淺論某超高層結構設計

1、淺論某超高層結構設計單位 北京炎黃聯(lián)合國際工程設計有限公司 姓名 潘龍貽 郵編 100081 摘 要:以下本文結合工程實際,對超高層建筑的結構設計進行計算分析,并論述了有關抗震構造的加強措施，可為同類設計提供參考 關鍵詞:框架 核心筒結構體系; 超高層; 抗震性能分析; 動力彈塑性時程分析1 工程概況 本工程為一幢超高層綜合寫字樓( 圖 1) 。主樓結構平面尺寸為 34. 6 34. 6 ( m) ，核心筒尺寸為 12. 6 15. 1 ( m) 。主樓地下 5 層( 高 20. 4 m) ，地上 47層( 結構出地面高度 179. 6 m) ，其中裙房共 7 層( 高 34. 5m) 。除避

2、難層層高為 3. 9 m 外，其余標準層層高均為3. 4m?？拐鹪O防烈度為 6 度，基本地震加速度為 0. 05 g，設計地震分組為第一組，建筑抗震設防類別為丙類。結構抗震等級為二級。主樓基本風壓按 100 年重現(xiàn)期風壓值 0. 45 kPa 考慮，地面粗糙度為 B 類。圖 1 建筑效果圖2 結構抗震超限情況及性能設計目標 本工程為高度超限的高層結構。設計時采用兩階段的抗震設計并采取相應的抗震構造措施來滿足三個水準的要求，抗震設計在滿足國家及地方規(guī)范的基礎上，根據(jù)性能化抗震設計方法進行設計，并采取表 1 的性能控制目標。表 1 結構構件抗震性能目標3 結構抗震性能計算分析 分別進行結構在多遇地

3、震，設防地震及罕遇地震作用情況下分析。3. 1 多遇地震下結構性能分析3. 1. 1 多遇地震下振型分解反應譜法計算分析 采用扭轉歐聯(lián)振型分解反應譜法對結構進行多遇地震作用下彈性分析，在強制剛性樓板假定條件下采用 STAWE，ETABS 及 MIDAS Building 進行對比計算分析，控制結構的位移比、位移角、周期比、剛度比，抗傾覆及整體穩(wěn)定等指標。上述不同力學模型計算結果表明，主要控制指標結果相近，未出現(xiàn)異常。表 2 3 為周期及位移角計算結果比較。表 2 結構周期及振型表 3 風和地震作用所得層間位移角3. 1. 2 多遇地震下彈性動力時程分析 根據(jù)擬建場地特性選取了 2 組天然地震波

4、，1 組人工波作為時程分析的輸入。3 組地震波的反應譜與抗規(guī)標準地震反應譜的基本吻合，結構前三周期點上地震波反應譜的平均值與抗規(guī)標準地震反應譜相差均在 20% 以內(nèi)。多遇地震彈性時程分析所得結構底部剪力峰值與按照抗規(guī)振型分解反應譜法進行分析所得的底部剪力的對比情況，可見單組地震波輸入所得的底部剪力峰值均在抗規(guī)振型分解反應譜法( CQC) 的 65 135% 之間，3 組地震波結果的平均值與抗規(guī)振型分解反應譜法( CQC) 結果之差在 20%以內(nèi)。滿足高規(guī)要求。表 4 時程分析底部剪力與 CQC 反應譜法對比 多遇地震時程分析時地震波主分量峰值統(tǒng)一取為18cm / s2。3 組地震波時程結果的平

5、均值與 CQC 法的結果吻合較好，單組地震波計算所得的結構底部剪力峰值的最小值達到了反應譜法底部剪力的 89%。X 主向時 3 組地震波時程計算所得的結構最大層間位移角包絡值為 1/2034，Y主向時該值為 1/2012，均小于按照規(guī)范規(guī)定計算所得限值1 /680。多遇地震作用下結構、構件的設計均取時程分析和反應譜方法的較大值，對反應譜方法的計算結果采用相應樓層地震力放大的方法來調(diào)整樓層地震剪力。最終計算結果均能滿足規(guī)范要求。3. 2 設防地震下結構性能分析3. 2. 1 設防地震下振型分解反應譜法計算分析 采用中國建筑科學研究院研制的多層及高層建筑結構空間有限元分析與設計軟件 SATWE 進

6、行結構的中震彈性和中震不屈服設計。場地特性參考抗規(guī)規(guī)定取值，場地特征周期為 0. 35 s，水平地震影響系數(shù)最大值取為 0. 12( 對應于 5%阻尼比) 。( 1) 位移分析。設防地震反應譜分析得到的結構兩個主向的層間位移角 X 向最大層間位移角為 1/673，位于第34 層; Y 向最大層間位移角為 1 /720，位于第 34 層，均小于性能目標設定的設防地震下層間位移角限值 1/340。( 2) 承載力分析。 1) 設防地震作用下 2 號樓核心筒剪力墻按照正截面承載力不屈服進行設計，其受剪承載力滿足下式要求:GSGE+ EhS*Ekh Rd/ RE ( 1)式中，G和 Eh分別為重力荷載

