深圳中國壽險(xiǎn)大廈結(jié)構(gòu)分析

深圳中國壽險(xiǎn)大廈結(jié)構(gòu)分析

1結(jié)構(gòu)體系及設(shè)計(jì)深圳中華壽山大廈位于深圳福田中心區(qū)南區(qū)中心，主要由辦公室塔、窗簾房和地下室組成。其中，6層和21層是建筑庇護(hù)層，總建筑面積約7830.8231米。超高層辦公塔樓采用框架-核心筒結(jié)構(gòu),地上35層,結(jié)構(gòu)主屋面高度為149.30m,建筑高寬比為4.5,核心筒高寬比為11.6;裙房共4層,屋面高度為17.400m;地下室5層,底板面標(biāo)高為-22.6m。1層層高為6.0m,2層層高為4.4m,3層層高為4.5m,其他層層高均為4.2m,突出屋面構(gòu)架層高為20.7m。建筑效果圖和剖面圖見圖1,2。該工程設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年,結(jié)構(gòu)安全等級為二級;工程設(shè)防類別為丙類,抗震設(shè)防烈度為7度,設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g,地震分組為第一組,場地類別為Ⅱ類,特征周期Tg及設(shè)防水準(zhǔn)最大地震影響系數(shù)αmax分別為0.35s和0.092(安評報(bào)告取值);地面粗糙度為C類,風(fēng)作用下結(jié)構(gòu)水平位移計(jì)算時(shí)基本風(fēng)壓為0.75kN/m2,承載能力計(jì)算時(shí)取基本風(fēng)壓的1.1倍。采用機(jī)械鉆(沖)孔灌注樁基礎(chǔ),選擇中~微風(fēng)化粗?；◢弾r為樁端持力層。2結(jié)構(gòu)體系及設(shè)計(jì)為滿足建筑立面的需要,塔樓南側(cè)11層以下部位及裙房外框柱采用斜柱形式;首層為滿足建筑電梯大堂空間需要,部分外框柱為穿層柱。結(jié)構(gòu)整體計(jì)算模型及典型平面結(jié)構(gòu)布置圖見圖3~6,主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸及混凝土強(qiáng)度等級見表1。斜柱采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu),其截面尺寸由底部(1500×1500)/(1200×1800)逐漸收縮為1100×1100。斜柱沿Y方向傾角3°,沿X方向最大傾角90°-67°=23°。南側(cè)斜柱豎向定位見圖7。3結(jié)構(gòu)體系分析該工程存在:1)高度超限:超A級鋼筋混凝土最大適用高度;2)偏心布置:塔樓與相鄰裙房層質(zhì)心偏心率為16.9%;3)樓板不連續(xù):2層樓板開洞面積大于30%;4)其他不規(guī)則:3層以下存在穿層柱、11層以下存在斜柱。本工程屬于超A級高度的特別不規(guī)則結(jié)構(gòu),按相關(guān)規(guī)定于2011年5月進(jìn)行申報(bào)并通過了超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查。綜合考慮抗震設(shè)防類別、設(shè)防烈度、場地條件、建筑物的功能、結(jié)構(gòu)的特征、構(gòu)件的部位和重要程度以及發(fā)展商的需求等,結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)選定為C級。