超限高层建筑结构抗震设计.pdf

第7 期 z o o 6 7 月 ；- I- g -5 1 ． GU ANGD0NG ARC HI T E C TURE C I VI L E NGI NEE RI NG N o ． 7 J U L 2 O 0 6 超限高层建筑结构抗震设计 陈 丽 红 1 、 广东省建科建筑设计院 广州 5 1 0 5 0 0 冷立群 2 2 、 广州市民用建筑科研设计院 广州 5 1 0 0 5 5 摘 要 介 绍广州某超限高层转换层 的结 构超 限情 况、 抗震计算分析 、 主要抗震措施及 有关结 构概 念设计 等 ， 同 时对本工程设计 中几个主要 f “l 题 的处理也进行 了较详细的探讨 ． 供 同类工程设计参考。 关键词 超限高层 ；转换层 ；抗震计 算分析 ；抗震 构造措施 1 前言 超限高层建筑 T程是指超 出国家现行规范 、 规 程所规定的适用高度和适用结构类 型的高层建筑 工程 ， 体型特别不规则的高层建筑工程 ， 以及有关 政府管理机构文件 中规定应进行抗震 专项审查的 高层建筑T程。 在超限高层建筑1 _ 程设计中， 除应遵 守现有技术标准的要求外 ， 还有 以下特殊要求 ①超 限程度控制和结构抗震概念设计 ； ②结构抗震计算 分析要求； ③结构抗震构造措施要求； ④地基基础抗 震设计要求 ⑤必要时应包括结构抗震试验要求。 本文通过对广州某超 限高层建筑结构的抗震计 算分析与设计 ， 探索此类结构的抗震性能和设计方 法 ， 为此类结构的设计和应用提供参考 。 2工程 概况 广州某商住楼工程为地上 2 9层 ， 地下 3层 ， 总 建筑面积约 6万 m ， 其 中地下 3层为车库和设备用 房 1 ～ 3 层为商场 ， 4 ～ 5层为办公用房 ， 6层为设备转 换层与空 中花 园． 7 ～ 2 9层为住宅 。利用 7层楼盖作 为结构转换层 ． 地面以上建筑总高度为 9 5 ． 4 m。 该工程主体采用钢筋混凝土框架一 剪力墙 ， 柱 截面 为 8 0 0 x 1 2 0 0、 9 0 0 x l 2 0 0 ，墙 厚 2 0 0 ～ 4 0 0 mm， 板 厚为裙楼 1 1 0 mm、 住宅 1 0 0 m m、 天面 1 2 0 m m、 转换 层 1 8 0 mm， 梁 截面为 2 0 0 x 4 0 0 ～ 2 5 0 x 6 0 0 。 转 换层框 支梁为 4 0 0 x 1 4 0 0 ～ 5 0 0 x 1 6 0 0 。本工程抗震设 防烈度 为 7度 ， 设计地震分组属第一组 ， 建筑设 防类别为 丙类 ， 场地类别为 Ⅱ类 ； 抗震等级分别为 底部加强 部位 1 ～ 8层 剪力墙为一级 ， 8层 以上 为二级 无翼 缘或端柱的一字型短肢剪力墙为一级 ，框支框架 为特一级 ， 6层 以下普通 框架为一级 。 图 1为该T 程的结构计算模型。 3 结构超限情况 根据 GB 5 0 0 1 1 - 2 0 0 1 建筑 抗震 设 计 规 范 、 J G J 3 - 2 0 0 2 高层 建筑混 凝 土结 构 技 术 规程 及 D B J ／ T 1 5 4 6 2 0 0 5 广东 省补充规定 ，本工程平 图1 结构计算模型 面和竖 向规则性指标 中有 4项超出规范要求 ， 即 3 ． 1 扭转不规则 在考虑偶然偏心影响的地震 作用 下 ， 复杂高层建筑楼层竖 向构件的最大水平位 移不 宜大于该楼层平均值 的 1 ． 2倍 ，且不应大于该楼层 平均值的 1 ．