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某金融城超高層塔樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)某金融城超高層塔樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1項(xiàng)目概況
廣州某金融城工程位于廣州市黃埔大道南側(cè)、棠下涌東側(cè),包括A、B、C三座塔樓,其中A棟塔樓是集商業(yè)、辦公為一體的超高層寫字樓,其地下4層,地上69層,屋面高301.5m,幕墻高320m,帶3層高15m的裙房,地面以上建筑面積約14.2萬m2。
圖1塔樓效果圖
地下室主要功能為車庫,裙樓局部為商業(yè),塔樓1-3層為通高大堂,4層以上主要為行政辦公。辦公層層高4.2m,11、22、33、44、55層和67層為避難及設(shè)備層。
建筑外立面邊線為曲線,4~11層整體輪廓向外傾斜,12層以上建筑整體外輪廓逐步內(nèi)縮。平面近似矩形,但四角是圓弧,其中東南角圓弧較大,并隨高度變化。為了適應(yīng)建筑的外立面,外框柱沿高度向里或向外傾斜,傾斜角度從0.6度到2.9度不等。由于上部功能的需要,核心筒在高區(qū)樓層局部墻肢取消。
〔a〕中低區(qū)建筑平面圖〔b〕高區(qū)建筑平面圖
圖2建筑規(guī)范層平面圖
項(xiàng)目場地基巖為白堊系的泥質(zhì)粉砂巖、粗砂巖。建筑場地類別為Ⅱ類,由于場地部分存在液化砂土層和淤泥質(zhì)土類軟弱土層,場地劃分為對建筑抗震不利地段。由于設(shè)置了4層地下室,軟弱土層已被挖除,底板下根本為中、微風(fēng)化巖層。
2設(shè)計(jì)參數(shù)
該項(xiàng)目設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年,結(jié)構(gòu)平安等級為二級,抗震設(shè)防類別為乙類,抗震設(shè)防烈度為7度,設(shè)計(jì)根本地震加速度為0.10g,小震計(jì)算時(shí)反饋?zhàn)V的形狀參數(shù)按標(biāo)準(zhǔn),6S以后取平段,地震影響系數(shù)最大值按照安評取0.084;中大震:采用標(biāo)準(zhǔn)地震動(dòng)參數(shù)進(jìn)行中大震下的性能目標(biāo)驗(yàn)算,6S以后取平段。
設(shè)計(jì)地震分組為第二組,場地類別為Ⅱ類。通過與標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)荷載比照,風(fēng)洞試驗(yàn)底部剪力及傾覆彎矩大于標(biāo)準(zhǔn)值,因此采用風(fēng)洞試驗(yàn)的數(shù)據(jù)作為設(shè)計(jì)依據(jù)。
3結(jié)構(gòu)體系及結(jié)構(gòu)布置
3.1計(jì)劃選型
結(jié)合建筑平面功能、立面造型、抗震〔風(fēng)〕性能要求、施工周期以及造價(jià)合理等因素,本項(xiàng)目塔樓A的結(jié)構(gòu)受力體系分別由外框架+伸臂桁架+腰桁架與核心筒組成,共同構(gòu)成多道設(shè)防結(jié)構(gòu)體系,提供結(jié)構(gòu)必要的重力荷載承載能力和抗側(cè)剛度〔詳圖3〕。
重力荷載通過樓面水平構(gòu)件傳遞給核心筒和外框柱,最終傳遞至根底。施工階段不考慮伸臂桁架的作用,伸臂桁架采用后封閉施工;水平荷載產(chǎn)生的剪力和傾覆彎矩由外框架〔包括伸臂桁架與腰桁架〕與核心筒共同承當(dāng)。其中剪力主要由核心筒承當(dāng),傾覆彎矩由外框架與核心筒共同承當(dāng)。外框柱采用鋼管混凝土柱,樓面梁采用鋼梁,考慮施工方便快速,經(jīng)濟(jì)性合理,樓板采用鋼筋桁架組合樓板。
地下室底板下微風(fēng)化的基巖較淺;未來規(guī)劃的地鐵線距離地下室西側(cè)約10米,地鐵基坑比本地下室深約10米。綜合考慮相關(guān)因素,本工程塔樓柱及裙樓柱采用以微風(fēng)化巖層為持力層的人工挖孔樁,樁長約12米,持力層為微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖/粗砂巖,其中裙樓樁徑為1200mm,塔樓外框柱下根底為單柱單樁,樁徑2800mm~3000mm,核心筒下根據(jù)荷載分布布樁,樁主要布置在墻下,樁徑2600mm~3600mm;裙樓及純地下室以均布式錨桿解決整體抗浮問題。
