基于性能的抗震設計在某超限高層中的應用

許

1 工程概況

大連某高層建筑為塔樓帶三層地下室及兩層裙樓,塔樓主體高47層,室外地坪至主要屋面的高度為163.2 m。本工程主體結構形式為鋼筋混凝土框架—核心筒結構。

本工程設計使用年限為50年,結構安全等級為二級,抗震設防烈度為7度,抗震設防類別為丙類。場地類別為Ⅱ類,設計地震分組為第一組,設計地震加速度為0.10g。抗震等級:地上主體為一級,地下1層為一級,地下2層、3層為三級。基本風壓按100年一遇,取為0.75 kN/m2。

根據勘察報告,建筑場地類別為Ⅱ類。場地穩定,適宜擬建建筑物。根據地震安全性評價報告,不存在產生地震地質災害的不利條件。抗浮設計地下水位可按海拔標高2.5 m考慮。基礎設計采用天然地基上平板式筏形基礎,筏板厚度270 mm,持力層為中風化石英巖。

本工程平面、立面規則,但塔樓核心筒的高寬比為21.6,超過高規不宜超過12的要求。本工程屬B級高度高層,已屬超限高層,其中高度超A級高度(130 m)25.5%;高寬比為6.94,超A級高度(6)15.6%,未超過 B級高度高寬比限值 7。

2 結構性能目標的選定

根據本工程的超限情況,設計師通過對工程的具體把握,以及與業主溝通的結果,選定了本工程的抗震性能目標為文獻[1]中所提出的D級:小震下滿足性能水準1a要求,中震下滿足性能水準3要求,大震下滿足性能水準4要求。

結構抗震性能水準1a,3,4的具體要求如下:1)1a—結構在地震后完好,無損傷,一般不需修理即可繼續使用,人們不會因結構損傷造成傷害,可安全出入和使用。2)3—地震后結構的薄弱部位和重要部位的構件輕微損傷,出現輕微裂縫,其他部位有部分選定的具有延性的構件發生中等損壞,出現明顯的裂縫,進入屈服階段,需要修理并采取一些安全措施才可繼續使用。3)4—結構在地震下發生中等程度的破壞,多數構件輕微損壞,部分構件中等損壞,進入屈服,有明顯的裂縫,需要采取安全措施,人們不能安全出入;經過修理、適當加固后才可繼續使用。

3 結構體系及結構布置

筒體相對于整個建筑物平面來說,無論從長度和寬度上來說都顯得尺寸有限,僅有筒體的計算結果表明Y向各項指標不能滿足高規要求。由于建筑功能要求筒體 Y向尺寸不能增加,所以在Y向將筒體墻向外伸出共8個落地墻肢,形成了現有的平面結構布置形式。綜合考慮經濟性與合理性,在地下1層～15層采用型鋼混凝土柱,改善了結構整體剛度,增加了柱子的延性。

4 結構性能目標的實現

4.1 小震作用下性能水準1a

整體結構計算采用SATWE高層建筑結構空間有限元分析與設計軟件及TAT多層及高層建筑結構三維分析與設計軟件。SATWE最后的計算結果見表1。

表1 SA TWE最后計算結果

由表1可知,該結構各項指標均符合高規的要求,周期比和位移比均滿足規范,較好的控制了結構的扭轉效應;各層樓層側向剛度不小于相鄰上部樓層側向剛度的70%或其上相鄰3層側向剛度平均值的80%,結構豎向布置規則,無薄弱層;層間位移角及結構頂點最大加速度限值滿足規范,滿足了結構側向剛度和舒適度的要求;剛重比大于1.4,保證了高層建筑結構的整體穩定;剛重比大于2.7,不考慮重力二階效應。另外,計算中還考慮了0.2Q0調整,以此保證框架作為第二道防線的安全。

彈性時程分析選用RH1TG035人工波和TH2TG035,TH4TG035兩條天然波進行計算。計算結果均滿足《高規》要求。時程分析的結果與振型分解反應譜法在統計意義上相符,結構地震作用效應取時程計算結果的平均值與振型分解反應譜法計算結果的較大值。

