淺論某超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、淺論某超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)單位 北京炎黃聯(lián)合國(guó)際工程設(shè)計(jì)有限公司 姓名 潘龍貽 郵編 100081 摘 要:以下本文結(jié)合工程實(shí)際,對(duì)超高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行計(jì)算分析,并論述了有關(guān)抗震構(gòu)造的加強(qiáng)措施，可為同類(lèi)設(shè)計(jì)提供參考 關(guān)鍵詞:框架 核心筒結(jié)構(gòu)體系; 超高層; 抗震性能分析; 動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析1 工程概況 本工程為一幢超高層綜合寫(xiě)字樓( 圖 1) 。主樓結(jié)構(gòu)平面尺寸為 34. 6 34. 6 ( m) ，核心筒尺寸為 12. 6 15. 1 ( m) 。主樓地下 5 層( 高 20. 4 m) ，地上 47層( 結(jié)構(gòu)出地面高度 179. 6 m) ，其中裙房共 7 層( 高 34. 5m) 。除避

2、難層層高為 3. 9 m 外，其余標(biāo)準(zhǔn)層層高均為3. 4m?？拐鹪O(shè)防烈度為 6 度，基本地震加速度為 0. 05 g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，建筑抗震設(shè)防類(lèi)別為丙類(lèi)。結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)為二級(jí)。主樓基本風(fēng)壓按 100 年重現(xiàn)期風(fēng)壓值 0. 45 kPa 考慮，地面粗糙度為 B 類(lèi)。圖 1 建筑效果圖2 結(jié)構(gòu)抗震超限情況及性能設(shè)計(jì)目標(biāo) 本工程為高度超限的高層結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)時(shí)采用兩階段的抗震設(shè)計(jì)并采取相應(yīng)的抗震構(gòu)造措施來(lái)滿足三個(gè)水準(zhǔn)的要求，抗震設(shè)計(jì)在滿足國(guó)家及地方規(guī)范的基礎(chǔ)上，根據(jù)性能化抗震設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，并采取表 1 的性能控制目標(biāo)。表 1 結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震性能目標(biāo)3 結(jié)構(gòu)抗震性能計(jì)算分析 分別進(jìn)行結(jié)構(gòu)在多遇地

3、震，設(shè)防地震及罕遇地震作用情況下分析。3. 1 多遇地震下結(jié)構(gòu)性能分析3. 1. 1 多遇地震下振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算分析 采用扭轉(zhuǎn)歐聯(lián)振型分解反應(yīng)譜法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇地震作用下彈性分析，在強(qiáng)制剛性樓板假定條件下采用 STAWE，ETABS 及 MIDAS Building 進(jìn)行對(duì)比計(jì)算分析，控制結(jié)構(gòu)的位移比、位移角、周期比、剛度比，抗傾覆及整體穩(wěn)定等指標(biāo)。上述不同力學(xué)模型計(jì)算結(jié)果表明，主要控制指標(biāo)結(jié)果相近，未出現(xiàn)異常。表 2 3 為周期及位移角計(jì)算結(jié)果比較。表 2 結(jié)構(gòu)周期及振型表 3 風(fēng)和地震作用所得層間位移角3. 1. 2 多遇地震下彈性動(dòng)力時(shí)程分析 根據(jù)擬建場(chǎng)地特性選取了 2 組天然地震波

4、，1 組人工波作為時(shí)程分析的輸入。3 組地震波的反應(yīng)譜與抗規(guī)標(biāo)準(zhǔn)地震反應(yīng)譜的基本吻合，結(jié)構(gòu)前三周期點(diǎn)上地震波反應(yīng)譜的平均值與抗規(guī)標(biāo)準(zhǔn)地震反應(yīng)譜相差均在 20% 以內(nèi)。多遇地震彈性時(shí)程分析所得結(jié)構(gòu)底部剪力峰值與按照抗規(guī)振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行分析所得的底部剪力的對(duì)比情況，可見(jiàn)單組地震波輸入所得的底部剪力峰值均在抗規(guī)振型分解反應(yīng)譜法( CQC) 的 65 135% 之間，3 組地震波結(jié)果的平均值與抗規(guī)振型分解反應(yīng)譜法( CQC) 結(jié)果之差在 20%以內(nèi)。滿足高規(guī)要求。表 4 時(shí)程分析底部剪力與 CQC 反應(yīng)譜法對(duì)比 多遇地震時(shí)程分析時(shí)地震波主分量峰值統(tǒng)一取為18cm / s2。3 組地震波時(shí)程結(jié)果的平

