金鳳大廈超限高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

侯 剛 翁雯雯 楊秋偉,2,3 馮曉東 張 梁

(1.紹興文理學(xué)院 土木工程學(xué)院，浙江 紹興 312000；2.寧波工程學(xué)院 建筑與交通工程學(xué)院，浙江 寧波 315211；3.浙江省土木工程工業(yè)化建造工程技術(shù)研究中心,浙江 寧波 315211；4.蘇州設(shè)計(jì)股份有限公司 無錫分公司，江蘇 無錫 214070)

0 引言

隨著社會(huì)現(xiàn)代化，人們的生活質(zhì)量也有了很大提高，傳統(tǒng)的幾何形式的超限高層建筑物已無法滿足人們對(duì)建筑美感的要求.高度超限是現(xiàn)在很多建筑物主流趨勢(shì)，很難在外觀或是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面讓人耳目一新.因此需要建筑師們不斷探索與發(fā)現(xiàn)，如何使建筑物的美感有所提升，同時(shí)在美感提升的基礎(chǔ)上使建筑物不規(guī)則的現(xiàn)象能得到改善，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師們更加關(guān)心的問題.同時(shí)，對(duì)于建筑功能的客觀要求也是必不可少的，要在同一幢建筑物內(nèi)滿足多元化、多功能的要求[1-5].此時(shí)，斜柱高層以其獨(dú)特的外觀設(shè)計(jì)，被國內(nèi)外一些建筑師所采用.同樣也會(huì)帶來很多問題，比如：側(cè)向剛度、樓層的承載力和抗側(cè)力構(gòu)件等發(fā)生變化，這些情況也會(huì)在帶斜柱超限高層中出現(xiàn)[6-8].不同的建筑結(jié)構(gòu)有著不同的受力特性，很難找出統(tǒng)一規(guī)律，這就需要對(duì)各種不同類型的建筑物進(jìn)行分析與研究.

針對(duì)以上可能會(huì)出現(xiàn)的種種問題，應(yīng)如何解決需要我們進(jìn)一步研究與分析，而且?guī)敝某薷邔咏ㄖ霈F(xiàn)的不規(guī)則情況更為顯著，需要選用合適的計(jì)算模型對(duì)其進(jìn)行受力情況下的詳細(xì)分析.本文選用的是金鳳大廈超限高層建筑，此建筑結(jié)構(gòu)外觀由斜柱構(gòu)成，有獨(dú)特的視覺沖擊，具有很強(qiáng)的外觀設(shè)計(jì).對(duì)它整體性能進(jìn)行分析.首先采用SATWE和ETABS進(jìn)行彈性對(duì)比分析，對(duì)本工程進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行靜力推覆分析和動(dòng)力彈塑性分析，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)的抗震性能評(píng)價(jià).采取更加牢靠的加強(qiáng)措施，減少破壞.通過處理實(shí)現(xiàn)建筑與結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一，所采用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析方法可供以后類似復(fù)雜超限高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考.

1 工程概況

具體工程選用深圳市金鳳大廈超限高層建筑，本工程采用的是鋼筋混凝土框架—鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)，地下有3層、地上有33層.本結(jié)構(gòu)總高度為149.7 m，標(biāo)準(zhǔn)層層高4.25 m，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，本結(jié)構(gòu)所采用的安全等級(jí)為二級(jí)，B級(jí)的建筑高度，7度的抗震設(shè)防烈度，丙類的抗震設(shè)防類別，50年的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期，II類的場地類別，0.35 s的特征周期.本結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)層平面圖如圖1所示.圖2、圖3所示為本結(jié)構(gòu)的南北立面圖和東西立面圖.

2 結(jié)構(gòu)不規(guī)則性及抗震性能目標(biāo)

2.1 結(jié)構(gòu)不規(guī)則性

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]對(duì)建筑不規(guī)則有不同的劃分標(biāo)準(zhǔn)，本結(jié)構(gòu)存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、剛度突變、斜柱等情況.

(1)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則：本結(jié)構(gòu)最大的特點(diǎn)是外部采用斜柱，因此導(dǎo)致本結(jié)構(gòu)中部分樓層的水平位移和層間位移較大，不滿足規(guī)范要求.

(2)剛度突變：部分帶斜柱的樓層，由于斜柱軸力對(duì)周圍樓面板的影響超過對(duì)上一層樓層剛度的90%.

(3)其他不規(guī)則：斜柱.

