了超限高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)思路，供同行參考。

1　工程概況

該工程項(xiàng)目位于廈門市新規(guī)劃的湖里區(qū)高林片區(qū)商務(wù)區(qū)內(nèi)。辦公樓總高度141.5 m，總建筑面積 63 088 m2，主樓地上34層、地下3層。建筑平面接近矩形，其標(biāo)準(zhǔn)層平面尺寸為46.6 m × 40.2 m，開間尺寸除C-D軸大堂入口為12.2 m外其余為 9.0 m，跨度11.3 m且每邊各挑出2.0 m，高寬比3.8。標(biāo)準(zhǔn)層平面圖和剖面圖見圖1。

2　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1結(jié)構(gòu)選型

根據(jù)建筑內(nèi)部功能布局特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)將豎向交通樞紐的中心區(qū)作為核心筒，圍繞核心筒四周輔以相應(yīng)的梁和柱，使豎向結(jié)構(gòu)在平面布置上基本對稱均勻，形成沿豎向貫通落地的剪力墻結(jié)構(gòu)和四周大跨度的鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系。筒體尺寸為20.9 m(X向)×15.3 m(Y向)，

圖1　建筑剖面圖Fig.1　Section of out-of-codes high rise building at Xiamen International Plaza

核心筒最大高寬比為8.9。外框架基本柱網(wǎng)為9.00 m ×11.3 m。在設(shè)計(jì)的過程中，考慮到甲方對層高要求較高，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)將影響層高的框架梁設(shè)計(jì)成寬扁梁，從而增加建筑樓層的凈高。標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置見圖2 。

圖2　標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)布置圖(單位：mm)Fig.2　Typical storey structure layout(unit：mm)

2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

2.3結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及存在問題

1)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，主體建筑高度超過了《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定中的A級高度130 m，少于B級高度180 m；

2)二層存在樓板開洞面積超過樓面面積30%的情況，有38%框架柱為穿層柱，存在樓板不連續(xù)、長短柱共同受力的情況；

表1　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)表Tab.1　Parameters of structure design

3)框架開間最大12.2 m，且跨度為11.3 m，均較大，外圍框架剛度小，扭轉(zhuǎn)位移比偏大。

2.4結(jié)構(gòu)材料及截面尺寸的選定

工程位于7度區(qū)，基本地震加速度0.15g，基本風(fēng)壓為0.80 kPa，地面粗糙度B類，地震作用與風(fēng)荷載均較大，其受力和變形有可能受地震或風(fēng)荷載的控制。由于核心筒面積大且高寬比達(dá)3.8，因此，合理選擇框架柱截面的尺寸和材料，以滿足框剪比的要求是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的關(guān)鍵。

基于工程特點(diǎn)及重要性，抗震性能目標(biāo)定為D級。底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻抗剪承載力按中震彈性、抗彎承載力按中震不屈服設(shè)計(jì)；底部加強(qiáng)區(qū)框架柱抗彎和抗剪承載力均按中震彈性設(shè)計(jì)，其余框架柱的抗剪承載力按中震彈性、抗彎承載力按中震不屈服設(shè)計(jì)。在綜合考慮安全、經(jīng)濟(jì)合理和滿足建筑功能的各方因素后，對結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件選擇見表2。采用高層建筑結(jié)構(gòu)分析軟件SATWE進(jìn)行初步計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表3、4和5，3種方案各樓層框剪比曲線圖見圖3。對比結(jié)果表明,選擇方案1其框剪比大于10%的樓層占了97%以上，周期比小于0.85，均可滿足抗震規(guī)范要求，同時(shí)還符合建筑功能要求，且造價(jià)最合理。

表2　構(gòu)件截面選用方案Tab.2　Scheme of member section

表3　各方案水平荷載作用下主要計(jì)算結(jié)果Tab.3　The main calculation result of each scheme under horizontal loads

圖3　各方案框架柱剪力比曲線圖Fig.3　The shear ratio of frame to corewall of each scheme

從3個(gè)方案的計(jì)算結(jié)果可以看出：

1)3種方案均能滿足規(guī)范要求；

2)框架柱中添加型鋼能改善結(jié)構(gòu)的性能，提高框架柱的延性，并減少框架柱的尺寸；

3)只在底部四層柱采用型鋼混凝土柱的方案1對結(jié)構(gòu)性能的改善效果雖然不及全部框架柱均采用型鋼混凝土柱，但相對于方案2已有明顯的改善且用鋼量遠(yuǎn)小于方案3；