3.2伸臂和腰桁架設(shè)置
為了分析各加強(qiáng)層對結(jié)構(gòu)整體剛度的奉獻(xiàn),進(jìn)行了伸臂桁架的敏感性計(jì)算分析,在不設(shè)置伸臂桁架時(shí),結(jié)構(gòu)的剛度和剪重比不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,伸臂對提高整體剛度效果顯著。根據(jù)工程功能和實(shí)際情況,最終選擇在33層、44層設(shè)置了X向伸臂和腰桁架,55層設(shè)置了腰桁架。此時(shí),結(jié)構(gòu)的剛重比和位移角均能較好地滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。
4結(jié)構(gòu)超限情況及抗震性能目標(biāo)
該項(xiàng)目采用帶加強(qiáng)層的鋼管混凝土柱+鋼梁框架-混凝土核心筒結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)高度301.5m,超過混和結(jié)構(gòu)190m適用高度58%,且存在Ⅰ類扭轉(zhuǎn)不規(guī)那么、樓板部分不連續(xù)、剛度突變不規(guī)那么項(xiàng),同時(shí)存在框架柱傾斜〔小于3°〕和部分跨層柱。故需經(jīng)抗震超限專項(xiàng)審查。具體判斷如表3所示。
該項(xiàng)目為重點(diǎn)設(shè)防類建筑,采用結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)辦法進(jìn)行補(bǔ)充沛析和論證,依據(jù)?高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》確定抗震設(shè)防性能目標(biāo)為C級相應(yīng)的抗震性能水準(zhǔn)。其中核心筒剪力墻、框架柱、伸臂及腰桁架為關(guān)鍵構(gòu)件,要求腰桁架在中震下保持彈性,伸臂桁架按中震抗剪彈性,正截面不屈服進(jìn)行復(fù)核。而伸臂層、腰桁架層樓板滿足中震不屈服的性能目標(biāo)。
5結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析
本項(xiàng)目設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)辦法進(jìn)行分析和論證。設(shè)計(jì)中采用2個(gè)不同的力學(xué)模型的空間結(jié)構(gòu)分析程序SATWE〔簡化墻元模型,2022新標(biāo)準(zhǔn)版〕和ETABS軟件〔細(xì)分墻元模型,9.2.0中國標(biāo)準(zhǔn)版〕進(jìn)行風(fēng)荷載和多遇地震作用下的彈性計(jì)算及中震不屈服計(jì)算;用SATWE進(jìn)行小震下的彈性時(shí)程分析,與振型分解反饋?zhàn)V法進(jìn)行比擬;采用ABAQUS和SAUSAGE進(jìn)行大震彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析,考察大震下的結(jié)構(gòu)性能。
5.1小震及風(fēng)荷載作用下的彈性計(jì)算
按照安評取0.084;特征周期按照0.35s取值;其余計(jì)算參數(shù)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)值。
根據(jù)計(jì)算結(jié)果,結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求及結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)理論,可以得出如下結(jié)論:
