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高度超限高层建筑抗震性能化设计分析
发布时间:2017-06-09 点击次数:

摘要

  1、工程概况

  金融城起步区A007-1地块项目A塔楼位于广州市金融城的A007地块,是金融城起步区A007-1地块项目中集商业、办公于一体的超高层塔楼。A 塔楼包括四层地下室,地上 40 层,总结构高度172m。本工程地下负四层、负三层及负二层主要为停车及设备用房,负一层及地上4层裙房为商业用房;A塔楼36层塔楼中,除16层、24 层及 34 层为避难层外,其余均为办公用房。

  本工程抗震设防烈度为Ⅶ度,基本地震加速度为 0.10g,设计地震分组为第一组,场地类别为Ⅱ类。由于 A 塔楼负一层至四层为人流密集的大型的商业建筑,抗震设防类别确定为重点设防类(乙类),抗震措施提高一度按Ⅷ度考虑;其余均为标准设防类(丙类)。本工程塔楼结构高度为 172m,采用钢筋混凝土框架—核心筒结构体系,周边框架柱8层以下采用型钢混凝土柱,核心筒为钢筋混凝土剪力墙。

  2、结构体系与结构布置

  2.1、结构体系

  通过前期对结构方案的合理性及经济性的比选,本工程B级高度的A塔楼确定采用钢筋混凝土框架—核心筒结构体系。A塔楼高宽比约为4.61,核心筒由楼梯间、电梯筒以及设备服务用房构成,与外框架共同为超高层塔楼提供了良好的抗侧力刚度。

  核心筒高宽比约为13.23,大于高规建议的高宽比12,并且在25层以上取消A-2轴(Y向)的一片主要受力剪力墙,造成Y向的整体稳定性和侧向刚度较弱。为提高 Y 向整体稳定性和侧向刚度,剪力墙厚度取为800~500mm。

  由于首层大堂建筑的要求,形成10m通高无侧向约束的外框框架柱,考虑到下部楼层框架柱的截面控制要求并提高框架柱的延性,框架柱8层以下采用钢骨混凝土柱,含钢率约为5%;其中9层和10层为过渡层,含钢率约为2.5%。

  2.2、楼盖体系

  根据结构体系特点、使用要求和施工条件,本工程均采用现浇钢筋混凝土楼盖体系。

  地下室底板采用平板结构,板厚700mm;负三层及负二层采用无梁楼盖,板厚300mm,其中人防区域板厚350mm;负一层及以上楼层采用梁板结构,负一层板厚180mm,首层板厚150mm,地上部分板厚为100、120mm等。剪力墙核心筒由楼梯间、电梯筒以及设备服务用房等构成,开洞较多,为加强筒体剪力墙的共同协调受力,板厚为150mm。

  2.3、计算嵌固端的确定

  本工程首层楼板存在大开洞的情况,设计时考虑以地下室负一层楼板做为嵌固端,此楼层采用现浇梁板楼盖结构,楼板厚为180mm,采用双层双向配筋,且每层每个方向的配筋率大于0.25%;同时在不考虑地下室侧约束的情况下由计算得地下二层与地下一层侧向刚度比大于2,故本工程嵌固部位确定为地下室负一层。

表1主要构件尺寸与材料等级
表1主要构件尺寸与材料等级 

  3、荷载与地震作用

  3.1、楼面荷载

  本项目各区域的楼面荷载(附加恒载与活荷载)按规范与实际做法而取值。

  3.2、风荷载及地震作用

  根据广东省标准的要求,结构承载力计算时按广州市重现期为50年的基本风压0.55kN/m2(A塔楼是对风荷载比较敏感的高层建筑,承载力设计时按基本风压0.50kN/m2的1.1倍考虑)考虑,结构位移验算时按重现期为50年的基本风压0.50kN/m2考虑,建筑物地面粗糙度类别为B类。风荷载的取值是基于广东省建筑科学研究院提供的《广州国际金融城 A007-1 地块项目风致结构响应分析报告》(2014 年 5 月 13 日)以及荷载规范。

  地震作用计算以国标GB50011-2010为标准,并参考场地地震安全性评估报告及第一次地质详勘报告的结果,小震计算取规范与安评报告的包络值,中震与大震计算按规范的参数。

  4、结构超限判别及抗震性能目标

  本工程塔楼采用钢筋混凝土框架-核心筒结构体系,按照《高层建筑混凝土结构技术规程》(GD DBJ15-92-2013) 的规定,框架-核心筒结构7度(0.1g)高层建筑的A级和B级适用的最大适用高度分别为130m、180m,本工程塔楼高172m,超过规范A级高度的33%,但未超过B级高度。

