角部重迭菱形组合平面的复杂高层建筑结构设计.pdf

第24卷第3期 2008年6月 结 构 工 程 师 Structural Engineers Vol . 24, No. 3 Jun. 2008 收稿日期 2008 - 02 - 15 角部重叠菱形组合平面的复杂 高层建筑结构设计 罗志远 奚震勇 同济大学建筑设计研究院,上海200092 摘 要 介绍了上海市区某幢具有角部重叠菱形组合平面、45 斜交抗侧力构件、 转换层等特点的复杂 高层建筑结构设计,探讨其平立面结构选型、 结构布置、 结构分析与构造处理特点,比较了选用两种不 同力学模型的有限元分析设计软件按振型分解反应谱法进行结构整体受力及楼板应力分析结果,以及 采用弹性时程分析法进行的补充计算结果。最后总结提出了解决此类复杂高层建筑结构设计关键问题 的主要方法和思路控制上下层刚度比、 实现刚度周边化、 合理对称布置斜交抗侧力构件、 加强洞口周边 构件缓解应力集中等。 关键词 角部重叠形平面,斜交抗侧力构件,转换层,扭转效应 StructuralDesign of a Complicated High2Rise Buildi ngW ith Overlapping D i amond2Shaped Plane LUO Zhiyuan XI Zhenyong The ArchitecturalDesign 地下1层的抗震 等级同首层,地下2层的抗震等级采用三级。 顶部两层28, 29层取消了左翼的3套住宅 单元,局部收进的水平尺寸为12. 50 m,局部收进 的水平尺寸与相邻下层的水平向投影尺寸的比值 为25。 框支柱截面尺寸结合建筑平面布置取800 mm800 mm - 1 200 mm1 200 mm不等;框支 梁截面尺寸根据上部墙体及跨度情况取800 mm 1 200 mm - 1 200 mm2 100 mm不等跨高比 约3. 3～4. 5。抗震墙厚度2层以下500～200 mm, 3层及以上350～200 mm。 10层及以下结构构件混凝土强度等级采用 C40, 10层以上各层结构构件混凝土强度等级均 采用C35。 由于上部墙体难以连续布置,多数墙肢相对 13 设计方法研究 结构工程师第24卷第3期 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 框支梁轴线偏心较大墙与梁一侧平齐 , 且不少 墙肢的大部分截面落在框支柱截面范围之外,因 此框支梁承受了较大的剪力和扭矩。 2. 2 平面体系特点与布置 建筑平面近似由3个菱形在角部重叠串联而 构成其中,中间的菱形北侧楼板削掉一角,仅挑 出透空构架保持平面轮廓 , 平面投影尺寸长 49. 7 m,宽24. 9 m 如按平面面积与惯性矩相同 的原则确定,平面折算宽度为17. 6 m ,东西两翼 基本对称。标准层的两翼各有3套公寓单元,中 部南侧有1套公寓单元,正中为4个电梯井,中部 北侧为楼梯间,在两翼与中部的衔接部位各有1 个五边形的内天井,标准层长向即东西两半基 本对称。公寓房间的开间进深方向主要沿 45方向,而中部楼电梯厅轴线方向则为0及 90方向。平面在 45 方向上的投影宽度约为 38. 8 m28. 3 m。 中部与两翼的衔接部位,形成4个较深的三 角形凹口,凹口深度约为7. 6 m,凹口深度与相应 投影方向总尺寸的比值约为30. 5。衔接部位 即菱形的交界处宽度较小,仅约10 m,且该部 位南侧为五边形的内天井,内侧又与楼电梯井距 离较近,有效楼板宽度因为有这些洞口的存在而 变得更加狭窄,连接薄弱,造成了楼板的平面内刚 度变化较大,应力集中较显著。 根据建设方的要求,在外墙转角处的卧室均 采用较大的转角窗,由此削弱了结构的抗侧刚度 和扭转刚度。加上0 90 和 45 方向的抗侧 力构件混合布置,结构的扭转效应较难控制。 楼盖结构采用现浇钢筋混凝土梁板体系,连 梁宽度同墙厚,普通梁截面200 mm400 mm - 200 mm600 mm。楼屋面板转换层楼板厚200 mm;转换层上一层的楼板厚160 mm;一般楼面板 厚120～160 mm;屋面板150 mm。 3 主要抗震加强措施 3. 1 针对竖向不规则的加强措施 1调整剪力墙布置,使墙肢截面绝大部分 落在框支主梁上,以一次转换为主;在框支主梁跨 中附近布置横向次梁或框支次梁,利用次梁的抗 弯刚度减小由于上部墙体偏置对主梁产生的扭转 不利影响,同时也提高了转换层的整体刚度。 2将底层落地剪力墙加厚,在未转换的剪 力墙周边也尽可能加设梁柱,形成带边框剪力墙, 补偿底层被削弱的刚度,使上下层刚度比接近1。 