某塔樓超限高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及抗震性能分析

袁國(guó)財(cái)

(華南理工大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司,廣東 廣州 510641)

0 引言

隨著時(shí)代的發(fā)展,我國(guó)的超限高層建筑越來越多。而每一棟建筑都有其特殊性,為保證結(jié)構(gòu)不倒塌且經(jīng)濟(jì)適用,需要有針對(duì)性的對(duì)其進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。同時(shí),結(jié)構(gòu)分析軟件也在不斷迭代進(jìn)步,給超高層結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)提供了更好的分析手段。國(guó)內(nèi)已有結(jié)構(gòu)同仁做了類似的研究[1-2]。文中以深圳某超高層為例,判別其超限情況,選擇合適的性能目標(biāo),采用基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法進(jìn)行分析、設(shè)計(jì),采取一定的加強(qiáng)措施,說明結(jié)構(gòu)安全可靠。分析方法和過程可作為類似工程進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)的參考。

1 工程概況

本項(xiàng)目總建筑面積約21.9萬m2,地下室建筑面積約8.7萬m2,地上建筑面積約13.2萬m2,其中包括1棟塔樓、裙房及3層地下室,建筑效果圖如圖1所示。一期半地下2層(-13 m標(biāo)高)以上設(shè)置伸縮縫兼抗震縫,分為裙房4-1區(qū)、裙房4-2區(qū)及5棟、裙房4-3區(qū)、塔樓4個(gè)結(jié)構(gòu)單元,分區(qū)示意如圖2所示。

地下1層主要使用功能為產(chǎn)業(yè)配套商業(yè)及設(shè)備房,層高為6.0 m,地下2層、地下3層主要使用功能為停車庫及部分設(shè)備房,層高分別為3.75 m,3.85 m,底板面標(biāo)高-26.6 m。塔樓的建筑面積約為8.8萬m2,首層以上共34層,主要使用功能為產(chǎn)業(yè)研發(fā)用房,首層層高為8.05 m、標(biāo)準(zhǔn)層層高為4.5 m、避難層層高為5.0 m(6層、16層、26層)。嵌固端位于半地下2層(-13 m標(biāo)高),建筑結(jié)構(gòu)總高度為167.2 m,主屋面以上的幕墻構(gòu)架高度為12 m。

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》[3],結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50 a,建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí),結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為γ0=1.0。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[4](簡(jiǎn)稱荷規(guī)),50 a重現(xiàn)期基本風(fēng)壓w0=0.75 kN/m2。根據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》[5],抗震設(shè)防類別屬重點(diǎn)設(shè)防類。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[6],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,設(shè)計(jì)地震分組為第一組。根據(jù)地勘報(bào)告[7],場(chǎng)地類別為Ⅱ類。

2 結(jié)構(gòu)體系

塔樓的結(jié)構(gòu)體系為框架-核心筒。建筑平面呈標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)方形,標(biāo)準(zhǔn)層平面尺寸為54.4 m×45.7 m。核心筒尺寸為28.05 m×20.80 m,鋼筋混凝土核心筒外墻600 mm～400 mm厚,內(nèi)墻400 mm～300 mm厚,局部500 mm厚。外框架32層以下采用鋼管混凝土柱,鋼管外徑為1 400 mm～800 mm,壁厚35 mm～18 mm,32層至頂層轉(zhuǎn)換為鋼筋混凝土柱,柱徑為900 mm。外框柱間距為9 m和12 m,柱與核心筒的距離為11.2 m和10 m(Y向)、11.5 m(X向),根據(jù)建筑師要求,為了最大限度保留角部區(qū)域的景觀視野,角部懸挑距離為9 m。結(jié)構(gòu)整體模型及主要抗側(cè)力豎向構(gòu)件如圖3所示。