2.2 抗震性能目標(biāo)

根據(jù)本工程超限結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)行性能化設(shè)計(jì). 根據(jù)本工程的場地條件、功能和構(gòu)件布置，結(jié)合抗震設(shè)防原則： “三水準(zhǔn)兩階段”設(shè)計(jì)[9]，本工程選用的C級(jí)的抗震性能目標(biāo)，依據(jù)為《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[10]抗震性能設(shè)計(jì)規(guī)定，該級(jí)別水準(zhǔn)具體見表1所示.

圖1 標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)層平面圖

圖2 南北立面圖

圖3 東西立面圖

表1 結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)等級(jí)劃分

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

本工程地下一層頂嵌固，依據(jù)為《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》.采用SATWE和ETABS兩種軟件進(jìn)行彈性對(duì)比分析，分析與研究本工程在兩種軟件計(jì)算下，整體計(jì)算指標(biāo)是否滿足規(guī)范要求，兩個(gè)軟件的計(jì)算結(jié)果差距是否明顯.并且分析與斜柱相連周圍的內(nèi)力情況，分析它們是否滿足承載力要求.

3.1 多遇地震下的彈性分析

3.1.1 多遇地震下的彈性對(duì)比分析

進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體計(jì)算時(shí)，采用SATWE和ETABS兩種軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性對(duì)比分析，其中樓板采用的是剛性樓板，構(gòu)件采用的是彈性假定，斜柱采用的是支撐斜桿，周期折減系數(shù)：小震為0.9，中、大震為1.0.如表2、表3所示為SATWE和ETABS整體計(jì)算主要結(jié)果.

由表2和表3可以看出，SATWE和ETABS兩軟件在整體計(jì)算時(shí)，周期比都小于規(guī)范規(guī)定的0.9，基底剪重比都大于規(guī)范規(guī)定的0.014，此時(shí)的最大層間位移角都小于規(guī)范規(guī)定的1/800，在SATWE軟件分析時(shí)的周期偏大一些， 而在這兩個(gè)軟件分析中，結(jié)構(gòu)的基底剪重比和最大層間位移角的結(jié)果相差不大.因此在結(jié)構(gòu)整體計(jì)算中的各計(jì)算指標(biāo)能滿足規(guī)范要求，滿足“小震不壞”的設(shè)防水準(zhǔn)要求.

表2 SATWE整體計(jì)算主要結(jié)果

表3 ETABS整體計(jì)算主要結(jié)果

3.1.2 與斜柱相連構(gòu)件的內(nèi)力分析

本工程的特點(diǎn)是存在外立面的斜柱，在柱軸力的作用下對(duì)樓面板和梁造成比較大的拉力Nx，Nx=Nsin(90-a).如果軸力和(90-a)比較大時(shí)，會(huì)造成樓面板和梁承受的拉力比較大，造成樓板或梁的拉裂.對(duì)正常使用和抗震造成不利的影響.本工程的a角為87°，中震下柱的軸壓力在17層為最大值N=14 400 kN，可知此跨度范圍內(nèi)的板和梁所受的拉力為Nx=1 500 kN.板厚為150 mm，混凝土為C30，樓面能承擔(dān)的拉力為：N=8 750×150×1.43=1 876.8 kN>1 500 kN，滿足規(guī)范要求.不需要其他特殊加強(qiáng)措施.其中斜柱的受力圖形如圖4所示.

圖4 斜柱的受力圖形

3.2 靜力推覆分析及斜柱周圍樓板分析

由以上分析可知，本工程在中震作用下斜柱的軸壓力最大出現(xiàn)在17層， 軸力最大的地方為與斜柱相連處.因此，需要針對(duì)于此處斜柱相連處的樓板進(jìn)行受力分析.

3.2.1 靜力推覆分析

對(duì)本工程進(jìn)行靜力推覆分析所采用的軟件為SATWE，不同方向靜力推覆分析倒塌曲線如圖5所示.性能點(diǎn)為能力譜與需求譜的交點(diǎn)處，通過SATWE軟件分析計(jì)算，罕遇地震影響系數(shù)最大值為0.5，性能點(diǎn)處的X、Y向?qū)娱g位移角分別為1/258、1/270，都小于規(guī)范規(guī)定的1/100.性能點(diǎn)處X、Y向底部剪力分別為52 429.7 kN和54 499.3 kN，滿足“大震不倒”的設(shè)防水準(zhǔn)要求.