采用SATWE及MIDAS/Gen兩種三維空間結(jié)構(gòu)分析程序進(jìn)行計(jì)算比較,按振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行多遇地震和風(fēng)荷載作用下彈性分析及彈性時(shí)程補(bǔ)充分析;采用SATWE進(jìn)行設(shè)防烈度地震作用下中震彈性及中震不屈服分析,各項(xiàng)設(shè)計(jì)控制指標(biāo)均滿足相對應(yīng)性能水準(zhǔn)的抗震性能目標(biāo)要求;并采用MIDAS/Building系列軟件中的建筑結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)軟件結(jié)構(gòu)大師(StructureMaster)進(jìn)行罕遇地震作用下動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析,在滿足抗震性能目標(biāo)要求的同時(shí),找出結(jié)構(gòu)薄弱部位和薄弱構(gòu)件,并采取了針對性的抗震加強(qiáng)措施。上述具體分析結(jié)果不再贅述。下面列出斜柱及相連構(gòu)件的抗震性能目標(biāo)(表2),考慮到斜外框柱及與之相連樓面梁板對整體結(jié)構(gòu)的重要性,本工程均定義為結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件。4斜柱軸力引起的變形相對于直柱,柱傾斜后軸向剛度對側(cè)向剛度的貢獻(xiàn)會明顯增加,將會對水平地震作用下的結(jié)構(gòu)受力特性產(chǎn)生顯著影響;同時(shí)斜柱軸力引起的水平分量會對相連樓層,尤其柱頂、底部柱端相連樓層的樓面梁板產(chǎn)生巨大的水平推力,使樓板平面內(nèi)產(chǎn)生較大的變形。因此,對斜柱及與之相連水平構(gòu)件的受力特性和內(nèi)力進(jìn)行詳細(xì)分析,并采取相應(yīng)的構(gòu)造及加強(qiáng)措施,通過結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)的實(shí)現(xiàn),確保結(jié)構(gòu)的安全可靠。4.1框架剪力的調(diào)整為保證作為第二道防線的外框架具有一定的抗側(cè)力能力,需要對框架承擔(dān)的剪力予以調(diào)整。對于部分軟件把斜柱作為支撐斜桿來考慮而不是柱單元處理時(shí),應(yīng)當(dāng)按規(guī)范進(jìn)行內(nèi)力調(diào)整,按照組合后的內(nèi)力,重新對斜柱進(jìn)行配筋驗(yàn)算。4.2斜柱和10層結(jié)構(gòu)的彈塑性分析為實(shí)現(xiàn)斜柱中震彈性的抗震性能設(shè)防目標(biāo),計(jì)算中地震影響系數(shù)最大值αmax和特征周期按安評報(bào)告取值、取消組合內(nèi)力調(diào)整、連梁剛度折減系數(shù)取0.5、材料強(qiáng)度取設(shè)計(jì)值、荷載作用分項(xiàng)系數(shù)及材料分項(xiàng)系數(shù)和抗震承載力調(diào)整系數(shù)同小震取值,并不考慮風(fēng)荷載效應(yīng),來驗(yàn)證斜柱的長細(xì)比、軸向承載力及受彎承載力是否有足夠的安全儲備。典型斜柱(1層的?/(A-11)軸的斜柱、4層的?/(A-8)軸的斜柱和10層的?/(A-5)軸的斜柱)的分析結(jié)果見表3。罕遇地震作用下動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析中,對于鋼筋混凝土梁、柱桿系構(gòu)件采用三折線鉸類型并輸出兩種狀態(tài):第1狀態(tài)是開裂及開裂到屈服前狀態(tài),第2狀態(tài)是屈服及屈服后狀態(tài)。分析X,Y主方向地震動(dòng)作用下框架柱彎曲(Rx,Ry,Rz)彈塑性狀態(tài)分布圖,作為主要抗側(cè)力構(gòu)件的框架柱(包括斜柱)大部分處于彈性工作狀態(tài),頂部和底部一些樓層少量的框架柱出現(xiàn)了第1狀態(tài)的彎曲開裂,但均未發(fā)生彎曲屈服和剪切破壞,可以作為有效的抗側(cè)力二道防線,具有較好安全儲備,達(dá)到了罕遇地震作用下的抗震性能設(shè)防目標(biāo)的要求。