华邦世贸城二期超高层办公楼超限分析及结构抗震性能评价

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  【摘要】结合华邦世贸城二期超高层办公楼的结构设计,阐述该工程结构计算分析以及超限情况分析;通过计算分析,找出该工程薄弱部位本采取相应加强措施,以供类似工程参考。
  1工程概况
   华邦·世贸城(二期)商业综合体项目位于合肥市西南部的政务文化新区,潜山路与南二环路交汇处。项目建筑占地面积 18423 m2,总建筑面积 304782 m2,其中地上建筑面积 217940 m2,地下建筑面积 86842 m2。按建筑功能,本项目包括地下室、商业裙房、超高层办公楼等五个部分。
   其中超高层办公楼标准层平面呈矩形,外轮廓尺寸为57.0×30.6m,核心筒布置在中心区域,核心筒的外轮廓尺寸为36.0×9.0m。结构类型采用现浇钢筋混凝土框架-核心筒结构,该体系由周边框架与中心区域的核心筒组成。其中,钢筋混凝土核心筒为主要的抗侧力体系,承担大部分的基底剪力及倾覆弯矩,外框架以承担竖向荷载为主。为改善框架柱的延性,提高其抗震能力并减小截面,增加有效的使用面积,设计中采用型钢混凝土柱,型钢的截面形式采用带翼缘的十字形截面。核心筒采用现浇钢筋混凝土核心筒。为了确保两主轴方向的结构动力特性较为接近,核心筒分割为2个较为完整的核心筒,2个核心筒间以刚度较弱的框架梁、连梁以及楼板相连。楼板采用现浇钢筋混凝土楼板,普通楼板厚度为100mm,核心筒楼板厚度加强为130mm。办公楼抗震设防类别为重点设防类(乙类),抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度值为0.10g,设计地震分组为第一组。场地类别为Ⅱ类,多遇地震设计特征周期0.35s,结构阻尼比为0.05。
  2 超高层办公楼结构整体分析及结构超限情况分析。
   本工程结构整体计算采用中国建筑科学研究院PMPKCAD工程部编制的三维空间分析软件SATWE(2010年9月版)进行计算分析,并采用美国CSI公司和北京金土木公司共同编制的ETABS程序(9.2.0中文版)进行校核分析。
   根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》(建质[2010]109号,以下简称《技术要点》)及本工程结构平面、竖向布置,以及结构计算主要结果,对本工程存在的超过《技术要点》限值的具体情况分析如下:
   (1)办公楼所属地区抗震设防烈度为7度,抗震设防类别为乙类,出地面结构高度为184.75m,超过A级高度钢筋混凝土高层建筑最大适用高度54.75m,超过B级高度钢筋混凝土高层建筑最大适用高度4.75m(超过2.6%),属超B级高度的高层建筑;(2)办公楼不存在《技术要点》中表2中三项超限情况;(3)办公楼不存在《技术要点》中表3中一项超限情况。
   纵上所述,本项目属于超B级高度的高层建筑。
  3 多遇地震下的弹性时程分析
   根据《建筑抗震设计规范》及《高层建筑混凝土结构技术规程》相关要求,应采用弹性时程分析法进行多遇地震下的补充计算。时程分析按建筑场地类别和设计地震分组选用一组人工模拟的加速度时程曲线和两组实际强震记录加速度时程曲线。
   时程分析采用的地震波由本工程地震安全评估单位-安徽省地震工程研究院提供,采用SeismoSignal软件对其进行筛选,筛选后的三条时程波的加速度曲线与地震影响系数曲线吻合程度较好,在主要周期点(Tg=0.35s,T1=5.63s,T2=5.05s)上的差值基本控制在25%以内,其平均加速度曲线与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符。
   计算时结构阻尼比取为0.05,场地地面加速度峰值取规范与《合肥市华邦·世贸城工程场地地震安全性评价报告》的较大值,即35cm/s2,地震波步长为0.02s,持续时间均大于12s及5倍结构基本自振周期。弹性时程分析结果中楼层剪力结果如下图:
  
  
   弹性时程分析法补充计算结果与振型分解反应谱法计算结果比较接近,每条时程曲线计算的底部剪力不小于振型分解反应谱法计算的65%,平均值不小于振型分解反应谱法计算的80%,满足规范要求。同时,结构变形曲线较为平滑,顶点位移以及层间位移角与振型分解反应谱法计算结果比较接近。X方向(建筑短向)大部分楼层的楼层剪力均大于CQC楼层剪力,时程分析与CQC楼层剪力的比值为1.08~1.35;Y方向(建筑长向)大部分的楼层剪力与CQC楼层剪力基本相當,在顶部约有1/3的楼层的地震剪力超过CQC楼层剪力,超过部分的时程分析与CQC楼层剪力的比值为1.05~1.31。