3增加转换层及其上一层楼板厚度板厚 分别取200 mm和160 mm ,并采用双面双向配 筋,且每面每方向的配筋率不小于0. 4 ,以加强 平面整体性,提高延性,保证水平力的可靠传递。 4被转换的墙体传递给水平转换构件的地 震内力乘以1. 25～1. 5的增大系数; 5在立面收进较大的28层楼面,楼屋 面板加厚,提高屋盖的整体性,利于水平力传递, 同时对其上下一层的竖向构件也进行适当加强。 6将地下室顶板作为上部结构的嵌固部 位。除加厚地下室顶板厚度外,采取充分利用建 筑隔墙部位增设混凝土墙体、 加厚地下室范围内 的墙厚等方法加强地下室结构的楼层抗侧刚度, 使其不小于相邻上部楼层抗侧刚度的2倍。 3. 2 针对平面不规则的加强措施 1加厚标准层两翼外墙的厚度至350 mm 左右,并充分利用窗台全高设置连梁,增加平面外 围,尤其是东西两端的抗侧刚度,从而提高整体结 构的抗扭刚度,减小扭转效应。 2中部与两翼衔接部位的内天井四周用混 凝土墙封闭,围合成一个五边形的筒体,并使其落 地。在五边形筒体南侧顶点也是楼层平面凹口 的内折点增加边框柱,缓解应力集中情况,增加 该部位结构的强度与延性,使此筒体更有效地起 到连接作用。 3紧邻边框柱的内天井内南侧三角区域加 设160 mm厚的水平横隔板,并在该板边设加劲 边梁。内天井周边及其与电梯井道间的楼电梯厅 等部位的楼板同时加厚,并采用双面双向配筋,且 每面每个方向的配筋率不小于0. 4 ,使其能有 效地承受水平地震作用下楼屋面板平面内力。 4中部北侧楼电梯间形成的洞口集中区 域,造成楼面刚度的较大削弱,设计上将楼梯板嵌 入剪力墙整浇,并将每个楼梯间、 电梯间均用混凝 土墙封闭,形成组合筒体,提高整体性。 3. 3 其他调整加强措施 由于建筑开间布局的限制,多数抗侧力构件只 能沿 45方向布置,但在此方向上结构不对称,对 抗震不利。因此剪力墙的布置尽可能使 45方向 23Structural EngineersVol . 24,No. 3Study ofDesign 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 刚度接近,使得地震作用最大方向接近平面对称轴 方向 0 或90。同时,在保持剪力墙肢布置整体 较均匀、 防止出现抗震薄弱环节的前提下,适当减 小内部剪力墙肢长度,增加边、 角剪力墙肢的长度 和厚度,即实现“ 刚度边缘化 ”,以提高结构在不同 地震作用方向下的综合抗扭性能。 4 结构计算分析 4. 1 主要计算结果 弹性工作状态时的线性静力计算采用两种不 同力学模型的软件进行,即中国建筑科学研究院 编制的高层建筑结构空间有限元分析与设计软件 SAT WE程序和特殊多高层建筑结构分析与设计 软件PMSAP程序。结构分析采用空间结构计算 模型计算模型以地下室顶盖作为嵌固端 , 局部 楼板采用符合楼板平面内实际刚度变化的弹性板 模型。采用振型分解反应谱法,并计入水平地震 作用下的扭转影响,振型数取21个,振型有效质 量大于90。主要计算结果见表1、 表2。 另外,本工程采用弹性时程分析法进行补充 计算,加速度时程曲线选择SAT WE程序提供的 两组天然波TH2TG090, N I N24及一组人工波 SHM224。主要分析结果见表3、 表4和表5。 表1地震作用方向为0 90时的分析计算结果汇总表 Table 1Results of seis m ic analysis in direction of 0 90 软 件 计算内容 SAT WEPMSAP 前6周期结构自振周期[X向 Y向扭转] /s 周期周期 2.074[0.01 0.97 0.02]2.090[0.01 0.97 0.02] 1.709[0.91 0.01 0.08]1.712[0.87 0.02 0.11] 1.622[0.09 0.04 0.87]1.555[0.13 0.03 0.84] 0.565[0.04 0.92 0.04]0.566[0.06 0.91 0.03] 0.512[0.95 0.05 0.00]0.504[0.90 0.07 0.03] 0.479[0.01 0.06 0.93]0.459[0.05 0.04 0.91] 第一扭转平动周期比Tt/T1 0.781.6 2.70 1.6 地震总弯矩/ kN m X向763 466673 674 Y向645 575570 123 最大抗侧刚度比Rat等效剪切刚度,本层比下层 X向1.51[2层 ] 2.77.962.7 框支柱最大轴压比0.641.6 2.47 1.6 地震总弯矩/ kN m X向564 823477 567 Y向595 156517 830 最大抗侧刚度比Rat等效剪切刚度,本层比下层 X向同表1同表1 Y向同表1同表1 柔软层刚度比Rat1本层刚度与上层刚度70的比值和 本层刚度与上三层平均刚度80的比值中的较小者 X向同表1同表1 Y向同表1同表1 楼层抗剪承载力比最小值本层比上层 Min{Ratio_Bu} X向同表1同表1 Y向同表1同表1 结构刚重比EJd/GH2 X向同表1同表1 Y向同表1同表1 框支柱最大轴压比同表1 注 1圆括号内为规范允许值。 2X, Y方向为模型的正交方向即0,90 方向。 表3弹性时程分析计算结果汇总表一 Table 3Results of elastic time2history analysisⅠ 计算情况 最大楼层位移/mm最大层间位移角 X向 0 Y向 90 X向 0 Y向 90 主方向次方向主方向次方向主方向次方向主方向次方向 天然波TH2TG09028.354.2542.283.581/2 3461/8 1771/1 6281/8 924 天然波N I N2441.835.6841.365.511/1 6641/6 4461/1 4961/5 794 人工波SHM22447.765.3462.725.271/1 5281/5 7051/1 1631/6 353 平均值39.315.0948.794.791/1 7691/6 7271/1 4161/6 988 CQC法45.9164.691/1 3811/1 053 表4弹性时程分析计算结果汇总表二 Table 4Results of elastic ti me2history analysisⅡ 计算情况 最大楼层剪力/kN最大楼层弯矩/ kN m X向 0 Y向 90 X向 0 Y向 90 主方向次方向主方向次方向主方向次方向主方向次方向 天然波TH2TG0907 5218936 162894440 47634 299396 92032 787 天然波N I N2411 0971 2996 9631 299621 29849 484365 80246 849 人工波SHM22412 7491 11111 4451 111712 55148 176592 48347 182 平均值10 4561 1018 1901 101591 44143 987451 73542 273 CQC法11 0291 7599 6271 759673 67489 154570 12389 505 43Structural EngineersVol . 24,No. 3Study ofDesign 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 表5框支层底层墙柱分担表 Table 5Table of distribution of innerforces between columns and shear walls at transfer story 构件 类别 面积 /m2 合轴力 恒活 /kN 分担的基底地震倾覆弯矩绝对值 kN m 和百分比 分担的基底地震剪力绝对值 kN m 和百分比 平均地震剪应力 / kNm - 2 X向Y向X向Y向X向Y向 底层框支柱37.7173 81223 630 \2.831 595 \4.71 832 \17.91 752 \19.058.954.7 底层剪力墙47.5202 940816 407 \97.264 8422 \95.39 197 \82.17 875 \81.0215.2184.7 4. 2计算结果的分析判断 1 竖向刚度分析 结构在风荷载、 水平地震作用下的最大顶点 位移与总高度比值、 最大层间位移角均满足高 规 JGJ 32002的要求,X, Y方向的刚度比较 接近,剪重比也在合适的范围内。 首层转换层上下楼层刚度比等效剪切刚 度 X 方向为1.51, Y方向为1.53,均满足规范限 值2.0的要求。结构刚重比X方向为10.52, Y方 向为6.71,满足高层建筑结构的稳定性要求。 结构的平动主振型方向基本上均沿0 或90 方向。在45 - 45方向地震作用下的结构地 震反应小于0 90 方向地震作用下,较好地实 现了预期的结构体系构思。 另外,带地下室部分的模型计算分析显示,地 下室1层与相邻上部楼层即首层侧向刚度比 约为2. 5,大于规范规定的2. 