為了考慮罕遇地震作用下樓層框架梁、樓板先于斜柱屈服,樓蓋剛度退化對斜柱產(chǎn)生的影響,分別對與斜柱相連框架梁采用不同的配筋率及梁內(nèi)加設(shè)型鋼等設(shè)計(jì)工況,根據(jù)出鉸后整體變形云圖來考察11層斜柱頂端的頂點(diǎn)位移變化情況,見表4。由表4可看出,隨著樓蓋剛度的退化,斜柱結(jié)構(gòu)水平位移逐漸增大;增大與斜柱相連框架梁配筋率,斜柱頂端水平位移逐漸減小;框架梁采用型鋼混凝土梁后,斜柱頂端水平位移進(jìn)一步減小。因此,在對帶斜柱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,應(yīng)充分考慮樓蓋梁板剛度及大震剛度退化后對斜柱構(gòu)件受力的影響,適當(dāng)加強(qiáng)與斜柱連接處樓板和樓面梁的截面及配筋等構(gòu)造,確保罕遇地震作用下斜柱的整體穩(wěn)定和承載能力。4.3斜柱屈曲分析由于穿層斜柱構(gòu)件端部約束條件復(fù)雜,為進(jìn)一步了解其穩(wěn)定性,對穿層斜柱進(jìn)行屈曲分析,以確定穿層斜柱的實(shí)際計(jì)算長度和極限承載能力。采用ANSYS的特征值屈曲分析,得到屈曲荷載系數(shù)和屈曲模態(tài),并通過屈曲荷載系數(shù)與外加荷載相乘,得到屈曲荷載。典型斜柱屈曲分析模態(tài)示意圖和計(jì)算結(jié)果分別見圖8和表5。從分析結(jié)果(表5)可知,穿層斜柱可承受的極限荷載遠(yuǎn)大于實(shí)際初始荷載;設(shè)計(jì)時(shí)穿層斜柱有效長度系數(shù)取計(jì)算值且不小于1.25。因此穿層斜柱的設(shè)計(jì)是偏于安全的。4.4單元模擬結(jié)果為了更加準(zhǔn)確地了解斜柱的承載能力及節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布情況,采用ANSYS對斜柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行非線性分析?；炷敛牧线x用能夠模擬混凝土開裂和破碎的Solid65單元,混凝土本構(gòu)關(guān)系采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010—2010)附錄C推薦的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系公式;縱筋選用Link8單元模擬,內(nèi)置鋼骨通過Solid65單元自帶分布式鋼筋模型表現(xiàn),鋼筋材料用vonMises隨動(dòng)強(qiáng)化模型定義。選擇最大荷載工況組合,讀取上部柱子各個(gè)方向的荷載值,下部斜柱均按固支來計(jì)算。計(jì)算結(jié)果見圖9。從分析結(jié)果(圖9)可看出:混凝土變形非常小,壓力分布比較均勻,最大值沒有超過規(guī)范限值;鋼筋應(yīng)力局部達(dá)到近120MPa,也沒有超過鋼筋屈服應(yīng)力;從壓碎圖來看,沒有出現(xiàn)壓碎和裂縫的區(qū)域。說明斜柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)具有足夠的承載能力和安全儲備。4.5框架梁受彎彈塑性分析位于斜柱交接處的接層,與斜柱相連的框架梁受到斜柱軸向力水平分量分配來的拉、壓力。計(jì)算時(shí),框架梁按拉(壓)彎構(gòu)件進(jìn)行多遇地震及風(fēng)荷載作用下的承載力驗(yàn)算和設(shè)防烈度地震作用下的構(gòu)件不屈服驗(yàn)算,并根據(jù)計(jì)算結(jié)果包絡(luò)進(jìn)行框架梁設(shè)計(jì),確?？蚣芰盒≌饛椥?、中震不屈服的抗震性能設(shè)防目標(biāo)?？紤]軸力組合工況的框架梁驗(yàn)算結(jié)果見表6,表中僅給出4根典型框架梁的驗(yàn)算結(jié)果。