〔1〕兩個(gè)不同計(jì)算內(nèi)核的結(jié)構(gòu)分析軟件計(jì)算結(jié)果相近,表明模型及計(jì)算結(jié)果是合理且有效的,計(jì)算模型合乎結(jié)構(gòu)實(shí)際工作狀況,可以作為項(xiàng)目設(shè)計(jì)的依據(jù)。〔2〕第一扭轉(zhuǎn)周期與第一平動(dòng)周期之比小于0.85,地震有效質(zhì)量系數(shù)均大于90%,所取振型數(shù)滿足?高規(guī)》要求;〔3〕在考慮偶然偏心的地震作用下,X方向最大扭轉(zhuǎn)位移比略大于1.2,但小于1.4,滿足?高規(guī)》3.4.5條要求,屬于I類扭轉(zhuǎn)不規(guī)那么?!?〕經(jīng)計(jì)算分析,風(fēng)荷載在所有水平荷載中起控制作用,地震作用及風(fēng)荷載作用下層間位移角均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求?!?〕塔樓X、Y方向底層剪重比不滿足抗規(guī)5.2.5條規(guī)定的最小剪重比的限值要求,根據(jù)廣東省?高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》4.3.13通過調(diào)整地震剪力滿足抗規(guī)要求,并使其基底剪力不小于底部剪力法算得的總剪力的85%。〔6〕伸臂層和腰桁架層下層〔Y:33、44、55層〕與伸臂層側(cè)向剛度不滿足?高規(guī)》第3.5.2條規(guī)定,需對本層地震剪力放大1.25倍?!?〕腰桁架下層〔X:44層,Y:55層〕與腰桁架層抗剪承載力比分別為0.74、0.73,可通過提高剪力墻水平分布筋配筋率的方式進(jìn)行調(diào)整?!?〕剛重比小于2.7,但大于1.4,根據(jù)?高規(guī)》要求,需要考慮P-Δ效應(yīng)對水平力作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移的不利的影響?!?〕風(fēng)荷載、地震荷載作用下,基底未出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū),整體塔樓滿足整體穩(wěn)定性要求。5.2小震彈性時(shí)程分析
該項(xiàng)目采用SATWE程序進(jìn)行常遇地震下的彈性時(shí)程分析。選取II類場地上五組實(shí)際強(qiáng)震記錄和兩組人工模擬的場地波進(jìn)行彈性時(shí)程分析。經(jīng)分析得出如下結(jié)論:1〕底部大局部樓層時(shí)程反饋平均值小于反饋?zhàn)V結(jié)果。X、Y向從45層到屋面層時(shí)程剪力平均值大于反饋?zhàn)V結(jié)果,放大系數(shù)最大分別為1.15、1.13。對頂部樓層按反饋?zhàn)V地震作用放大后對構(gòu)件進(jìn)行驗(yàn)算,確保結(jié)構(gòu)計(jì)算的準(zhǔn)確性和平安可靠。由于本項(xiàng)目水平作用風(fēng)荷載起控制作用,施工圖設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)風(fēng)荷載和放大后地震力取包絡(luò);2〕時(shí)程涉及反饋?zhàn)V計(jì)算的層間最大位移角滿足標(biāo)準(zhǔn)限值1/500的要求;3〕位移曲線以彎曲型為主,無較大突變,結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度較為均勻;位移角曲線在避難層〔33層、44層、55層〕略有突變,設(shè)計(jì)中結(jié)合性能化目標(biāo)設(shè)計(jì)及大震下的彈塑性計(jì)算結(jié)果,對避難層及其相鄰高低層采取適當(dāng)構(gòu)造加強(qiáng)措施,確保構(gòu)件的承載力和良好的延性。
圖6層間位移角時(shí)程曲線比照
圖7樓層剪力時(shí)程曲線比照
5.3中震彈性和中震不屈服、大震不屈服驗(yàn)算
