某超限高層結構性能設計與分析

2014-09-03 09:53:24施法科

四川建筑 2014年1期

胡恩,施法科

(1.中鐵二局集團勘測設計院有限責任公司，四川成都610031；2.成都博城建筑師事務所有限公司，四川成都610000)

1 工程概況

本工程位于貴州省貴陽市南明區五里沖片區，為五里沖棚戶區、危舊房、城中村改造工程。本文所研究的對象為其中的一棟獨立辦公樓，位于延安南路和中山中路交匯處，建筑面積約110 000 m2，建筑主要功能為辦公、商業和停車。建筑周邊場地為坡地，地面最低點標高平負二層樓面，自此標高處算至結構大屋面共57層。塔樓結構高度208.8 m，為B級高度。負二層至地上二層層高分別為4.8 m、5.7 m、5.6 m、5.1 m，二層以上標準層層高3.5 m。其中第13、27、41層為建筑避難層兼做設備層，層高4.2 m。另自負二層以下設2層全埋地下室。

工程場地抗震設防烈度為6度，建筑場地類別為Ⅱ類，設計地震分組為第一組，特征周期為0.35 s?？拐鹪O防分類為重點設防類，安全等級二級，設計基準周期50年，設計使用年限50年。

2 結構選項及布置

本工程采用鋼筋混凝土框架-核心筒結構，樓蓋采用鋼筋混凝土梁板式樓蓋。利用豎向交通的樓、電梯的位置設置鋼筋混凝土核心筒，核心筒結構布置豎向分為低、中、高區，由低到高核心筒有部分收進，低區核心筒平面尺寸為19.1 m×19.1 m，中區核心筒左側收進2.85 m，高區核心筒右側收進2.85 m。核心筒剪力墻最大厚度X向為700 mm，Y向為600 mm。為有效控制柱截面尺寸，且保證結構具有良好的剛度和延性，基頂到18層以下框架柱內設置型鋼，柱內含鋼率控制在5%左右。

本工程建筑面積較大，110 000 m2>80 000 m2，根據《建筑工程抗震設防分類標準》第6.0.11條款，抗震設防類別應為重點設防類(即乙類)，應按高于本地區抗震設防烈度提高1度的要求加強其抗震措施，因此本工程的框架及核心筒的抗震等級均為一級。

3 抗震性能目標設計

綜合考慮抗震設防類別、設防烈度、場地條件、建筑物功能、結構的特征、構件的部位和重要程度以及開發商的需求，依據《高層建筑混凝土結構技術規程》和《建筑抗震設計規范》結構抗震性能目標選定為C級。針對抗震性能目標的不同抗震性能水準，設計時的具體計算控制指標見表1。

表1 計算控制指標

4 結構計算與分析概述

結構計算分析主要從彈性和彈塑性兩個階段進行，彈性階段的計算分析針對多遇地震下的設計與抗震設防地震下豎向構件的估算，手段主要采用了振型分解反應譜法(CQC)，使用軟件為SATWE及ETABS，另外采用SATWE彈性時程分析法進行了多遇地震下的補充計算。

彈塑性階段的計算分析針對抗震設防地震與罕遇地震下的計算分析，其中抗震設防烈度下采用SATWE程序針對不同關鍵構件分別作中震不屈服和中震彈性計算。罕遇地震下采用midas building進行了動力彈塑性時程分析。

5 多遇地震彈性分析

5.1 振型分解反應譜法

安評報告提供的地震影響系數曲線與規范曲線存在差異，多遇地震下，兩者的最大地震影響系數αmax和特征周期Tg取值不同，安評報告為0.0411(50年重現期)和0.30，規范為0.04(50年重現期)和0.35。通過安評報告和規范的反應譜比較發現在長周期段，安評報告所提的地震影響系數小于規范值。我們對安評報告和規范反應譜進行了小震CQC計算對比，對比結果見圖1?？梢姲匆幏斗磻V計算是偏于安全的。另外對于罕遇地震，安評報告所提αmax=0.2672也略小于規范值。因此本工程地震反應譜計算部分按規范參數進行計算。

兩種有限元計算軟件的計算結果對比見表2。

圖1 安評譜和規范譜的多遇地震剪力計算對比

表2 多遇地震計算結果

從表中計算結果對比可以看出，兩種不同軟件計算得出的結構整體參數指標均比較接近，控制指標出現樓層位置也比較接近；各項指標均滿足規范要求。

5.2 彈性動力時程分析

根據《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ 3-2010)第5.1.13條規定，B級高度高層建筑結構和復雜高層建筑結構，應進行彈性動力時程分析。以找出結構薄弱層和側向剛度突變層，并對反應譜法樓層剪力小于彈性時程分析結果的部位進行地震力放大。分析采用SATWE程序進行，建立分層模型，將各樓層的質量集中于樓層處，形成彈性多質點體系，然后輸入地震波進行動力時程分析，得到結構各點的位移、速度和加速度反應，由位移反應進而計算結構內力。根據場地的頻譜特性、加速度的有效峰值和時程曲線的有效持續時間這三要素，選用了兩組雙向天然波USER_1、USER_2和一組雙向人工波RH4TG035，3組地震波的反應譜與“規范”反應譜基本吻合。計算結果見表3。每條時程曲線計算所得結構基底剪力與CQC法基底剪力的比值均大于65%且均小于100%，三條時程曲線計算所得結構基底剪力的平均值均大于CQC法的80%；CQC法的層剪力曲線基本能包絡所選的三條地震波對應的平均層剪力曲線，但在結構頂部少數樓層，CQC法的地震剪力略小，因此采用規范反應譜的CQC法計算結果可以作為結構設計的依據,但是應對頂部幾層地震剪力進行適當放大。

表3 彈性時程分析結果與CQC法結果對比表

6 設防地震作用下結構性能分析

根據性能目標要求，采用SATWE程序分別進行中震彈性分析和中震不屈服分析，計算模型均和多遇地震計算模型相同。

中震彈性分析用于驗算底部加強區框架柱和剪力墻，驗算中不考慮內力調整，荷載取基本組合但風荷載不參與內力組合，材料強度取標準值，抗震承載力調整系數同多遇地震計算。驗算結果表明中震彈性計算得出的底部加強部位剪力墻和框架柱的配筋值均為構造配筋，其配筋值與小震配筋計算的結果是一致的，說明結構能滿足性能目標要求。

中震不屈服分析用于驗算非加強區框架柱和剪力墻，并驗算中震不屈服位移角是否滿足C級性能目標最大層間位移角限值1/400。驗算中不考慮內力調整，荷載取標準組合但風荷載不參與內力組合，材料強度取標準值，不考慮抗震承載力調整。驗算結果表明中震不屈服設計得出的非底部加強部位剪力墻和框架柱的配筋值均為構造配筋，其配筋值與小震配筋計算的的結果是一致的。X、Y兩方向最大層間位移角分別為1/667(X)、 1/550(Y)，均小于最大層間位移角限值1/400。說明結構能滿足性能目標要求。