罕遇地震作用下動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析中,對于鋼筋混凝土樓面梁桿系構(gòu)件也采用三折線鉸類型并輸出兩種狀態(tài):第1狀態(tài)是開裂及開裂到屈服前狀態(tài),第2狀態(tài)是屈服及屈服后狀態(tài)。分析X,Y主方向地震動(dòng)作用下框架梁受彎彈塑性狀態(tài)分布圖和地震作用下梁端彎曲彈塑性狀態(tài)比例的統(tǒng)計(jì),頂部一些樓層框架梁梁端先進(jìn)入屈服狀態(tài),再向底部、中間樓層發(fā)展;底部一些樓層連梁梁端率先進(jìn)入屈服狀態(tài),然后頂部一些樓層連梁也進(jìn)入屈服狀態(tài),再向中間樓層發(fā)展。作為主要耗能構(gòu)件的框架梁,大部分梁端進(jìn)入了第2狀態(tài)的屈服狀態(tài),但均未發(fā)生剪切破壞。連梁普遍先于框架梁進(jìn)入屈服狀態(tài),框架梁起到了第二道耗能構(gòu)件的作用。對個(gè)別剪應(yīng)力水平較高的框架梁,應(yīng)滿足抗剪截面控制條件且適當(dāng)采取加強(qiáng)措施,確保達(dá)到罕遇地震作用下的框架梁抗震性能設(shè)防目標(biāo)的要求。4.6大震作用下樓板應(yīng)力分析與斜柱相連的樓面板承受較大的軸向力,在樓板內(nèi)產(chǎn)生較大的變形,傳統(tǒng)的平面剛度無窮大的假定不再成立。為保證小震基本組合工況和中震作用下樓板的抗震性能目標(biāo)的實(shí)現(xiàn),計(jì)算采用反應(yīng)譜法,選擇同時(shí)考慮樓板面內(nèi)、面外剛度的殼單元來模擬彈性樓板進(jìn)行樓板應(yīng)力分析;大震作用下樓板采用膜單元模擬,不考慮平面外剛度,來近似模擬部分樓板出現(xiàn)裂縫而引起的剛度退化。與斜柱頂層相連樓層樓板在小震、中震及大震X向作用下的11層樓板應(yīng)力見圖10。樓板配筋設(shè)計(jì)時(shí),按同時(shí)考慮板內(nèi)軸力、恒荷載及地震作用下產(chǎn)生的彎矩組合工況的拉彎構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì),確保在小震和中震作用下樓板不出現(xiàn)貫通性裂縫;大震作用下控制樓板不出現(xiàn)抗剪屈服,對部分應(yīng)力水平較高的樓板只考慮鋼筋抵抗該部分拉力計(jì)算樓板配筋,并控制鋼筋應(yīng)力,確保各層樓板的鋼筋不屈服;此外,為了考慮樓面梁剛度退化引起與之相連的構(gòu)件產(chǎn)生的內(nèi)力重分配,導(dǎo)致樓板承擔(dān)拉、壓力的增加,偏于安全地將框架梁軸力的50%由樓面板承擔(dān)進(jìn)行樓板配筋驗(yàn)算,樓板配筋按二者結(jié)果包絡(luò)驗(yàn)算,保證樓板的可靠傳力。4.7剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)(1)斜柱及穿層柱采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu),柱內(nèi)型鋼滿足最小含鋼率的構(gòu)造要求,并向上、下各延伸一層。在滿足強(qiáng)柱弱梁的抗震原則、減小柱的軸向變形、避免斜柱與直柱交接樓層的剛度突變的同時(shí),也確保了斜柱的承載能力和足夠的延性性能。(2)斜柱頂端樓層縱向框架梁采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu),橫向框架梁適當(dāng)加強(qiáng)上下縱筋及腰筋,箍筋全長加密;斜柱底端直接支承在地下室外墻上,設(shè)計(jì)時(shí)在外墻頂部增設(shè)邊框梁并適當(dāng)加大該梁縱筋配筋率和配箍率,以保證更好地傳遞底部水平推力。(3)斜柱底端首層樓板厚取180mm、頂端11層樓板厚取150mm,并按配筋率0.2