0,满足地下室顶板 作为上部结构嵌固端的要求。 2 平面刚度和扭转效应分析 结构的第一扭转周期出现在第三周期,Tt/T1 0. 78 0. 85。楼层最大弹性水平位移与两端弹 性水平位移平均值的最大比值,地震作用沿0 90 方向时,X方向为1.14, Y方向为1.39;地 震作用沿 45 方向时, X方向为1.26, Y方向为 1. 25,均小于建筑抗震设计规范 GB 50011 2001的对平面不规则结构的限值 1. 5。可见,通 过结构构件的合理布置,有效地控制了结构扭转 效应,尤其是沿 45地震作用下扭转效应的控制 更为理想。 弹性楼板的应力分析表明,设计加强的薄弱 部位楼板在竖向荷载和水平力作用下无明显应力 集中现象,应力变化平缓,应力峰值得到较好控 制,配筋率合理。图8给出的X, Y方向地震作用 下的楼板正应力等值线图显示,转换层楼板在水 平地震作用下正应力幅值约为0. 4～0. 8 MPa, 8 层标准层楼板正应力幅值约为1. 1～1. 6 MPa。 图8 弹性楼板应力图 Fig . 8 Stress diagram of elastic slabs 53 设计方法研究 结构工程师第24卷第3期 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 3 时程分析及薄弱层判断 首层的柔软层刚度比即本层刚度与上层刚 度70的比值和本层刚度与上三层平均刚度 80的比值中的较小者X向为0.85, Y向为 0. 83,属于薄弱层,但其抗侧力结构的受剪承载力 大于二层,满足规范要求。 时程分析所选用的时程曲线计算所得的最小 底部剪力约为振型分解反应谱法求得的底部剪力 的70 ,多条平均值约为振型分解反应谱法求得 的底部剪力的90 ,与振型分解反应谱法统计意 义相符。时程分析的结果显示最大楼层位移曲 线平滑,无明显突变;最大层间位移角曲线平滑, 呈两头小,中部略大,无明显突变;最大楼层剪力、 最大楼层弯矩均无明显突变。 4 两种程序计算结果的比较 SAT WE与PMSAP计算的结构自振周期非常 接近,扭转周期出现的顺序基本一致,各振型中平 动、 扭转分量的比例也比较接近。结构顶点位移、 层间位移、 总质量、 地震总剪力、 剪重比、 地震总弯 矩等均接近。总体而言,采用两种不同力学模型 程序的计算结果吻合程度较好,可以认为本工程 的结构体系布置合理。 本工程的初步设计方案顺利通过了上海市抗 震办组织的专家委员会的专项审查,现已竣工并 投入使用。 5 总结与体会 国家基础建设的持续发展,促进了建筑行业 的不断推陈出新,对高层、 超高层建筑在造型、 功 能上不断提出挑战,结构平面或竖向不规则的高 层建筑的出现几乎已经成为不可避免的现象,其 中,超限高层的比例也在不断增长,因此,一味回 避超限问题是不现实的。对于各种特殊的不规则 或超限的高层建筑,只要把握正确的结构概念,确 立合理可行的结构体系,认真分析个案特点,采用 符合结构实际受力状态的力学模型的结构计算程 序进行计算,反复优化构件布置,并采取有效的结 构构造措施,应该能够实现满足现行规范规程要 求的、 安全、 经济且适用的结构设计。 总结本工程的设计实践,对类似的复杂高层 建筑结构设计,有以下几点思路可供参考 1应控制转换层上下结构等效侧向刚度, 宜接近1;尽可能避免多次转换或转换路径过长。 2着重加强周边,尤其是长向两端的抗侧 构件刚度,即实现“ 刚度周边化 ”,控制结构扭转 效应。 3合理布置斜交抗侧力构件,使结构双向 刚度接近,并使结构主要振型方向沿主要的对称 轴方向。 4组合平面的交接部位通常为设备管线、 人流交通、 采光通风的竖向通道,开洞较多,楼板 削弱严重,可采取加强洞口边板、 在应力集中处加 厚剪力墙、 设边柱等措施,以缓解应力集中情况。 参考文献 [ 1 ] 中国建筑科学研究院. JGJ 32002高层建筑混凝 土结构技术规程[ S].北京中国建筑工业出版 社, 2002. [ 2 ] 中华人民共和国建设部. GB 500112001建筑抗 震设 计 规 范[ S ].北 京中 国 建 筑 工 业 出 版 社, 2001. [ 3 ] 上海市建设工程标准定额管理总站.上 海市 工程 建设规范 DGJ 0892003建筑抗震设计规程 [ S], 2003. 63Structural EngineersVol . 24,No. 3Study ofDesign 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.