4倍 。本T程的该项 比值最大值为 1 ． 3 1 Y 一 5 ％偶然偏心地震力作用下的 1 2 、 1 3层 1 ． 2 ， 属 于 I类扭转不规则。 3 ． 2凹凸不规则 本T程塔楼结构平面最大凸出尺 寸为 ／ 1 7 ． 2 5 m， B 一 4 1 ． 3 0 m， 两者之 比为 4 1 ． 8 ％， 超 规范 3 5 ％的限值。 3 ． 3 楼板局部不连续 本工程塔楼部分楼层电梯间 局部楼板最小净宽 3 ． 0 m。 小于规范规定 的“ 在扣除 凹入或开洞后 ， 楼板在任一方 向最小净宽不宜小于 5 m” 的要求 。 3 ．4竖向抗侧力构件不连续 。 本T程塔楼剪力墙通 过转换梁向框支柱传递 ， 属 Ⅱ类竖 向抗侧力构件不 连续 。 同时 ． 根据 J G J 3 - 2 0 0 2 高层 建筑混凝 土结构 技术规程 第 1 0 ． 2 ． 2条 ， 底部大空 间部分 框支剪力 墙高层建筑结构在地 面以上的大空间层 数 ， 7度时 2 5 维普资讯 2 0 O 6 年7 月 第7 期 陈 丽 红 超限高 层结构抗 震设 计 J U L 2 0 0 6 N o ． 7 不超过 5层 。本_T程第 7层作为结构转换层 ， 以下 大空间层数为 6层 ， 超出规范规定的限值。 4 结构抗震计算与分析 采用中国建研 院编制的多层及 高层建筑结构 空间有限元分析与设计 软件 S A T WE和特殊多 、 高 层建筑结构分析与设计软件 P MS A P对结构整体 内 力位移进行分析 ． 并采用美国 C S I 公司开发的建筑 结构分析与设计软件 E T A B S ， 按全弹性模型对本工 程常遇地震作用下 的弹性楼板应 力、 季节温差和混 凝土 自身收缩条件下 的裙楼楼板应力进行分析 。 4 ． 1 计算参数的确定 1 根据 J G J 3 - 2 0 0 2 高层建筑混凝土结构技术 规程 第 3 ． 3 ． 4条规定 ， 质量与刚度分布不对称 、 不 均匀 ， 以及抗震设防烈度为 7度的复杂高层建筑结 构 ， 应考虑扭转耦联振 动的影响 ， 故 本工程整体 内 力位移进行分析时均考虑 了扭转耦连作用 。按照第 3 ． 3 ． 1 7条 ， 本工程计算 自振周期折减系数取 1 ．0 ； 2 根据第 3 ． 3 ． 2 、 3 ． 3 ． 3条的规定 ， 本工程计算了 单向水平地震作用下的扭转影响 ．并考虑偶然偏心 影 响 3 根据第 3 ． 3 ． 1 3条的规定 ，水平地震作用计算 时，本工程结构各楼层水平地震 的剪重 比应不小于 0 ． 0 1 6 ， 分析程序 自动根据楼层剪重 比要求调整层剪 力 ， 能满足要求 ； 4 根据第 5 ． 4 ． 1条的规定 、 本工程 、 l ， 向刚重 比分别为 E J , ／ I-1 ∑G 5 ．5 2 ， 7 ．4 3 ≥2 ．7 ， 故在水平力 作用下， 本工程不需考虑重力二阶效应的不利影响。 5 根据第 1 0 ． 2 ． 7条的规定 ， 每层框支柱数 目多 于 1 0根 ， 且框支层在 3层及以上时 ， 框支柱承受剪 力之和应取基底剪力的 3 0 ％，故本工程分析程序 自 动考虑该调整系数 ； 6 根据第 5 ． 1 ． 1 3条的规定 ． 抗 震计算时考虑的振型数应使振型参 与质量≥总质量 的 9 0 ％。本工程计 算时考虑了 3 0个振型 ， 、 y向有效 质量系数分别为 9 6 ． 5 8 ％和 9 4 ．9 4 ％． 