4)雖然廈門地區(qū)的基本風(fēng)壓值達(dá)0.8 kPa，但對于接近150 m的超高層建筑其水平荷載作用下的內(nèi)力與變形仍小于7度抗震設(shè)防下地震作用效果。

據(jù)此選擇方案1作為本工程最終方案。

表4按框架剪力比劃分的樓層數(shù)比例

Tab.4The percentage (ratio of the number) of storey divided by frame’s shear ratio

方案所占樓層比例/%>8>10>15197.197.168.62100.094.380.0394.385.728.6

表5各方案用料量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

Tab.5Statistical result of materials amount used in each scheme

方案混凝土用量總量/m3單方用量/(m3·m-2)鋼筋用量總量/t單方用量(kg·m-2)型鋼用量總量/t單方用量/(kg·m-2)1230800.353429265.63455.32231430.354431966.03225830.345413763.2164525.1

3　設(shè)計(jì)軟件與參數(shù)的選用

按規(guī)定，復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)需要2種計(jì)算軟件校核設(shè)計(jì)，PKPM系列軟件中的SATWE與PMSAP由兩隊(duì)開發(fā)人員獨(dú)立完成。PMSAP側(cè)重考慮各種復(fù)雜情況，在結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)方面兩款軟件的功能基本相當(dāng)，兩軟件均可與PMCAD接口，因而可避免重復(fù)繁瑣的建模，減少因建模錯誤給對比工作帶來麻煩。PUSH&EPDA軟件是完全基于空間模型編制的，計(jì)算模型可較真實(shí)地模擬結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，盡可能避免因模型帶來的計(jì)算誤差。EPDA程序提供了計(jì)算3向地震功能，可為用戶提供不同特征周期3個(gè)方向地震波庫。另外，PUSH&EPDA還提供了動力彈塑性時(shí)程分析功能和靜力彈塑性分析功能。因此，工程選用中國建筑科學(xué)研究院PKPM工程部的SATWE(2010年9月版) 、PUSH&EPDA(2010年9月版)及PMSAP進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算。取地下一層頂板作為嵌固端，重力荷載代表值由附加荷載和軟件自動計(jì)算的自重組成。其余靜荷載和活荷載以面荷載、線荷載或點(diǎn)荷載的形式施加。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[ 2](GB 50009-2012)、《混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范》[3](GB50010-2010)和《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[4](GB50011-2010)中規(guī)定的荷載組合進(jìn)行構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)和變形驗(yàn)算。SATWE和PMSAP主要分析多遇地震下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，PUSH&EPDA對罕遇地震下彈塑性動力性能進(jìn)行分析。

梁扭矩折減系數(shù)取0.4，計(jì)算時(shí)考慮雙向地震扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，梁端彎矩調(diào)幅系數(shù)為0.85，連梁剛度折減系數(shù)為0.6，反應(yīng)譜分析時(shí)均取18階振型，質(zhì)量參與系數(shù)均超過90%，驗(yàn)算時(shí)樓層水平地震剪力按抗震規(guī)范5.2.5條調(diào)整。

4　計(jì)算結(jié)果對比分析

4.1多遇地震作用下的計(jì)算分析

幾款空間分析軟件整體結(jié)構(gòu)的主要計(jì)算結(jié)果及相互對比見表6～9所示。

表6結(jié)構(gòu)剪重比與有效質(zhì)量系數(shù)

Tab.6Structural shear ratio and efficient mass coefficient

計(jì)算軟件結(jié)構(gòu)總重G/t剪力系數(shù)Vx/GVy/G有效質(zhì)量系數(shù)XYSATWE949130.02470.02490.9530.940PMSAP946230.02550.02500.9570.945

表7周期、平動和扭轉(zhuǎn)系數(shù)

Tab.7Period, translational coefficient and torsional coefficient

振型號振動周期/sSATWEPMSAP平動系數(shù)SATWEPMSAP扭轉(zhuǎn)系數(shù)SATWEPMSAPI3.2063.2131.001.000.000.0023.1163.1281.001.000.000.0032.6452.6450.010.010.990.99

表8水平荷載作用下基底剪力及傾覆力矩

Tab.8Base shear and overturning moment under horizontal loads

計(jì)算軟件作用方向地震力基底剪力/kN傾覆力矩/kN風(fēng)荷載基底剪力/kN傾覆力矩/kNSATWEX234001870567158411338203Y236501838630176141485810PMSAPX241071892792157731335468Y236851841002176141483168