采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板樓蓋,鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土梁的連接采用鋼筋混凝土環(huán)梁節(jié)點(diǎn)。外圈框架梁高950 mm,其余框架梁高一般為700 mm,核心筒外樓板厚度一般為110 mm,核心筒內(nèi)樓板厚度為120 mm。塔樓標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面如圖4所示。

3 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

本工程有3層地下室,底板面相對(duì)標(biāo)高為-26.600 m。根據(jù)地質(zhì)剖面圖,絕大部分鉆孔在底板底已處于強(qiáng)風(fēng)化混合巖⑨2-1。塔樓范圍內(nèi)采用樁徑為2 500 mm～3 300 mm的人工挖孔樁基礎(chǔ),樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40,單樁豎向抗壓承載力特征值為50 000 kN～95 000 kN,樁底持力層為中風(fēng)化混合巖,要求地基承載力特征值不小于6 000 kPa;裙樓墻柱下采用擴(kuò)展基礎(chǔ),要求地基承載力特征值不小于300 kPa。

塔樓范圍的底板厚度為1 200 mm(承臺(tái)厚度1 500 mm),其他范圍底板厚度為700 mm或600 mm。底板混凝土強(qiáng)度等級(jí)C40。

4 結(jié)構(gòu)超限判別及抗震性能目標(biāo)

本工程塔樓超限[8]情況如表1所示。

表1 工程超限情況

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[9](簡(jiǎn)稱高規(guī))第3.11節(jié),結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)選為C級(jí),多遇地震、設(shè)防烈度地震、預(yù)估的罕遇地震作用下所對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)抗震性能水準(zhǔn)、層間位移角限值及結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能目標(biāo)如表2所示。

表2 抗震性能目標(biāo)

5 結(jié)構(gòu)分析

5.1 小震彈性分析

采用結(jié)構(gòu)分析軟件YJK進(jìn)行小震彈性分析,并與ETABS軟件得到的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果如表3所示,可見兩個(gè)程序整體指標(biāo)分析結(jié)果接近,各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求,說明結(jié)構(gòu)分析模型能較準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力情況,分析結(jié)果合理有效。

表3 YJK,ETABS軟件主要計(jì)算結(jié)果

根據(jù)《高規(guī)》4.3.4條規(guī)定,采用彈性時(shí)程分析法進(jìn)行多遇地震下的補(bǔ)充驗(yàn)算。按建筑場(chǎng)地類別和設(shè)計(jì)地震分組選取5條實(shí)際地震記錄和2條人工模擬的加速度時(shí)程曲線,計(jì)算結(jié)果見表4。結(jié)果顯示,時(shí)程曲線選取合適,結(jié)構(gòu)反應(yīng)平均值與CQC法基本持平,滿足規(guī)范要求。

表4 彈性時(shí)程分析計(jì)算結(jié)果

5.2 中震等效彈性分析

采取YJK進(jìn)行中震等效彈性計(jì)算,具體參數(shù)為:αmax=0.23,Tg=0.35 s,周期折減系數(shù)取為1,中梁剛度放大系數(shù)取為1.5,連梁剛度折減系數(shù)取為0.5,結(jié)構(gòu)阻尼比取為0.06。得到中震作用下層間位移角為1/426(X向)和1/353(Y向),滿足規(guī)程要求。

中震作用下樓板拉壓應(yīng)力一般不超過0.5 MPa,小于混凝土的抗壓、抗拉標(biāo)準(zhǔn)值強(qiáng)度(底部加強(qiáng)區(qū)C40,ftk=2.39 MPa,fck=26.8 MPa;非底部加強(qiáng)區(qū)C30,ftk=2.01 MPa,fck=20.1 MPa),僅核心筒外墻周邊的局部樓板存在應(yīng)力集中現(xiàn)象;剪應(yīng)力一般不超過0.3 MPa,小于樓板混凝土部分的抗剪承載力0.7ftk。通過適當(dāng)加大板厚、板筋雙層雙向拉通并加大配筋等相應(yīng)措施,所有樓板能滿足C級(jí)性能目標(biāo)要求。