按選定的性能目標(biāo)C對結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)行中震彈性、中震不屈服和大震不屈服的驗(yàn)算。計(jì)算結(jié)果說明,底部加強(qiáng)區(qū)的剪力墻、穿層柱和伸臂桁架、腰桁架等關(guān)鍵構(gòu)件滿足中震、大震下的性能目標(biāo);非底部加強(qiáng)區(qū)的剪力墻和普通柱滿足中震抗剪彈性,抗彎不屈服和大震正截面可屈服,抗剪不發(fā)生脆性破壞的性能目標(biāo);框架梁和連梁滿足中震抗剪不屈服的性能目標(biāo)。
5.4動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析
選取2組天然波和1組人工波,采用ABAQUS和PKPM-SAUSAGE進(jìn)行結(jié)構(gòu)大震下的動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析。計(jì)算結(jié)果如表5。
通過ABAQUS和PKPM-SAUSAGE兩個(gè)程序的計(jì)算,大震下結(jié)構(gòu)最大層間位移角為1/151,最大剪重比在4.46%~5.62%之間,約為小震剪重比的4.5~5倍,體現(xiàn)了較好的耗能能力。分析結(jié)果說明,大震下剪力墻根本完好,僅部分出現(xiàn)輕度~中度的受壓損壞;加強(qiáng)層腰桁架和伸臂均未出現(xiàn)塑性應(yīng)變,剪力墻僅在44層加強(qiáng)層及上層個(gè)別應(yīng)力集中位置出現(xiàn)輕度受壓損壞;外框柱內(nèi)混凝土未出現(xiàn)受壓損壞及鋼筋塑性應(yīng)變,核心筒外鋼梁均未出現(xiàn)塑性應(yīng)變,僅核心筒內(nèi)混凝土梁的鋼筋出現(xiàn)輕微塑性應(yīng)變。結(jié)構(gòu)抗震性能良好,到達(dá)了預(yù)定的大震性能目標(biāo)。
6關(guān)鍵部位的結(jié)構(gòu)分析
6.1伸臂桁架與核心筒剪力墻連接分析
第33層及44層是設(shè)置伸臂桁架的結(jié)構(gòu)樓層。根據(jù)水平荷載作用下的分析,加強(qiáng)層剪力墻核心筒在伸臂桁架對對應(yīng)位置處受伸臂影響,沿伸臂高低弦對應(yīng)剪力墻相應(yīng)出現(xiàn)較大拉壓應(yīng)力區(qū),伸臂桁架的變形協(xié)調(diào)使得水平力作用下剪力墻筒體產(chǎn)生較大的內(nèi)力以及部分應(yīng)力集中現(xiàn)象,對應(yīng)剪力墻內(nèi)設(shè)置鋼桁架形成封閉受力體系。伸臂桁架和核心筒連接的大樣詳圖9。
圖8伸臂層大樣圖
圖9鋼桁架與墻內(nèi)型鋼連接大樣
對伸臂層剪力墻按照小震與100年風(fēng)組合及中震彈性組合工況下進(jìn)行受力分析。1.1倍50年風(fēng)荷載組合與中震彈性組合作用下,沿伸臂高低弦對應(yīng)剪力墻相應(yīng)出現(xiàn)與拉壓應(yīng)力區(qū),33層應(yīng)力水平為-15Mpa~5Mpa,44層應(yīng)力水平為-12Mpa~5Mpa。結(jié)構(gòu)布置考慮伸臂高低弦貫穿剪力墻,在伸臂與剪力墻連接處設(shè)置豎向型鋼,并向高低均延伸一層,增加墻水平和豎向分布筋配筋率至0.8%,可以滿足性能設(shè)計(jì)要求。1.1倍50年風(fēng)荷載彈性組合與中震彈性組合作用下,33層及44層大局部剪力墻的剪應(yīng)力水平在小于砼的抗拉強(qiáng)度計(jì)值;個(gè)別墻肢的最大剪應(yīng)力約為2.0MPa,略高于砼的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,通過設(shè)置一定的墻體水平鋼筋可滿足性能設(shè)計(jì)要求。
6.2與斜柱相連框架梁的拉〔壓〕彎分析
塔樓外框柱除部分樓層的個(gè)別柱外,均為斜柱,但斜度不大,在框架梁中產(chǎn)生的水平拉〔壓〕力較小。保證框架梁的可靠性,設(shè)計(jì)中進(jìn)行了100年風(fēng)和小震組合及中震彈性組合下構(gòu)件強(qiáng)度驗(yàn)算。底部柱子的軸力最大,且5~11層柱傾斜角度為2.9°,傾斜度相對較大。梁中水平壓力最大值為5349kN,最大拉力值為448kN,根據(jù)拉彎和壓彎構(gòu)件驗(yàn)算的結(jié)果,最大應(yīng)力均小于鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,可滿足設(shè)計(jì)要求。