  本工程结构类型符合现行规范的适用范围,仅存在扭转不规则、楼板不连续等1.5项不规则类别,本工程属B级高度的超限高层建筑。针对结构高度及不规则情况,设计采用结构抗震性能设计方法进行分析和论证。设计根据结构可能出现的薄弱部位及需要加强的关键部位,依据《高层混凝土结构技术规程规》(GDDBJ15-92-2013)中的3.11章节“结构抗震性能设计”的要求进行A塔楼的结构抗震性能设计,结构总体按抗震性能目标C级要求设计。

  5、结构计算与分析

  5.1、小震及风荷载作用分析

  本工程多遇地震作用分析采用了振型分解反应谱法和弹性时程分析法,使用软件为SATWE与GSSAP,主要计算结果如表2。

表2结构分析主要结果汇总
表2结构分析主要结果汇总 

  本工程为B级高度高层结构,抗震设防烈度为Ⅶ度,根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(GD DBJ15-92-2013) 第 4.3.4条第2、3款和第5.1.13条的规定,需进行弹性时程分析法进行多遇地震下的补充计算。

  采用SATWE进行弹性动力时程分析,输入地震波为两组实际地震记录(SATWE软件选波),并再由《广州国际金融城 A007-1地块项目工程场地地震安全性评价报告》提供的地震波中选取一条场地合成人工波USER2(tt63%-2)输入SATWE进行弹性动力时程分析。进行弹性动力分析时按Ⅶ度地震 2 类土,50 年时限内超越概率为63.2%(小震),阻尼比为0.05考虑。

  5.2、中震作用分析

  对设防烈度地震(中震)作用下,除普通楼板、次梁以外所有结构构件的承载力,根据其抗震性能目标要求,按最不利荷载组合进行验算,分别进行了中震弹性和中震不屈服的受力分析。计算中震作用时,水平最大地震影响系数αmax按规范取值为0.23,阻尼比为0.05。计算结果如表3。

表3 震计算结果
表3 震计算结果 

  采用中震弹性方法和中震不屈服方法对结构分别进行计算,并将计算得到的内力对各关键构件进行了详细的构件验算。结果显示:关键部位剪力墙核心筒墙体、跨层柱满足抗弯不屈服、抗剪弹性的要求,悬臂梁满足弹性要求;框架柱满足抗弯、抗剪不屈服;框架梁满足抗弯、抗剪不屈服,Y 向外框圈梁局部出现抗弯屈服;部分内外筒Y向连系框架梁出现抗弯屈服,部分楼层的连梁出来超筋的情况,但其均满足抗剪截面验算的要求。整体属轻度损坏。

  5.3、罕遇地震下的弹塑性时程分析

  本工程的罕遇地震作用下的弹塑性时程分析采用了PER-FORM-3D以及通用有限元程序SATWE进行对比分析验证。根据规范的要求,分析中使用不少于7组地震波输入,其中要有五组真实地震记录和两组人工地震记录。七组地震波均按照三向输入。其加速度最大值按照 1(水平 1):0.85(水平 2):0.65(竖向)的比例调整。在复杂弹塑性计算开始之前,将大震弹性反应谱和大震弹性时程分析基底反力进行了比较,以确保地震波的选取正确。

  本工程采用弹塑性时程分析技术方法进行验算,底部加强区核心筒(负1~4层)存在1%的墙钢筋进入屈服,处于直接居住极限状态以下,部分剪力墙出现出现轻微到中度损伤,满足最小截面验算要求;非底部加强区核心筒墙体混凝土轻微至轻度损伤,钢筋未出现塑性应变,满足最小截面验算要求;跨层柱、悬臂梁满足不屈服;2层和顶层部分框架柱出现屈服,满足最小抗剪截面验算;个别位置外框梁屈服;大部分连梁和普通框架梁出现塑性,小部分连梁和普通框架梁出现抗弯损坏,但其均满足抗剪截面验算的要求。整体结构属轻度损坏,满足罕遇地震作用下抗震性能目标。

  6、结 论

  (1)本工程塔楼结构高度172.8m,存在扭转不规则、楼板不连续等多项不规则,结构设计通过概念设计、方案优选、详细的分析及合理的设计构造,采用的局部楼层框架柱为钢骨混凝土柱的钢筋混凝土框架-核心筒结构体系,满足设定的性能目标要求,结构方案经济合理,抗震性能良好。

  (2)本工程A塔楼在25层以上取消A-2轴(Y向)的一片主要受力剪力墙,造成Y向的整体稳定性和侧向刚度较弱。在罕遇地震作用下收进楼层以上的剪力墙出现轻度损伤,应增大此处的剪力墙钢筋,提高剪力墙的延性,增强Y向整体稳定性和侧向刚度。

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