某超限高层建筑结构整体分析与设计.pdf

广东土木与建筑 GUANGDONG ARCHITECTURE CIVIL ENGINEERING2013年1月 第1期 JAN 2013 No．1 1工程概况 某高层办公楼位于佛山市顺德区容桂镇，德胜河 北侧约720m、105国道以东约1800m，地上34层，建 筑面积36082m2，建筑总高147.35m，其中首层层高 12.15m，24层、5层、6层层高分别为5.5，5.0，4.5m， 标准层层高4.05m，避难层层高4.2m，4层存在体型收 进，核心筒偏置。 结构计算三维模型、部分结构模型 平面及首层柱定位平面分别如图1～3所示。 2结构设计参数 本工程结构设计使用年限为50年，建筑结构安 全等级为二级；50年重现期的基本风压0.6kN m2， 场区地面粗糙度为B类；风压体型系数取1.4。 结构 抗震设防类别为丙类；建筑场地类别为Ⅲ类；抗震设 防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.1g，设计地 震分组为第一组。 某超限高层建筑结构整体分析与设计 张龙生 （广州市设计院广州510620） 摘要某高层办公楼高147m，采用框架-核心筒结构，为保证结构延性，针对超限情况及结构体系提出性能设计目标，利 用承载力及变形验证不同水准下结构与构件的抗震性能，并采用三维空间分析软件进行整体分析，计算结果表明通过采取相应 的设计措施可以实现预定的性能目标，工程抗震性能良好，结构体系安全可行，可为类似工程提供参考。 关键词B级高度的高层建筑； 框架-核心筒结构； 整体分析； 超限类型和程度； 性能设计 Structure Total Analysis and Design on the Ultra-limit High-rise Building Zhang Longsheng （Guangzhou Design InstituteGuangzhou 510620，China） AbstractA high building states is height of 147m. It uses framework-core barrel structure .In order to guarantee the ductility of the structure，the perance-based seismic design is adopted and its perance objectives are proposed. Seismic perances of the structure and components are verified based on bearing capacity and deation results under different levels. The results indicate that the perance objectives can be well realized by proper design measures，and the structure is safe and reliable, for reference. KeywordsB-level high structure；frame-tube structure；overall analysis；the type and extent of ultra-limit；perance design 图1结构三维模型 图2结构模型平面示意图 訳 4层訴 5层 图3首层柱定位平面图 ①②③④1 11 4 1 A 髿 鬅 鬄 鬂 鬁 鬀 塔楼范围A墙B墙 450045009000600010500 45007500900090001200010500 52500 34500 12 表1各构件的抗震性能目标 构件名称 及位置 多遇地震 （小震） 设防烈度地震 （中震） 预估的罕遇 地震（大震） 性能水准145 柱、非底部 加强区剪力墙 无损坏 （弹性） 部分构件 中度损坏 部分构件 严重损坏 底部加强区 剪力墙 无损坏 （弹性） 轻度损坏（抗弯不 屈服、抗剪不屈服） 中度损坏 框架梁，连梁 无损坏 （弹性） 轻度损坏， 部分比较严重损坏 