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大底盘双塔超限高层建筑结构抗震性能化设计

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  • 更新时间2018-07-08
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  摘要:某大底盘双塔超限高层建筑,建筑结构高度190.5米,主要采用剪力墙结构体系。综合建筑功能、场地条件、设防类别、结构类型和不规则性等,设定抗震性能目标为C级,应用SATWE和YJK进行整体分析,PUSH&EPDA和STRAT进行弹塑性分析补充论证。分析结果显示,各项指标均满足现行规范要求,结构体系合理,加强措施可行,满足抗震设防目标要求。


  关键词:大底盘双塔;超限高层;抗震性能化设计;弹塑性分析


  中图分类号:TU973文献标志码:A文章编号:2095-2945(2018)14-0093-03


  引言


  基于性能的抗震設计是建筑抗震设计的发展方向,文章以实际工程为案例,进行抗震性能化设计,采取多种分析方法对结构体系和构件进行分析计算,并提出加强措施,使得建筑物达到“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防目标。


  1工程概况和设计参数


  项目位于佛山市南海区,建筑物由1座(45层)、2座(44层)和大底盘裙楼(4层)组成的产业及配套用房用途公共建筑,地下两层车库,两栋单塔以裙楼中轴为对称布置,总建筑面积约16.8万m2。1座和2座建筑结构高度190.5m,裙楼为21.6m。


  本工程正负0至裙楼屋面部位为重点设防(乙类),其余部位为标准设防(丙类)。抗震设防烈度7度,II类场地,设计地震第一组,地震加速度值0.1g,特征周期0.35s,设计使用年限50年,安全等级二级,重要性系数1.0,地基基础甲级。风荷载基本风压0.5kN/m2,地面粗糙度B类,体形系数1.4。


  2结构体系和基础选型


  建筑物高宽比为6.4,结合建筑功能用途,选用钢筋混凝土剪力墙结构体系,其中裙楼部分为框架结构,局部存在框支转换结构和大跨度框架结构,楼盖选用钢筋混凝土梁板体系,典型结构布置见图1和图2。计算嵌固层选定为地下室顶板。


  场地地基岩土种类复杂、不均一,起伏变化大,通过对各勘探孔进行土层厚度分析,结合超高层墙柱底荷载大的情况,选用旋挖成孔混凝土灌注桩基础,以微风化岩(frp=15MPa)为桩端持力层。


  图2典型标准层结构布置图


  3结构超限情况及抗震性能目标


  根据文献[2]及[3]的有关规定,本工程属于高度超限建筑(超B级高度限值),存在楼板不连续、尺寸突变、构件间断和穿层柱等不规则项。综合建筑结构体系和超限情况,结构抗震性能目标选定为C级(1、3、4),各构件抗震性能目标见表1。结构层间位移角限值为:小震弹性1/1000,大震弹塑性1/120。


  4计算分析及结果


  根据性能目标,分别采用不同软件和不同的计算方法对结构进行分析论证。以SATWE为主要计算主程序进行小震、中震和大震等效弹性分析,采用YJK进行小震弹性校核对比和弹性时程补充分析,同时补充了大震作用下的PUSH&EPDA静力推覆和STRAT动力弹塑性分析论证。


  4.1小震弹性分析


  本工程进行了多塔和单塔的弹性分析计算,考虑偶然偏心地震作用、双向地震作用、平扭耦联及施工模拟3等主要参数。计算结果见表2,剪重比在底部部分楼层不满足,通过增加计算振型数和放大地震剪力系数调整后可满足要求,其余各主要指标均满足现行规范要求。


  根据文献[2]的要求,选取了5组天然波和2组人工波补充弹性时程分析。地震波有效峰值加速度(36cm/s2)和持续时间(结构基本自振周期的5~10倍,且大于15s)均满足规范要求,且前三个周期的平均地震影响系数与反应谱结果相差不超过20%。每条地震波计算的结构底部剪力不小于反应谱计算结果的65%,七条波计算的结构底部剪力平均值不小于反应谱计算结果的80%。时程分析的剪力、弯矩、位移和位移角曲线与反应谱计算所得的曲线相似,指标结果均满足规范要求。


  4.2中、大震作用下弹性和不屈服分析


  按性能目标对结构进行中、大震作用下的等效弹性计算。随着地震力增大,构件塑性铰陆续开展,计算时适当考虑结构阻尼比增加和连梁刚度折减,不考虑与抗震等级有关的构件内力调整系数。弹性分析和不屈服分析时,材料强度分别为设计值和标准值。


  由计算分析可见:(1)中震作用下,关键构件和普通竖向构件均满足抗弯不屈服和抗剪弹性,耗能构件抗弯和抗剪均不屈服。其中部分剪力墙的抗弯计算配筋和抗剪计算配筋比小震时要大,部分框架梁和连梁的抗剪计算配筋比小震时要大。(2)大震作用下,底部加强区剪力墙可满足抗剪不屈服,其余剪力墙满足抗剪截面,框支转换梁和转换柱均满足抗弯不屈服和抗剪不屈服,耗能构件大部分屈服。其中部分剪力墙的抗剪计算配筋比小震和中震时要大。(3)剪力墙的剪应力满足性能目标要求。(4)中震不屈服作用下,局部墙肢出现拉应力。


  4.3大震弹塑性分析


  采用PUSH对单塔进行静力推覆分析,结果见表3,在结构性能点处最大层间位移角均满足限值1/120,可实现“大震不倒”的抗震设防目标。经查小、中、大震性能点处的结构损伤分布图,小震时保持弹性工作状态,中、大震时部分耗能构件的塑性铰陆续开展。由表3基底剪力对比分析可见,大震作用下结构体系通过构件屈服进入弹塑性阶段的屈服,起到较好的耗能作用,表明本结构体系具有一定的延性。底部结构转换处,转换梁、转换柱在小、中、大震性能点均处于弹性状态,无损伤。