中震作用下核心筒僅少數(shù)幾片剪力墻墻肢在一期半地下2層(-13 m標(biāo)高)與二期半地下2層(-9.35 m標(biāo)高)出現(xiàn)拉力,且拉應(yīng)力不超過混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,墻體的受力狀態(tài)為大偏心受拉。在加強(qiáng)措施中已將底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻分布筋配筋率提高至0.6%,墻體能滿足受力要求且具有一定的富余度。而且,該墻肢還有配筋率不小于1.5%的暗柱加強(qiáng)。

5.3 大震動(dòng)力彈塑性分析

采用PERFORM 3D軟件進(jìn)行罕遇地震作用下的動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析[10],選取2條天然波和1條人工波,按7度所對(duì)應(yīng)的罕遇地震加速度峰值220gal進(jìn)行調(diào)幅,沿X,Y主方向分別輸入3組不同地震波,并按1(水平主向)∶0.85(水平次向)的比例進(jìn)行輸入。結(jié)構(gòu)損傷云圖如圖5所示。

結(jié)果表明:

1)最大層間位移角X向?yàn)?/194,Y向?yàn)?/179,小于C級(jí)抗震性能目標(biāo)的最大層間位移角限值(1/155)。

2)結(jié)構(gòu)基底剪力約為多遇地震作用下結(jié)構(gòu)基底剪力的4.7倍～5.6倍,說明結(jié)構(gòu)部分構(gòu)件進(jìn)入屈服階段,存在塑性變形,剛度有所退化,減少了地震作用。

3)塑性耗能約占總耗能量的24%,可認(rèn)為結(jié)構(gòu)在大震下基本處于中等非線性狀態(tài)。在塑性能耗中,X向連梁及框架梁約占85%,剪力墻約占15%;Y向連梁及框架梁約占79%,剪力墻約占21%;框架柱幾乎不耗能。

4)較多框架梁和連梁受彎屈服,屬于輕度損壞;少部分框架梁和連梁屬于中度損壞,個(gè)別連梁屬于較嚴(yán)重?fù)p壞。框架梁和連梁的耗能作用明顯。

5)所有框架柱(包括穿層柱)均處于彈性狀態(tài)。

6)絕大多數(shù)墻體壓彎處于彈性狀態(tài),僅底部少數(shù)核心筒剪力墻受壓超過抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值但受壓應(yīng)變不超過無損壞限值。所有墻體鋼筋受拉應(yīng)變不超過無損壞限值,墻體鋼筋受拉未屈服。部分核心筒墻體混凝土剪應(yīng)變超過ftk/G,但均未超0.002(即受剪不屈服),屬于無損壞。

所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件均滿足C級(jí)性能目標(biāo)要求。

5.4 風(fēng)荷載分析

根據(jù)《荷規(guī)》和《高規(guī)》,深圳市羅湖區(qū)50 a重現(xiàn)期基本風(fēng)壓w0=0.75 kN/m2,位移計(jì)算時(shí)采用基本風(fēng)壓,承載力設(shè)計(jì)時(shí)按基本風(fēng)壓的1.1倍采用,結(jié)構(gòu)阻尼比5%。用于結(jié)構(gòu)舒適度驗(yàn)算的10 a重現(xiàn)期基本風(fēng)壓為0.45 kN/m2,結(jié)構(gòu)阻尼比2%。根據(jù)項(xiàng)目周邊地貌特征,地面粗糙度類別為C類。業(yè)主委托了廣東省建科院進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)[11],如圖6所示。

規(guī)范風(fēng)荷載與風(fēng)洞試驗(yàn)風(fēng)荷載作用下樓層剪力對(duì)比如圖7所示?？梢?規(guī)范風(fēng)荷載作用下的樓層剪力絕大部分比風(fēng)洞試驗(yàn)風(fēng)荷載的大,僅X向4層以下的樓層剪力比風(fēng)洞試驗(yàn)風(fēng)荷載的略小,且最小處為風(fēng)洞試驗(yàn)風(fēng)荷載的97.5%,因此采用規(guī)范風(fēng)荷載進(jìn)行設(shè)計(jì)。