4.2 中震作用下性能水準3

該性能水準要求在設防烈度的地震作用下,結構可進入非彈性工作階段,結構體系的損壞控制在可修復的范圍以內,且需要確保重要的結構構件,如框支柱、剪力墻底部加強部位、框支梁始終保持不屈服。中震烈度比多遇地震烈度約大1.55°,采用SATWE軟件進行中震不屈服驗算,計算分析中將結構的水平地震影響系數αmax由小震下的 0.08調整到中震時的 0.23;取消組合內力調整(強柱弱梁,強剪弱彎,強節點弱構件的調整);荷載作用分項系數取1.0(組合值系數不變);材料強度取標準值;抗震承載力調整系數取1.0。分析中,考慮了結構 p—Δ效應的影響。計算結果表明框支柱、框支梁均沒有出現塑性鉸,落地剪力墻底部剪力和彎矩也均未超過其承載力。

4.3 大震作用下性能水準4

彈塑性時程分析使用BEPTA軟件,計算表明在罕遇地震作用下結構的最大側向位移滿足規范規定的水平位移限值和舒適度要求。結構基本上沒有扭轉效應,結構的第一批塑性鉸出現在局部樓層梁上。隨著水平力的增大,底部剪力墻進入塑性,而且在此后的過程中,底層的剪力墻始終處于比較薄弱的部位,但由于四周的型鋼混凝土柱絕大部分沒有進入塑性,因此仍然能夠繼續承載。結構的最終破壞機制為底部剪力墻達到塑性極限變形破壞。極限狀態時,筒體四周的型鋼混凝土柱基本上未進入塑性。

5 構造措施

本工程部分柱采用型鋼混凝土柱,最高混凝土強度等級為C60,在一級抗震軸壓比的控制下,剪跨比小于1.5的柱能夠避免,但剪跨比小于2的柱仍然存在。對剪跨比小于2的柱從以下幾個方面進行了控制:1)控制軸壓比,在規范限值基礎上再減0.1,因為控制軸壓比可以保證柱子的延性;2)柱全高范圍內箍筋加密,箍筋間距為100 mm,箍筋肢距小于200 mm,并采用井字復合箍,體積配箍率不小于1.2%,這樣可以提高對混凝土的約束作用,防止縱向鋼筋壓屈和保證受剪承載力,符合了強剪弱彎的原則;3)限制柱中縱向鋼筋配筋率,每側縱向鋼筋配筋率不大于1.2%。除此之外其他控制措施還要對邊柱、角柱和剪力墻端柱縱向鋼筋總面積在計算結果基礎上增加25%,角柱箍筋全高加密。

剪力墻作為結構的第一道防線,要保證足夠的延性和耗能能力。對剪力墻從如下幾個方面進行了控制:剪力墻加強區取地下室頂板以上H/8范圍,同時高出裙樓一層,并延伸至地下1層,加強區設約束邊緣構件,控制各墻肢的軸壓比在地下1層不超過0.5。約束邊緣構件在箍筋范圍內的縱筋配筋率不小于1.2%,體積配箍率嚴格按照高規的配箍特征值計算并控制,箍筋間距為100 mm。控制剪力墻的剪應力并控制連梁的跨高比大于2小于5,連梁箍筋間距全長100 mm。本工程筒體是剪力墻中的主要部分,在筒體角部沿全高設置了約束邊緣構件,構件長度取墻長的1/4,在加強區內全部采用箍筋,角部邊緣構件中加設型鋼。

6 結語

本文采用基于性能的抗震設計方法,對大連某高度超限高層結構進行了設計。經遼寧省超限高層建筑工程抗震設防審查專家委員會評審,肯定我們在抗震設計中選用的結構布置合理、規則,結構具有較強的剛度,計算結果及抗震措施滿足規范和抗震設防要求。

[1] 徐培福.復雜高層建筑結構設計[M].北京:中國建筑工業出版社,2005.