能满 足要求 7 本T程计算 时考虑负 l层 楼面标高作为上部结构的嵌固端 8 本 工 程裙 楼 平 面 尺 寸 为 9 8 ． 0 mx 3 0 ． 1 m， 长度超出规范建议的 2 6 结构伸缩缝最大间距 ， 考虑 到建筑上大堂的使用和 屋面花园的防水等因素 ，本T程裙楼平 面不设缝。 采用美国 C S I 公 司的建筑结构设计软件 E T A B S对 考虑 季节温差 和混凝土 自身收缩条件下的楼板 应 力进行分 析 ． 总 当量温差取一 5 0 。 ， 考虑混凝土刚度 退化和混凝土徐变等因素， 应力松驰系数取 0 ． 3 。 4 ． 2 计算结果分析 3种程序计算结果见表 1 ～ 2 ，计算结果表 明 自 振周期在合理范围内． 结构扭转为主的第 1自振周 期与平动为主的第 1自振周期之比小于 0 ． 8 5 ． 满足 规范要求； 最大层间位移和顶点位移均小于 1 ／ 8 o o ， 亦满足规范要求 。 根据 J G J 3 - 2 0 0 2 高层建筑混凝土结构技术规 程 第 3 - 3 ． 4条规定 ， 考虑到本工程为带转换层 的多 塔 复杂高层建筑结构 ．补充利用 S A T WE程序对本 工程上部结构进行了常遇地震作用下的弹性时程分 析 ， 根据场地类别 、 场地特征周期和设计地震 分组 情况选用了 3条地震波 T A F 一 2 、 L A N 4 2 、 L AN 6 2 ， 获得 常遇地震 下弹性时程分析的结 构最大楼 层剪 力曲线 、 最大楼层位移曲线和最大层问位移角 曲线 略 ， 结果显示结构位移及内力 曲线较 均匀 ． 无突 变 ， 结构反应均小于 C Q C法。 5 抗震构造措施 5 ． 1 考虑到本工程在平 面和竖 向规则性方面个别 项未能满足相关规范关于建筑结构规则性 的要求 ， 且转换层位于第 6层 ． 故在抗震构造方 面有针对性 地采取了如下措施 1 根据 J G J 3 - 2 0 0 2第 1 0 ． 2 ． 5条的规定 ，将框 支柱 、 剪力墙的底部加强部位抗震等级提高一级 ； 2 适当提高剪力墙底部加强部位水平及竖向 筋的配筋率至 0 ． 5 ％ 表 1 考虑 扭转耦连 时的振动周期 表 2 位移计算结果 注 D 一 为建筑物顶点位移 ； H ⋯ 为建筑物 总高 为楼层最大位移 ； h为层高 。 维普资讯 2 O 0 6 年7 月 第7 期 广 东土木与 建筑 J U L 2 0 0 6 N o ． 7 3 转换层板厚度增大至 1 8 0 m m，根据罕遇地 震 的板平均弹性拉应力配置板钢筋 ， 双层双 向贯通 布置， 并加强边梁的配筋及构造 4 塔楼楼梯间及周边楼板厚度增大至 1 5 0 m m． 并于适当位置设置拉梁或拉板 ， 加强塔楼楼梯间及 周边板 的配筋 ， 双层 双向贯通 布置 ， 并加强边 梁的 配筋及构造 ； 5 适当提高框支柱的配筋率及配箍率 ， 并于轴 压比较大的柱 中设置芯柱 ； 5 剪力墙底部加强部位 。在核心筒周边设置 边框架 ， 每两层设置 1 道配 筋加强带 暗梁 ， 以提 高剪力墙底部加强部位的延性 。 5 ． 2 罕遇地震 、 中震时弹性地震作用下落地剪力墙 的承载力复核 1 落地剪力墙承担罕遇地震作用下全部弹性 剪力， 保证剪应力水平≤0 ．2 f ok ， 经验算本工程落地 剪力墙在罕遇地震作用下 的 、 】 ，向弹性 剪应力水 平分别为 0 ． 1 9 8 和 0 ． 1 0 ， 足以确保证剪力墙在罕 遇地震时不出现脆性剪切破坏 。 