比较严重 损坏 表2主要计算结果 项 目SATWEETABS 自振 周期 （s） T1，T2，T3， T4，T5，T6， T7，T8，T9 3.9204（X），3.7527（Y），3.1138（T）， 1.2114，1.1655，1.0357， 0.6831，0.6290，0.5507 3.8519（X），3.7452（Y），3.2121（T）， 1.1737，1.1548，0.9993， 0.6666，0.5997，0.5121 地震力X Y12198 1161111180 10880 地震力作用下Q0Wt（）X Y1.84 1.761.74 1.69 基底总剪力 Q0（kN）风荷载X Y10594 974010030 9603 地震力X Y871752 874833873500 907600基底总弯矩 M0（kNm）风荷载X Y929959 866214928600 905700 最大层间 角位移△u H 地震力X；Y1 903（21F）；1 963（26F）1 764（21F）；1 849（21F） 风荷载X；Y1 976（21F）；1 1114（20F）1 1155（22F）；1 1281（20F） 张龙生 某超限高层建筑结构整体分析与设计JAN 2013No．12013年1月第1期 3结构体系及抗震性能目标 根据建筑特点和功能需要，本工程结构采用框 架-核心筒结构体系， 楼盖采用现浇混凝土梁板结 构；主要构件截面如下板厚根据跨度及荷载不同取 为h100150mm，核心筒内楼板厚度取150mm。 主 要框架梁截面为300800～400800， 主要次梁截面 为200300～300600， 混凝土框架柱截面为1000 1000～600600mm（方柱）、f1500f800（圆柱），剪力 墙厚200～800mm，混凝土强度等级为C60C30。 本工程为B级高度高层建筑，存在扭转不规则 一项不规则项，属较规则的高层建筑，按建设部颁布 的超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点， 按高规要求进行设计，同时满足规范中D级性能 目标要求，根据本工程结构特点，关键构件为底部加 强区框架核心筒及框架柱，耗能构件为连梁及框架 梁，具体构件的在各地震水准下的性能目标见表1。 4结构分析及超限判别 4.1整体弹性分析结果 本工程属于 B级高度高层建 筑， 结构分析分 别 采 用PKPM - SATWE（2010 版） 和ETABS（9.7.3 版）两个不同力学 模型的三维空间 分析软件进行整 体内力位移计算， 其结果见表2。 ⑴两个程序的计算结果较接近，没有出现原则 性冲突或矛盾的结果。在地震作用下，结构第1、2周 期完全平动，故不需要考虑双向地震作用，结构的楼 层层间最大位移满足要求；结构的楼层层间最大位移 满足要求；从楼层分布来看，首层层间位移为1 2121 （X向），1 3727（Y向），层间有害位移角所占比例为 75.6（X向），82.5（Y向），其他楼层的层间有害位 移所占比例为0.443.1，均小于50。 故ETABS 计算出来X向地震作用下的位移为1 764（21层）， 也是符合广东省实施 高层建筑混凝土结构技术规 程补充规定的要求。SATEWE和ETABS计算结果 均显示在裙楼存在扭转不规则情况， 但除首层X向 外，比值不大于1.4（最大1.40）在规范容许范围内， 根据 高规3.4.5条 首层X向最大层间位移角为 1 2121不大于 高规3.7.3条规定限值的40即 1 2000时，首层X向竖向构件的最大水平位移和层 间位移与该楼层平均值的比值1.43和1.48均不大 于1.6，故位移比符合规范要求。SATWE和ETABS计 算结果TtT1均小于0.85。 ⑵选用3组加速度时程曲线进行了多遇地震 作用下的弹性动力时程分析，结果表明顶点位移、楼 层弯矩、楼层剪力、层间位移角计算结果统计值均小 于考虑扭转藕连的振型分解反应谱法，结构X、Y向 变形曲线的特征与振型分解反应谱法的特征相同。 4.2超限判别 本工程属于存在扭转一项不规则的B级高度高 层建筑。 5结构构件性能设计 构件性能水准下的性能设计主要采用SATWE 及PUSHEPDA完成，主要计算参数根据规范取值， 13 广东土木与建筑JAN 2013No．