5、均值與 CQC 法的結(jié)果吻合較好，單組地震波計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力峰值的最小值達(dá)到了反應(yīng)譜法底部剪力的 89%。X 主向時(shí) 3 組地震波時(shí)程計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)最大層間位移角包絡(luò)值為 1/2034，Y主向時(shí)該值為 1/2012，均小于按照規(guī)范規(guī)定計(jì)算所得限值1 /680。多遇地震作用下結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的設(shè)計(jì)均取時(shí)程分析和反應(yīng)譜方法的較大值，對(duì)反應(yīng)譜方法的計(jì)算結(jié)果采用相應(yīng)樓層地震力放大的方法來(lái)調(diào)整樓層地震剪力。最終計(jì)算結(jié)果均能滿足規(guī)范要求。3. 2 設(shè)防地震下結(jié)構(gòu)性能分析3. 2. 1 設(shè)防地震下振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算分析 采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院研制的多層及高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析與設(shè)計(jì)軟件 SATWE 進(jìn)

6、行結(jié)構(gòu)的中震彈性和中震不屈服設(shè)計(jì)。場(chǎng)地特性參考抗規(guī)規(guī)定取值，場(chǎng)地特征周期為 0. 35 s，水平地震影響系數(shù)最大值取為 0. 12( 對(duì)應(yīng)于 5%阻尼比) 。( 1) 位移分析。設(shè)防地震反應(yīng)譜分析得到的結(jié)構(gòu)兩個(gè)主向的層間位移角 X 向最大層間位移角為 1/673，位于第34 層; Y 向最大層間位移角為 1 /720，位于第 34 層，均小于性能目標(biāo)設(shè)定的設(shè)防地震下層間位移角限值 1/340。( 2) 承載力分析。 1) 設(shè)防地震作用下 2 號(hào)樓核心筒剪力墻按照正截面承載力不屈服進(jìn)行設(shè)計(jì)，其受剪承載力滿足下式要求:GSGE+ EhS*Ekh Rd/ RE ( 1)式中，G和 Eh分別為重力荷載

7、代表值和水平地震作用地震作用效應(yīng)的分項(xiàng)系數(shù); RE為抗震承載力調(diào)整系數(shù); SGE和 S*Ekh分別為重力荷載代表值效應(yīng)和未經(jīng)調(diào)整的水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng); Rd為承載力設(shè)計(jì)值。計(jì)算表明，2 號(hào)樓結(jié)構(gòu)核心筒剪力墻均能滿足性能目標(biāo)的要求。 2) 設(shè)防地震作用下框架柱按彈性設(shè)計(jì)。分析表明，所有框架柱均能滿足式( 1) 的要求。 3) 設(shè)防地震作用下框架梁按正截面承載力不屈服進(jìn)行設(shè)計(jì)。 4) 驗(yàn)算表明，鋼筋混凝土連梁受剪承載力均滿足下式，達(dá)到性能目標(biāo)要求:SGE+ S*Ekh Rk ( 2)式中，Rk為按照材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算的截面受剪承載力，其余符號(hào)同式( 1) 。3. 2. 2 設(shè)防地震下非線性動(dòng)力

8、彈塑性計(jì)算分析 計(jì)算程序?yàn)橹袊?guó)建筑科學(xué)研究院研制的 EPDA 結(jié)構(gòu)動(dòng)力彈塑性分析程序。梁、柱等構(gòu)件采用纖維束模型模擬其彈塑性性質(zhì)，剪力墻則采用非線性殼單元模擬。設(shè)防地震下的結(jié)構(gòu)非線性時(shí)程分析采用 2 組天然地震波和 1 組人工波共 3 組地震波作為輸入。地震波水平主分量的加速度峰值按照抗規(guī)的規(guī)定調(diào)整為 0. 05g，水平次方向的加速度峰值調(diào)整為 0. 0425g。結(jié)構(gòu)阻尼比仍取為 0. 05。鑒于目前地震工程學(xué)科的研究尚存諸多課題有待解決，以及適宜的地震動(dòng)加速度記錄較少，處理非線性時(shí)程分析位移結(jié)果時(shí)仍需參考多遇地震的彈性反應(yīng)譜分析結(jié)果。具體做法是: 將彈塑性分析得到的結(jié)構(gòu)某部位在某地震波下的彈