2 采用 中震 的地震影 响系数对结构作中震作 用下的弹性内力分析， 按中震作用下的弹性内力与竖 向荷载进行组合 1 ． 0恒载 0 ． 5活载 1 ． 0中震作用 ， 采用材料强度标准值 ， 对剪力墙底部加强部位 8层 以下 进行强度验算 ， 以确保重要部位在 中震 时不 出现强度破坏。 5 ． 3 本工程裙 楼平面尺寸为 9 8 ． 0 m 3 0 ． 1 m， 长度超 出规范建议 的结构伸缩缝最大间距 ， 考虑到建筑上 大堂 的使用 、 屋面花 园防水 等因素 ， 本工程裙楼平 面不设缝 。采用有限元软件对变温及混凝土收缩条 件下 的楼板应力进行分析 ．设置收缩受力板筋 ， 并 且采用以下措施 解决温度下降及混凝土收缩效应 所带来的不利影响。 1 适当提高板的配筋率 ， 板面钢筋一半拉通 ， 并采用控制裂缝性能较好的热轧变形钢筋 ， 板筋 以 “ 小直径 、 小间距” 为原则布置 ； 2 楼层 梁尽可能贯通 ， 并设置腰筋 ， 所有腰筋 均按受拉要求搭接 ； 3 严格控制混凝土配合 比，要求水灰 比控制 在 0 ． 4左右 ， 以中粗砂作为细骨料 ， 为保证混凝土必 要 的塌落度 ， 可掺人适量的高效减水剂 ； 4 必须做好混凝土浇筑过程 的振捣及混凝土 终凝后的养护工作 ， 尽可能采用浸水 养护或其它有 效措施 ， 保证混凝土在水下或全湿润环境下硬化 。 参考文献 [ 1 ] 吕西林 主编．超 限高层建 筑 1 二 程设 计指南 [ M] ．上海 同济大学 出版社 ， 2 0 0 5 [ 2 ]J G J 3 - 2 0 0 2 高层建筑混凝土结构技术规程 [ S ] [ 3 ]G B 5 0 0 1 0 2 0 0 2 混凝十结构设计规范 [ S ] [ 4 ]GB 5 0 0 1 1 - 2 0 0 1 建筑抗震设计规范 [ S ] 上接第 8页 4 ． 2 桩 间土塌 方 在第 2道锚索张拉锁定后 ， 开挖基坑边底层土 方至坑底 ， 修坡至桩边后 ， 一 7 ． 5 m以下桩间粘结性极 差的粉砂土出现了坍塌现象。其原因是该土层为黄 色粉砂层 ， 松散性极高 ， 粘性极差 ， 而正值雨季 ， 泥土 遇水易松脱。采取的措施是在第 2层腰梁以下 的桩 间土每 隔 3根桩打人 3 4 8 7 5 0 、 L I ． 5 m水平钢管 土钉 ， 在 2排钢管的中间桩壁处植人竖 向 8 4 0 0膨 胀螺丝。钢管土钉和膨胀螺丝处 内外 置 2 l 6竖 向 加强钢筋， 边壁构筑钢筋网喷锚混凝土面层 ， 有效解 决了桩间土塌方的问题。 5 技 术经 济效 果 5 ． 1 本工程基坑支护根据基坑各边 的不同环境 ， 采 用综合支护方式 ， 在保证安全的前题下 ， 大幅减少了 T程费用 ， 比原设计的地下连续墙 支护方式节省了 约 1 3 0万元 ， 经济效益明显 5 ． 2 在基坑支护施工过程中 ， 必须 同时做好监测工 作 ，并根据监测情况确定是否需要采取加 固措施 。 本丁程施_ [中认真做好监测 工作 ， 根据监测结果经 多方共同研究后采取 了加 固措施 。虽监测坑顶南面 局部最大位移超 出一级基坑的安全警戒值 ， 经加固 后稳定后 ， 基坑暴露期间虽遭受多次大暴雨 的冲击 也未再产生位移， 安全稳定性 良好 。 5 ． 3 本 支护方式便于_丁程施 组织 ， 特别是土方的 开挖 ， 基坑 中部土方提前开挖 ， 加快 了施工进度 ， 使 基坑施工 比原计划丁期缩短了 8天时间。 2 7 维普资讯