12013年1月第1期 性能设计按现行高层规范进行，其结果如下 ⑴用SAWTE进行小震弹性设计， 可以满足关 键构件、普通竖向构件、耗能构件性能水准1的要求； ⑵用SATWE进行中震计算，竖向构件可满足中 震不屈服性能状态，满足设定的性能水准4的要求。连 梁及部分框架梁在中震不屈服计算中部分梁配筋比 小震时的需求要多，进入屈服阶段。 图3中A 墙、 B墙 在2层出现拉力，经复核，拉应力均小于混凝土抗拉 强度标准值，在剪力墙施工图设计时，适当提高此类 剪力墙竖向分布筋配筋率，抗震等级提高至特一级； ⑶用SATWE进行罕遇地震计算，按阻尼比7％， 特征周期取0.50s，连梁刚度折减系数取0.30，近似 计算罕遇地震下的地震力以复核剪力墙的受剪截面， 均能满足规范性能水准5的截面要求。 ⑷采用PUSHEPDA程序接口SATWE进行 罕遇地震作用下的静力弹塑性推覆分析。 为简化模 型，节省计算时间，模型中采用了刚性楼板假定，这 一模型已能满足计算精度要求。 加载分两步进行 首先施加重力荷载代表值，并在后续施加水平荷载 过程中保持恒定，然后逐步施加分布模式为倒三角 形的水平荷载，根据静力弹塑性推覆分析结果，底部 加强区（底部加强高度为首层5层）剪力墙竖向分 布筋配筋为0.6。 在罕遇地震作用下，性能点处靠外 侧受拉的剪力墙损伤较为明显，受压一侧的剪力墙基 本完好，连梁和框架梁梁端出现塑性铰，剪力墙未出 现剪力铰，即剪力墙抗剪能力足够，不会发生剪切破 坏，柱端无塑性铰出现，满足本项目抗震性能水准5 的要求。 各层弹塑性位移角最大值均小于1 100 ，符 合高规第3.7.5条要求，因此建筑物可实现“大震 不倒”的抗震设防目标。 6针对超限情况采取的主要措施 6.1采用CSI系列的ETABS 9.7.0及PKPM2010系 列的SATWE两个不同力学模型的三维空间分析软 件对结构进行受力分析，并对结构进行静力弹塑性分 析（ PUSHOVER分析）。 6.2本工程为B级高度高层建筑，通过调整结构布 置及构件截面，尽量减少结构不规则项及不规则程度， 从概念上保证结构抗震的合理性。 6.3增强结构延性，控制墙柱轴压比满足规范要求， 剪力墙轴压比控制在0.5以内，钢筋混凝土柱的轴压 比控制在0.75，对轴压比大于0.75的柱采用复合加 密箍及加芯柱等措施控制最大轴压比不超过0.9。 6.4加强核心筒墙体变形能力，核心筒角部均设置 角柱加强，底部加强部位约束边缘构件按照高规 9.2.2条底部加强部位约束边缘构件沿墙肢的长度 取墙肢截面高度的1 4进行设计，底部加强区以上设 置约束边缘构件，对截面高度与厚度之比小于4的剪 力墙按框架柱进行截面设计。 6.5针对结构超限类型，选择高规性能目标D进 行性能设计。 6.6根据PUSHOVER计算分析，底部加强区剪力墙 竖向分布钢筋的配筋率提高至0.6； 6.7针对4层体型收进，加强楼板，厚度不小于150， 双层双向通长配筋率不小于0.25；上下层楼板加强 构造措施，底、面双层双向通长钢筋。 6.8对中震不屈服计算中出现拉力的剪力墙抗震 等级提高至特一级。 6.9针对首层12m高度，采取增大剪力墙厚度措施， 保证了抗侧刚度及抗剪承载力的规则性和墙体稳定 性满足规范要求。 7结语 7.1本工程竖向抗侧力构件连续，计算表明结构在 常遇地震作用时的周期比、层间位移角、扭转位移比、 抗侧刚度比、楼层层间受剪承载力比、墙柱的轴压比 均满足规范控制指标要求。 7.2根据小、中、大震相关计算，结构构件能满足预 先设定的性能目标，可达到“小震不坏、中震可修、大 震不倒”的抗震设防要求，证明结构是安全的。 7.3本项目属于普通的超限项目，经过详细的结构 分析，形成了一套对应的结构加强措施，可以为类似 工程提供参考。 7.4汶川震害经验表明，针对超限工程，结构设计 人员更应深入理解规范条款，具有基本的结构概念， 进行更详细的计算，合理布置和优化结构，有针对地 加强构造，才能使结构设计更安全合理。 参考文献 ［1］GB 50009-2001建筑结构荷载规范［S］ ［2］GB 50011-2010建筑抗震设计规范［S］ ［3］GB 50010-2010混凝土结构设计规范［S］ ［4］JGJ 3-2010高层建筑混凝土结构技术规程［S］ 14