表9水平荷載作用下結(jié)構(gòu)的位移角、位移比

Tab.9Structural displacement angle and displacement ratio under horizontal loads

計(jì)算軟件作用方向最大層間位移角/rad地震力風(fēng)荷載規(guī)定水平力作用下最大扭轉(zhuǎn)位移比SATWEX1/9301/15611.16Y1/8211/12181.32PMSAPX1/10391/19371.17Y1/8241/13321.33

4.2多遇地震作用下的彈性時(shí)程分析

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[4](GB 50011—2010)規(guī)定，本工程應(yīng)采用時(shí)程分析法進(jìn)行多遇地震下的補(bǔ)充計(jì)算，選取兩條天然波和一條人工波，選用T634和TH3TG045作為天然波，RH4TG045作為人工波進(jìn)行計(jì)算。PMSAP和SATWE彈性時(shí)程分析與反應(yīng)譜分析基底剪力及最大層間位移角比較分別見表10、11，時(shí)程分析得到的樓層剪力、樓層層間位移角等與反應(yīng)譜分析(CQC法)結(jié)果進(jìn)行對比，如圖4、5所示。表10表明，兩種軟件計(jì)算的結(jié)構(gòu)底部剪力均不小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的65%，3條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力，其平均值不小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的85%；由表11可得，層間位移的時(shí)程分析計(jì)算結(jié)果與反應(yīng)譜分析結(jié)果基本相同，且滿足規(guī)范1/800的要求；從圖4和5可以看出，X和Y方向反應(yīng)譜分析結(jié)果基本上大于時(shí)程分析計(jì)算所得的結(jié)果，只有頂部幾層略小于時(shí)程分析，采取地震力放大辦法的設(shè)計(jì)值，反應(yīng)譜分析的地震影響系數(shù)曲線偏于安全，且從以上分析可以看出該結(jié)構(gòu)無薄弱層，PMSAP與SATWE兩種軟件時(shí)程分析計(jì)算結(jié)果非常接近，表明計(jì)算參數(shù)及建模是合理正確的。

圖4　樓層剪力包絡(luò)圖Fig.4　Storey shear envelope diagram

表10　彈性時(shí)程分析與反應(yīng)譜分析基底剪力Tab.10　Base shear via elastic time-history analysis and spectrum response analysis

表11　彈性時(shí)程分析與反應(yīng)譜分析最大層間位移角Tab.11　The biggest structural displacement angle of elastic time-history analysis and spectrum response analysis

圖5　最大層間位移角Fig.5　The biggest storey structural displacement angle

4.3罕遇地震作用下靜力彈塑性分析

靜力彈塑性(Pushover)分析主要從層間位移角和損傷性分析兩個(gè)角度進(jìn)行。

4.3.1罕遇地震下位移分析

從圖6的分析可以看出，能力曲線與需求曲線交點(diǎn)所對應(yīng)的層間位移角為1/110和1/148，均不超過規(guī)范所規(guī)定的層間彈塑性位移角限值1/100，且最大層間位移角分別位于17層和22層，于上部1/3 樓層高度，滿足“大震不倒”性能水準(zhǔn)。

圖6　能力需求曲線

4.3.2主要受力構(gòu)件彈塑性損傷分析

X向加載至第17步時(shí)，15～21層1/D軸的2/2～1/3軸段連梁開始出現(xiàn)塑性鉸，往后其它層和部位連梁大面積出現(xiàn)塑性鉸；第20步，一層1/2軸剪力墻出現(xiàn)裂縫，到78步時(shí)底部5層出現(xiàn)裂縫；第75步，位于15層A軸4～5軸段外框架梁開始出現(xiàn)塑性鉸，往后其它層和部位外框架梁大面積出現(xiàn)塑性鉸；第130步，一層的1/D交1/4軸角部剪力墻出現(xiàn)塑性鉸；到性能點(diǎn)第165步時(shí)，連梁大面積出現(xiàn)塑性鉸，一層的1/4軸兩端小剪力墻出現(xiàn)塑性鉸，大部分框架梁出現(xiàn)塑性鉸，框架柱均未出現(xiàn)塑性鉸。

Y向加載至第18步時(shí)，底層1/B軸的1/2～2/2段墻出現(xiàn)裂縫；第25步時(shí)，13～19層1/4軸靠近1/B軸底部的連梁開始出現(xiàn)塑性鉸，往后其它層和其它部位連梁大面積出現(xiàn)塑性鉸；第53步，一層1/B交1/2軸處剪力墻開始出現(xiàn)塑性鉸；第57步，底部3層剪力墻出現(xiàn)塑性鉸，22～25層1軸的框架梁開始出現(xiàn)塑性鉸；到性能點(diǎn)第60步時(shí)，連梁大面積出現(xiàn)塑性鉸，1～3層剪力墻出現(xiàn)塑性鉸，局部框架梁出現(xiàn)塑性鉸，框架柱均未出現(xiàn)塑性鉸。