  为清晰揭露大底盘双塔的整体抗震受力状况,还采用STRAT对多塔进行了动力弹塑性分析,模型分析中梁柱墙采用纤维单元,楼板采用分层壳纤维单元,由基本纤维的拉压非线性本构特性(单向/二维),实现构件的非线性性能及整体结构的非线性性能。选取了2组天然波和1组人工波进行分析计算,所选地震波满足文献[2]及[3]的要求。


  计算结果显示:(1)X方向最大层间位移角为1/196(塔1)和1/235(塔2);Y方向最大层间位移角为1/188(塔1)和1/149(塔2)。大震作用下结构处于稳定状态,满足“大震不倒”的抗震设防目标。(2)结构在X、Y方向基底剪力最大值为182343kN和193914kN,对应的剪重比为5.94%和6.32%。(3)X、Y两个方向顶点位移的平均值分别为0.63m(塔1)和0.72m(塔1)、0.47m(塔2)和0.80(塔2)。大震下整体响应指标满足规范设计要求。


  通过时程波历时过程分析可见:(1)核心筒连梁屈服出


  现早、范围大、程度深,有效耗能;框架梁大面积屈服,有效耗能。(2)核心筒底部墙肢,局部轻微抗弯屈服。(3)外围剪力墙底部,局部轻微抗弯屈服。(4)外框柱柱底均未出现拉力。(5)框支转换梁端出现轻微损伤,框支转换柱无损伤。(6)裙楼屋顶大跨度部位结构梁柱未见损伤。(7)裙楼楼板应力局部较大,局部部位屈服。


  4.4樓板应力分析


  裙楼结构平面尺寸约为52m×142m,裙楼中部未设分缝,应用PMSAP程序按弹性板6进行分析,揭露大底盘裙楼楼板在中震不屈服作用下的应力分布。同时,考虑由温度变化(温差绝对值为20℃)而引起裙楼楼板的应力变化情况,裙楼屋面25.2米双向大跨度结构在重力作用下的楼板应力情况。


  由分析结果可见:(1)在中震不屈服作用下,在开洞角部、塔楼核心筒角部、塔楼框架柱部位楼板明显应力集中。(2)在温差变化工况作用下,在建筑边角部、开洞角部、塔楼核心筒角部、塔楼框架柱部位楼板明显应力集中。其中裙楼中部楼板在温升工况作用下出现局部压应力,楼板应力水平不高;在温降工况作用下出现较大拉应力,楼板应力水平较高。中部结构梁和结构柱配筋,在温升和温降工况作用下均在性能目标小震弹性计算结果包络以内。(3)重力作用下大跨度部位楼板的压应力值较高,而受大跨度结构影响的两端相邻跨部位出现较大的拉应力。


  4.5大跨度屋面舒适性分析


  裙楼屋面25.2米双向大跨度处,上部设置游泳池,为保证其舒适性使用,采用了STRAT进行舒适度分析。选用竖向地震反应谱和人行加速度时程波输入,经分析:(1)在竖向地震反应谱作用下,最小频率3.8Hz。(2)采用时程分析计算,其加速度最大值0.018m/s2。(3)在恒载和活载作用下,大跨度结构梁在长期刚度下的挠度最大值为24mm,挠度与跨度比值1/1050。主要指标均满足规范限值要求。


  4.6穿层柱分析


  本工程存在主要受力结构柱首~二层穿层的情况。应用MidasGen2014进行模拟分析,选择相应的穿层柱,在柱顶端施加单位集中力,求得穿层柱屈曲模态,再得出相应临界荷载系数值。然后,应用欧拉失稳公式Pcr=π2EI/(μL)2,反算出计算长度μL,以此求得穿层柱的计算长度系数。将各穿层柱的计算长度系数输入整楼模型中,进行大震作用下考虑P-Δ作用效应的验算,验算结果显示,强度和稳定满足规范要求。


  5主要加强措施


  通过上述论证分析,本工程结构能满足竖向荷载和风荷载作用下的有关指标,且能满足抗震设防目标。结合各构件性能目标要求和薄弱部位的加强方向,采用如下加强措施:(1)剪力墙底部加强区提高墙身分布筋最小配筋率至0.50%。(2)转换梁和转换柱构件内设置型钢加强构件的承载能力和延性性能。(3)提高中震不屈服作用下受拉墙肢的墙身竖向分布筋最小配筋率至0.5%,提高暗柱的纵向配筋率,满足墙肢受拉力要求。(4)裙楼二~五楼板板厚加强至


  150mm,配置双层双向10@150,裙楼屋面25.2米双向大跨度结构梁及相连结构柱均设置型钢,相邻跨部位延伸2/3跨范围内均设置钢骨混凝土结构梁,加强其强度和刚度。


  6结束语


  大底盘多塔超限高层建筑,功能使用要求高,结构体系应用种类多,通过基于性能的抗震设计方法进行了详细的计算分析论证,使得建筑物满足抗震设防要求。针对此类项目,在设计概念和方法论上可以归纳如下:(1)选用合理的结构体系,清晰判断结构超限类别和不规则程度,提出适宜的抗震性能目标。(2)针对设定的性能目标要求,对结构进行详细整体分析,存在薄弱和软弱部位补充更深层次的论证分析,并对提出相应的加强措施。(3)具体分析考虑不同工况组合,以揭露最不利状况的实际受力,避免盲目的全工况考虑包络或仅单工况考虑不周。(4)复杂结构体系应采用多种不同程序进行分析,对比分析论证结果,以保证分析结论的可靠性。


  作者:古宝铖