在10 a重現(xiàn)期極值風(fēng)速作用下,結(jié)構(gòu)頂部使用樓層高度處的加速度為0.062 m/s2(X向)和0.097 m/s2(Y向),均小于0.25 m/s2,滿足規(guī)范對(duì)風(fēng)振舒適度的要求。

5.5 穿層柱分析

本工程半地下2層(-9.35 m標(biāo)高)樓面至2層樓面存在高度為17.35 m的穿層柱(如圖8所示),鋼管柱截面尺寸為φ1 400 mm×35 mm。采用ETABS軟件進(jìn)行穿層柱的屈曲分析,分析結(jié)果如圖9所示,得出各穿層柱的臨界荷載,再根據(jù)歐拉公式反算出其計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù),由此得到的各穿層柱計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)(約為0.63)均小于1,表明穿層柱穩(wěn)定性良好,在滿足承載力要求的前提下,不會(huì)發(fā)生屈曲失穩(wěn)。

采用YJK計(jì)算中震作用下穿層柱的應(yīng)力,驗(yàn)算結(jié)果如表5所示,可見穿層柱在中震作用下的受壓最大應(yīng)力比為0.790,受剪最大應(yīng)力比為0.011,處于彈性受力狀態(tài),滿足“抗剪彈性、壓彎不屈服”的C級(jí)性能目標(biāo)要求。

表5 中震作用穿層柱承載力驗(yàn)算結(jié)果

6 結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施

借鑒其他超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)[12],結(jié)合本工程的結(jié)構(gòu)超限情況,采取針對(duì)性的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施如下:

1)加強(qiáng)剪力墻底部加強(qiáng)部位的配筋,具體為底部加強(qiáng)部位的分布筋配筋率提高至0.6%,暗柱的配筋率提高至1.5%;控制底部加強(qiáng)部位在大震作用下的剪應(yīng)力,使其達(dá)到較為嚴(yán)格的“抗彎、抗剪不屈服”性能目標(biāo),確保核心筒剪力墻在大震作用下具有較大的承載力富余度?？刂萍袅S壓比不超過0.50,并在底部加強(qiáng)部位墻內(nèi)設(shè)置鋼管,保證大震作用下核心筒剪力墻有足夠的延性。

2)適當(dāng)提高核心筒內(nèi)及其邊緣樓板配筋率,控制樓板在設(shè)防地震作用下平面內(nèi)的應(yīng)力水平,使其達(dá)到“抗剪不屈服,拉壓不屈服”的性能目標(biāo)。

3)加強(qiáng)穿層柱的端部約束,與柱上端相連的梁截面加大為500 mm×1 200 mm,與柱下端相連的梁截面加大為500 mm×900 mm;穿層柱計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)取為1,保證穿層柱穩(wěn)定性有足夠的安全余量,并取中震彈性計(jì)算結(jié)果進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。

7 結(jié)語

本工程為B級(jí)高度的超限高層建筑,結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)選為C級(jí),小震彈性分析、中震等效彈性分析及大震動(dòng)力彈塑性分析等理論計(jì)算的各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足規(guī)范的要求。通過風(fēng)荷載分析明確可采用規(guī)范風(fēng)荷載進(jìn)行設(shè)計(jì),風(fēng)振舒適度可滿足規(guī)范要求。屈曲分析表明穿層柱具有良好的穩(wěn)定性,且中震作用下處于彈性受力狀態(tài)。采取針對(duì)超限的加強(qiáng)措施,進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)的承載力及延性,結(jié)構(gòu)可達(dá)到預(yù)期的C級(jí)抗震性能目標(biāo)。本項(xiàng)目可作為類似工程進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)的參考。