在靜力推覆分析時(shí)的X、Y向中，先進(jìn)入屈服狀態(tài)的是頂層的框架梁，再向其他樓層開始發(fā)展，不同的是，X向的底部連梁先進(jìn)入屈服狀態(tài)，然后再向其他樓層發(fā)展，Y向則是頂部連梁先進(jìn)入屈服狀態(tài)，然后再向其他樓層發(fā)展.由以上分析可以得出：連梁先進(jìn)入屈服狀態(tài)，然后是框架梁，最后是框架柱，符合結(jié)構(gòu)“強(qiáng)柱弱梁”要求，框架柱具有良好的二道防線作用.

3.2.2 斜柱周圍樓板分析

為準(zhǔn)確分析外立面的斜柱對(duì)樓面梁板的影響，采用的軟件為ETABS，選用的單元是彈性殼單元，分析中震作用下標(biāo)準(zhǔn)組合下18層X向地震正應(yīng)力圖如圖6所示.可以看出斜柱附近(西北角和西南角)附近的板的最大拉應(yīng)力均值小于1.43 MPa，滿足要求.

(a)X向地震作用

(b)Y向地震作用

圖6 標(biāo)準(zhǔn)組合下18層X向地震正應(yīng)力(S11)/MPa

4 動(dòng)力彈塑性分析

4.1 地震波輸入

進(jìn)行動(dòng)力彈塑性分析時(shí)，優(yōu)先選用的軟件為Perform-3D.這款軟件在用于罕遇地震下的性能分析與性能評(píng)估時(shí)實(shí)用性和精準(zhǔn)性是比較完美的.因此在軟件分析時(shí)，選擇滿足規(guī)范的波，本結(jié)構(gòu)選擇的是SATWE中彈性時(shí)程分析中的5條天然波和2條人工波，其中5條天然波分別是TH002TG035、TH004TG035、TH006TG035、TH092TG035、TH095TG035,2條人工波波分別是RH1TG035、RH4TG035.

4.2 分析結(jié)果

4.2.1 層間位移角

在七條波在作用下，如圖7所示為本結(jié)構(gòu)運(yùn)用Perform-3D軟件在大震作用下的層間位移角曲線圖. 由圖可直觀地顯示本結(jié)構(gòu)在大震作用下的層間位移角滿足規(guī)范規(guī)定的1/120.

4.2.2 基底剪力

從表4所示在七條波的作用下，彈性時(shí)程分析(小震)和動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析(大震)中X、Y向基底剪力中可以看出，動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析(大震)中X向基底剪力平均值是彈性時(shí)程分析(小震)中X向基底剪力平均值的2.78倍，動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析(大震)中Y向基底剪力平均值是彈性時(shí)程分析(小震)中Y向基底剪力平均值的2.74倍，同時(shí)也能看出在七條波的作用下，基底剪力無論是在彈性時(shí)程分析(小震)還是在動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析(大震)時(shí)都是無規(guī)律的. 在動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析(大震)中天然波TH006TG035的X、Y向基底剪力最大，因此選取這條波作用下的能量與構(gòu)件耗能進(jìn)行研究.

(a)X向 (b)Y向

表4 基底剪力

4.2.3 TH006TG035波作用下的能量與構(gòu)件耗能

從圖8所示的TH006TG035波作用下的能量耗能可以看出，X方向和Y方向的能量耗能基本一致，結(jié)構(gòu)的模態(tài)阻尼耗能占多數(shù)，其次是結(jié)構(gòu)彈性應(yīng)變能，結(jié)構(gòu)很少部分進(jìn)入非線性應(yīng)變能.如圖9所示的TH006TG035波作用下的構(gòu)件耗能可以看出，X方向和Y方向的構(gòu)件耗能基本一致，結(jié)構(gòu)的塑性耗能主要由鋼筋混凝土連梁和鋼筋混凝土框架梁承擔(dān)，鋼筋混凝土剪力墻只承擔(dān)一小部分的構(gòu)件耗能， 型鋼混凝土柱、 混凝土柱和型鋼混凝土梁沒有塑性耗能，仍然處于彈性階段，符合“強(qiáng)柱弱梁”要求.