7、代表值和水平地震作用地震作用效應的分項系數(shù); RE為抗震承載力調(diào)整系數(shù); SGE和 S*Ekh分別為重力荷載代表值效應和未經(jīng)調(diào)整的水平地震作用標準值效應; Rd為承載力設計值。計算表明，2 號樓結構核心筒剪力墻均能滿足性能目標的要求。 2) 設防地震作用下框架柱按彈性設計。分析表明，所有框架柱均能滿足式( 1) 的要求。 3) 設防地震作用下框架梁按正截面承載力不屈服進行設計。 4) 驗算表明，鋼筋混凝土連梁受剪承載力均滿足下式，達到性能目標要求:SGE+ S*Ekh Rk ( 2)式中，Rk為按照材料強度標準值計算的截面受剪承載力，其余符號同式( 1) 。3. 2. 2 設防地震下非線性動力

8、彈塑性計算分析 計算程序為中國建筑科學研究院研制的 EPDA 結構動力彈塑性分析程序。梁、柱等構件采用纖維束模型模擬其彈塑性性質(zhì)，剪力墻則采用非線性殼單元模擬。設防地震下的結構非線性時程分析采用 2 組天然地震波和 1 組人工波共 3 組地震波作為輸入。地震波水平主分量的加速度峰值按照抗規(guī)的規(guī)定調(diào)整為 0. 05g，水平次方向的加速度峰值調(diào)整為 0. 0425g。結構阻尼比仍取為 0. 05。鑒于目前地震工程學科的研究尚存諸多課題有待解決，以及適宜的地震動加速度記錄較少，處理非線性時程分析位移結果時仍需參考多遇地震的彈性反應譜分析結果。具體做法是: 將彈塑性分析得到的結構某部位在某地震波下的彈

9、塑性位移與該部位在該地震加速度記錄下的多遇地震位移之比作為彈塑性位移放大系數(shù); 多組地震波的彈塑性位移放大系數(shù)包絡值與結構彈性反應譜方法得到的該部位位移之積作為其結構彈塑性位移。本報告中對設防地震和罕遇地震非線性時程分析所得結構位移結果均采用這一處理方法。 設防地震作用下的彈塑性層間位移角 X 主向和 Y 主向時最大層間位移角分別為1/453( 第 27 層) 和 1/563( 第 28層) ，分別為規(guī)范彈性層間位移角限值的 1. 50 倍和 1. 21 倍，均小于設防地震水準下結構性能目標所定位移角限值 1/340。設防地震作用下各組地震波 X 向底部剪力峰值與相應多遇地震水準時底部剪力峰值

10、之比的平均值為 2. 04，Y 向為 2. 13。設防地震和多遇地震的主分量加速度峰值之比為2. 72。X 主向和 Y 主向設防地震作用下結構底部剪力峰值與相應的多遇地震作用下結構底部剪力峰值之比均小于加速度峰值之比，表明結構在設防地震作用下部分連梁出現(xiàn)塑性鉸后，結構剛度有所下降，結構部分耗能機制已經(jīng)形成，吸收的地震作用較相應的彈性結構有所減小。3. 3 罕遇地震下結構性能分析 罕遇地震作用下結構的層間位移角計算方法同設防地震時的情況，即以各組地震波罕遇水準輸入得到的結果與相應多遇地震輸入結果的比值的包絡值和多遇地震彈性反應譜分析的結果的乘積作為罕遇地震下的結構反應。結構罕遇地震下 X 向和

11、Y 向最大層間位移角出現(xiàn)在27 層，達到1 /189; Y 向最大樓層層間位移角為 1 /207( 28 層) 。罕遇地震下最大層間位移角均小于罕遇地震水準時結構性能目標所定限值 1/170。 各組地震波 X 向底部剪力峰值與相應多遇地震水準時底部剪力峰值之比的平均值為 3. 48，Y 向為 3. 83。罕遇地震和多遇地震的主分量加速度峰值之比為 6. 94。X 主向和Y 主向罕遇地震作用下結構底部剪力峰值與相應的多遇地震作用下結構底部剪力峰值之比均明顯小于加速度峰值之比，表明結構在罕遇地震作用下塑性發(fā)展程度較為顯著，結構剛度下降較多，地震輸入能量大多被進入塑性階段的構件耗散。 ( 1) 為提

12、高結構核心筒剪力墻在罕遇地震下的抗剪能力。各片剪力墻的承擔的剪力值均偏于安全地采用罕遇地震彈性反應譜分析的結果; 剪力墻的截面控制條件采用下式: VGE+ V*EK 0. 15cfckbh0 ( 3) 式中，VGE和V*EK分別為重力荷載代表值和地震作用標準值產(chǎn)生的構件剪力，c為混凝土強度影響系數(shù)，fck為混凝土強度標準值，b 和 h0分別為構件截面寬度和有效高度。驗算表明，所有剪力墻均能滿足式( 3) 的要求。 ( 2) 罕遇地震下混凝土框架柱正截面承載力滿足公式( 2) ，斜截面承載力滿足公式( 1) 。均達到了性能目標的要求。外框架的大部分梁已經(jīng)進入屈服階段。滿足性能目標的要求。 ( 3) 罕遇地震下部分鋼筋混凝土連梁已屈服。經(jīng)驗算，其抗剪能力滿足下式的要求:( 4) 式中符號意義同公式( 3) 。罕遇地震下連梁不會發(fā)生剪切控制型的破壞，保證了連梁良好的受彎耗能能力，達到性能目標的要求。 4 抗震措施及抗震性能分析結論針對本結構高度超限，采取比規(guī)范更嚴格的抗震措施，對于框架柱采取以下措施: 框架剪力進行了高于規(guī)范水準的調(diào)整，保證了結構二道防線的實現(xiàn); 剪力調(diào)整取max min ( 0. 20Q0，1. 5Vmax) ，0. 2Q0