9、塑性位移與該部位在該地震加速度記錄下的多遇地震位移之比作為彈塑性位移放大系數(shù); 多組地震波的彈塑性位移放大系數(shù)包絡(luò)值與結(jié)構(gòu)彈性反應(yīng)譜方法得到的該部位位移之積作為其結(jié)構(gòu)彈塑性位移。本報(bào)告中對(duì)設(shè)防地震和罕遇地震非線性時(shí)程分析所得結(jié)構(gòu)位移結(jié)果均采用這一處理方法。 設(shè)防地震作用下的彈塑性層間位移角 X 主向和 Y 主向時(shí)最大層間位移角分別為1/453( 第 27 層) 和 1/563( 第 28層) ，分別為規(guī)范彈性層間位移角限值的 1. 50 倍和 1. 21 倍，均小于設(shè)防地震水準(zhǔn)下結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)所定位移角限值 1/340。設(shè)防地震作用下各組地震波 X 向底部剪力峰值與相應(yīng)多遇地震水準(zhǔn)時(shí)底部剪力峰值

10、之比的平均值為 2. 04，Y 向?yàn)?2. 13。設(shè)防地震和多遇地震的主分量加速度峰值之比為2. 72。X 主向和 Y 主向設(shè)防地震作用下結(jié)構(gòu)底部剪力峰值與相應(yīng)的多遇地震作用下結(jié)構(gòu)底部剪力峰值之比均小于加速度峰值之比，表明結(jié)構(gòu)在設(shè)防地震作用下部分連梁出現(xiàn)塑性鉸后，結(jié)構(gòu)剛度有所下降，結(jié)構(gòu)部分耗能機(jī)制已經(jīng)形成，吸收的地震作用較相應(yīng)的彈性結(jié)構(gòu)有所減小。3. 3 罕遇地震下結(jié)構(gòu)性能分析 罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的層間位移角計(jì)算方法同設(shè)防地震時(shí)的情況，即以各組地震波罕遇水準(zhǔn)輸入得到的結(jié)果與相應(yīng)多遇地震輸入結(jié)果的比值的包絡(luò)值和多遇地震彈性反應(yīng)譜分析的結(jié)果的乘積作為罕遇地震下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)。結(jié)構(gòu)罕遇地震下 X 向和

11、Y 向最大層間位移角出現(xiàn)在27 層，達(dá)到1 /189; Y 向最大樓層層間位移角為 1 /207( 28 層) 。罕遇地震下最大層間位移角均小于罕遇地震水準(zhǔn)時(shí)結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)所定限值 1/170。 各組地震波 X 向底部剪力峰值與相應(yīng)多遇地震水準(zhǔn)時(shí)底部剪力峰值之比的平均值為 3. 48，Y 向?yàn)?3. 83。罕遇地震和多遇地震的主分量加速度峰值之比為 6. 94。X 主向和Y 主向罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)底部剪力峰值與相應(yīng)的多遇地震作用下結(jié)構(gòu)底部剪力峰值之比均明顯小于加速度峰值之比，表明結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下塑性發(fā)展程度較為顯著，結(jié)構(gòu)剛度下降較多，地震輸入能量大多被進(jìn)入塑性階段的構(gòu)件耗散。 ( 1) 為提

12、高結(jié)構(gòu)核心筒剪力墻在罕遇地震下的抗剪能力。各片剪力墻的承擔(dān)的剪力值均偏于安全地采用罕遇地震彈性反應(yīng)譜分析的結(jié)果; 剪力墻的截面控制條件采用下式: VGE+ V*EK 0. 15cfckbh0 ( 3) 式中，VGE和V*EK分別為重力荷載代表值和地震作用標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的構(gòu)件剪力，c為混凝土強(qiáng)度影響系數(shù)，fck為混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，b 和 h0分別為構(gòu)件截面寬度和有效高度。驗(yàn)算表明，所有剪力墻均能滿足式( 3) 的要求。 ( 2) 罕遇地震下混凝土框架柱正截面承載力滿足公式( 2) ，斜截面承載力滿足公式( 1) 。均達(dá)到了性能目標(biāo)的要求。外框架的大部分梁已經(jīng)進(jìn)入屈服階段。滿足性能目標(biāo)的要求。 ( 3) 罕遇地震下部分鋼筋混凝土連梁已屈服。經(jīng)驗(yàn)算，其抗剪能力滿足下式的要求:( 4) 式中符號(hào)意義同公式( 3) 。罕遇地震下連梁不會(huì)發(fā)生剪切控制型的破壞，保證了連梁良好的受彎耗能能力，達(dá)到性能目標(biāo)的要求。 4 抗震措施及抗震性能分析結(jié)論針對(duì)本結(jié)構(gòu)高度超限，采取比規(guī)范更嚴(yán)格的抗震措施，對(duì)于框架柱采取以下措施: 框架剪力進(jìn)行了高于規(guī)范水準(zhǔn)的調(diào)整，保證了結(jié)構(gòu)二道防線的實(shí)現(xiàn); 剪力調(diào)整取max min ( 0. 20Q0，1. 5Vmax) ，0. 2Q0