5 結(jié)果分析

利用文獻(xiàn)資料，對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算分析和重力彈性分析做出分析評(píng)價(jià).何中明[11]選取的是某帶斜柱的框架-核心筒建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，分析結(jié)果表明：在斜柱作用下會(huì)對(duì)其相連樓面板和梁產(chǎn)生較大的拉力，使其更容易破壞.周洲等[12]通過SATWE和ETABS兩種軟件對(duì)某斜柱高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分析，得出結(jié)論：斜柱和樓蓋梁宜采用彈性方式來計(jì)算為佳，本文也是采用了這一方法模擬結(jié)構(gòu)在地震下的受力狀態(tài).曹慧玲[13]對(duì)某帶斜柱的超限高層建筑進(jìn)行分析，分析結(jié)果表明：在荷載作用下，斜柱的傾角越大，位移也就越大， 更容易導(dǎo)致樓板開裂. 本文的斜柱也呈現(xiàn)這樣的規(guī)律，17層是傾角最大的一層，最容易造成樓板或梁的拉裂.

(a)X方向 (b)Y方向

(a)X方向 (b)Y方向

Lu等[14]通過不同的實(shí)驗(yàn)對(duì)斜柱傾角、方向加以分析，所得結(jié)果符合規(guī)范規(guī)定.Han等[15]通過實(shí)驗(yàn)對(duì)斜柱的不同傾斜程度進(jìn)行研究，結(jié)果表明,在荷載作用下，斜柱的傾角越大，越容易破壞.國外學(xué)者的研究更傾向于實(shí)驗(yàn)研究.

由于斜柱傾角越大，會(huì)造成承載力越小，因此通過對(duì)與斜柱相連的框架梁和樓面板采取加強(qiáng)措施.

方法一：針對(duì)與斜柱相連的框架梁入手，原來的框架梁選用的是鋼筋混凝土，現(xiàn)可以改為型鋼混凝土，這樣框架梁就得到了適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)，與原模型對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)受到相同大小的荷載作用時(shí)，破壞程度減少了一些，能更好地控制與斜柱相連的框架梁和樓面板的拉力，從而減少破壞.

方法二：針對(duì)斜柱相連的樓面板入手，可以通過增加樓板的厚度及對(duì)樓板角部增加斜筋[16]，通過加強(qiáng)之后與原模型對(duì)比發(fā)現(xiàn)，與斜柱相連的樓板內(nèi)力減小，出現(xiàn)塑性鉸的速度也得到了較好控制.因此這兩種加強(qiáng)措施均有效，能很好地控制與斜柱相連的框架梁和樓板的受力性能.

6 結(jié)論

通過以上計(jì)算和分析表明：(1)采用SATWE和ETABS兩種軟件進(jìn)行彈性對(duì)比分析,得出結(jié)構(gòu)整體計(jì)算結(jié)果滿足要求，且滿足結(jié)構(gòu)“小震不壞”的設(shè)防水準(zhǔn)要求；(2)與斜柱相連構(gòu)件的內(nèi)力分析可得斜柱產(chǎn)生較大軸力時(shí)，會(huì)對(duì)周圍的樓面板和梁造成較大的拉力，更容易發(fā)生破壞；(3)在靜力推覆分析中可知，結(jié)構(gòu)滿足“強(qiáng)柱弱梁”、框架柱滿足具有“二道防線”的基本設(shè)計(jì)；(4)由于斜柱產(chǎn)生較大軸力，會(huì)對(duì)周圍的樓面板和梁造成影響，因此對(duì)斜柱周圍的樓面板進(jìn)行分析，分析結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求；(5)采用Perform-3D軟件，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析(大震)中，在七條波的作用下，本結(jié)構(gòu)層間位移角滿足規(guī)范規(guī)定的1/120，在動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析(大震)中，可以發(fā)現(xiàn)在天然波TH006TG035作用下的X、Y向的基底剪力最大，因此對(duì)其作用下的能量和構(gòu)件耗能進(jìn)行分析，分析結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)極少部分進(jìn)入非線性應(yīng)變能，而且結(jié)構(gòu)的塑性耗能主要來自于鋼筋混凝土連梁和鋼筋混凝土框架梁，進(jìn)一步驗(yàn)證了本結(jié)構(gòu)滿足“強(qiáng)柱弱梁”要求，結(jié)構(gòu)能夠滿足“大震不倒”的設(shè)防水準(zhǔn)要求.可以認(rèn)為本工程體系合理，性能滿足相關(guān)指標(biāo)，滿足抗震性能設(shè)計(jì)目標(biāo)C級(jí)的要求.