各加載步的桿端塑性角發(fā)展情況分析表明：

1)大震下結(jié)構(gòu)仍保持直立，且平均層間位移角均滿足要求，滿足了結(jié)構(gòu)“大震不倒”的設(shè)防水準(zhǔn)要求；

2)框筒結(jié)構(gòu)連梁最早出現(xiàn)塑性鉸，到性能點(diǎn)時(shí)大部分連梁發(fā)生損傷現(xiàn)象，起到了較好的耗能作用；

3)底部剪力墻出現(xiàn)裂縫較早，應(yīng)給予充分重視，避免剪力墻剛度大幅削弱，過早退出工作；

4)大震時(shí)剪力墻底部受損嚴(yán)重，應(yīng)給予加強(qiáng)；

5)框架柱在大震作用下整體性能良好，底部加強(qiáng)區(qū)以上柱不加型鋼也能滿足性能要求。

5　主要構(gòu)造措施

為了達(dá)到D級抗震性能設(shè)計(jì)目標(biāo)，除采用型鋼混凝土柱來減小構(gòu)件截面和提高結(jié)構(gòu)的延性性能外，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面還應(yīng)在重要區(qū)域采取相應(yīng)的構(gòu)造措施，例如提高底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻水平和豎向配筋率，增強(qiáng)剪力墻抗裂能力，底部加強(qiáng)區(qū)的混凝土筒體四角墻內(nèi)及墻-墻相交處增設(shè)型鋼柱，提高剪力墻塑性變形能力。所有框架柱均采用箍筋加強(qiáng)設(shè)計(jì)，確保第二道抗震防線。二層樓板開洞大，除加大樓板厚度外，采用雙層雙向配筋并增加其配筋率。外圍型鋼混凝土柱要求其含鋼率不小于4%，縱向鋼筋配筋率不小于0.8%等。

6　結(jié)語

1)對于接近150 m的超高層結(jié)構(gòu)且位于福建廈門風(fēng)荷載較大的地區(qū)，當(dāng)高寬比較小時(shí)，其7度設(shè)防的地震荷載起控制作用。

2)框-筒結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)的剛度及外框剪力分擔(dān)比是方案選擇的關(guān)鍵因素。

3)框-筒結(jié)構(gòu)的框架柱采用鋼筋混凝土柱與型鋼混凝土柱的方案均可行。型鋼混凝土柱的方案抗震性能最好但造價(jià)最高，鋼筋混凝土柱的方案造價(jià)最低，但抗震性能最差，同時(shí)因柱截面較大會影響建筑的空間使用。

4)選擇底部部分樓層采用型鋼混凝土柱其余為鋼混凝土柱的方案，既可滿足抗震規(guī)范要求，改善結(jié)構(gòu)的抗震性能，又可節(jié)約用鋼量，即以較小的投入代價(jià)換來較大的抗震性能改善。

5)在選定方案后應(yīng)選用兩種以上的高層建筑結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算和對比分析，并在結(jié)構(gòu)薄弱處采取相應(yīng)的構(gòu)造措施，以確保設(shè)計(jì)滿足小震不壞，中震可修，大震不倒的設(shè)計(jì)原則。同時(shí)最大限度減少了因?qū)τ?jì)算機(jī)和計(jì)算軟件的依賴所帶來結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)隱患。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范：GB50009-2012[S]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012．

[3] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范：GB50010-2010[S]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010．

[4] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范：GB50011—2010[S]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

(責(zé)任編輯： 陳雯)

Aseismatic design for an out-of-codes high-rise frame-corewall structure in Xiamen

Chen Guochun

(IPPR (Xiamen) Engineering Design and Research Institute Co., Ltd., Xiamen 361004, China)

Abstract：The sectional designs of three frame-corewall structure schemes of out-of-codes high-rise building at an international plaza in Xiamen were compared via SATWE.The main parameters of the selected scheme under horizontal loads were calculated and analysed with SATWE and PMSAP.The results indicate that the selected scheme can meet the standard requirements and the calculation results via the two softwares are essentially coincident.

Key words：out-of-codes high-rise building; frame-corewall structure; aseismatic design; scheme selection

doi:10.3969/j.issn.1672-4348.2016.04.002

收稿日期:2016-08-10

作者簡介：陳國春(1966- )，男，福建龍海人，高級工程師，研究方向：建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

中圖分類號：TU398.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-4348(2016)04-0311-07