6.3樓板應(yīng)力分析
為了考察加強(qiáng)層高低層樓層板在中震彈性作用下的平面內(nèi)受力情況,我們采用殼單元模擬上述樓層的樓板,進(jìn)行中震彈性作用下的樓板平面內(nèi)應(yīng)力分析。限于篇幅,列舉45層樓板應(yīng)力如圖10所示。第33及44層加強(qiáng)層高低層樓板在中震作用下大局部樓板平面內(nèi)分布力到達(dá)了2.5~3MPa,部分應(yīng)力集中區(qū)域更是到達(dá)了5MPa左右。第55層樓板在中震作用下大局部樓板平面內(nèi)分布力水平較低,僅在墻邊及柱邊位置處出現(xiàn)應(yīng)力集中,最大拉應(yīng)力約2.5MPa。56層樓板應(yīng)力相對較大,相當(dāng)一局部區(qū)域拉應(yīng)力到達(dá)了2.5MPa,墻邊及柱邊應(yīng)力集中區(qū)域到達(dá)了4MPa左右,設(shè)計(jì)時(shí)采用水平力作用下產(chǎn)生的樓板平面內(nèi)應(yīng)力疊加豎向荷載作用下樓板平面外受彎產(chǎn)生的應(yīng)力進(jìn)行配筋。
圖1045層X向〔左〕和Y向〔右〕中震作用下樓板應(yīng)力S11
7本項(xiàng)目的主要特點(diǎn)及加強(qiáng)措施
本項(xiàng)目為乙類建筑,結(jié)構(gòu)平安等級為二級,抗震措施由7度提高至8度,抗震等級按特一級。設(shè)計(jì)過程中,從計(jì)算分析、結(jié)構(gòu)布置、結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)及構(gòu)造等方面采取措施,確保結(jié)構(gòu)平安可靠,經(jīng)濟(jì)合理。
1、剪力墻軸壓比嚴(yán)格控制≤0.5。對于本項(xiàng)目,由于底部控制墻厚的要求,原混凝土剪力墻部分軸壓比超過0.5。采用在剪力墻中設(shè)置型鋼來控制軸壓比。根據(jù)廣東省?高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》12.4.12條,計(jì)算公式為:,
N為重力荷載代表值作用下軸壓力設(shè)計(jì)值。通過設(shè)置型鋼,控制了軸壓比及截面,保證了建筑功能的要求。
2、根據(jù)性能目標(biāo)計(jì)算要求,底部加強(qiáng)區(qū)〔8層及下列〕核心筒墻身水平及豎向分布筋配筋率提高至0.8%;核心筒四個(gè)角部的約束邊緣構(gòu)件豎向配筋率增至2%,配箍特征值比標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造要求增大50%。
3、伸臂桁架的高低弦延伸入筒體,對應(yīng)剪力墻內(nèi)設(shè)置斜撐形成封閉受力體系;伸臂桁架與核心筒剪力墻連接處設(shè)置型鋼混凝土約束邊緣構(gòu)件,型鋼柱向相鄰高低層延伸各一層。實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)傳力的可靠性及抗震延性,滿足的性能目標(biāo)要求。
4、對剪力墻在39層收進(jìn)導(dǎo)致豎向變形差較大而引起的墻抗剪承載力缺乏的情況,在37、38層局部墻中配置抗剪鋼板,以提高其抗剪承載力;并將收進(jìn)的上兩層即39、40層邊墻豎向、水平配筋率提高至0.6%。
5、針對加強(qiáng)層處剛度突變引起加強(qiáng)層及其高低層應(yīng)力集中的情況,并根據(jù)動(dòng)力彈塑性分析結(jié)果的倡議,將33、44加強(qiáng)層及其高低各一層墻肢豎向、水平配筋率提高至0.8%。
6、結(jié)合相應(yīng)設(shè)防水準(zhǔn)下關(guān)鍵樓層樓板的有限元
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