   根据规范相关规定:施工图设计时拟采用三条时程波的包络值与CQC反应谱之间的较大值做为结构构件的设计依据。
  4 办公楼的结构抗震性能设计
   办公楼属于高度超过B级高度的超限超高层建筑,建筑抗震设防类别为重点设防(乙类)。根据相关规范的要求:为实现三水准的设防目标,除按常规结构进行第一阶段(多遇地震下)的计算分析和构造设计和第三阶段(罕遇地震下)的弹塑性变形验算外,尚应根据工程的具体特点、上述计算分析结果和结构超限情况,对结果薄弱部位和关键部位提出比现行规范、规程的规定更高的抗震措施和具体的抗震性能目标。明确本工程结构的关键、薄弱部位预期达到的性能目标,以确保结构的安全。
   性能目标应综合抗震设防烈度、建筑抗震设防类别、场地条件、结构超限情况、建筑费用、震后损失和修复难易程度等各项因素综合确定。本工程位于7度(0.1g)抗震设防区,结构平面、竖向布置较为规则,结构超限情况较少,参照《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)以及《高层建筑混凝土结构技术规程》(送审稿)的关于抗震性能设计的相关规定抗震性能目标拟确定为“C级”,即:
  结构在多遇地震(小震)作用下需满足第1性能水准;
  在设防烈度地震(中震)作用下需满足第3性能水准;
  在罕遇地震(大震)下需满足第4性能水准。
   (1)在中震作用下:
  ·竖向构件的受剪承载力按弹性设计即(即满足γGSGE+γESEK*≤R /γRE),正截面承载力按不屈服校核(即满足SGE+SEK*≤RK);
  ·部分连梁、框架梁受剪承载力按不屈服校核(即满足SGE+SEK*≤RK),该部分连梁、框架梁占全部连梁、框架梁的比例≥30%。
   (2)在大震作用下:
  ·底部加强区核心筒剪力墙的受剪承载力和正截面承载力按不屈服校核(即满足SGE+SEK*≤RK);
   ·大部分非加强区剪力墙、框架柱受剪承载力满足截面限制条件;
   ·部分连梁、框架梁受剪承载力满足截面限制条件。
  4.1 计算分析采用的程序和主要设计参数
   采用SATWE程序根据上述抗震性能设计目标进行相关结构构件的计算分析,主要分析计算参数取值如下:
   ·水平地震影响系数最大值аmax取0.23(中震)、0.5(大震);
   ·结构的阻尼比取为0.06(中震)、0.07(大震);
   ·连梁刚度折减系数0.4(中震)、0.3(大震)。
   ·中震弹性计算时:框架及核心筒的抗震等级设定为四级,荷载效应以及材料强度均采用设计值,承载力抗震调整系数γre按规范取值;
   ·中震以及大震不屈服计算时:框架及核心筒的抗震等级设定为四级,荷载效应以及材料强度均采用标准值。承载力抗震调整系数γre取1.0。
  4.2 中震下核心筒剪力墙、框架柱正截面不屈服计算结果
   计算结果表明,在中震作用下,除底层个别墙肢计算配筋值较大外,大部分竖向构件(大部分核心筒剪力墙和所有框架柱)的计算配筋值未超过小震弹性下的计算配筋值,通过增加底层部分剪力墙边缘构件纵筋以及墙体分布筋的配筋率后,所有竖向构件可以满足中震下正截面不屈服要求。
  4.3 中震下核心筒剪力墙、框架柱受剪弹性计算结果
   计算结果表明,在中震作用下,除底部若干层部分剪力墙水平分布筋的计算配筋值较大外,大部分墙肢的水平分布筋均在正常范围之内,框架柱的箍筋配筋值未超过小震弹性下的计算配筋值。通过适当提高底部若干层部分墙肢的水平分布筋的配筋率,竖向构件可以满足抗剪承载力中震弹性的要求。
  4.4 中震下连梁、框架梁抗剪不屈服计算结果
   计算结果表明:中震作用下,大部分连梁、框架梁(超过70%)的受剪承载力均未达到屈服,整体结构仍具有较强的耗能能力。
   4.5大震下底部加强区核心筒剪力墙受剪承载力按不屈服校核结果
   计算结果表明:大震作用下,核心筒底部加强区个别墙肢水平分布筋的计算配筋值显著增加,但大部分墙肢的水平分布筋配筋量尚在正常范围内。通过增加剪力墙水平分布筋的配筋两可以满足大震下核心筒剪力墙底部加强区抗剪承载力不屈服设计要求。
  4.6大震下非加强区剪力墙、框架柱抗剪截面限值条件验算
   计算结果表明:大震作用下,各框架柱未出现不满足剪压比限值的情况,满足大震下抗剪截面限值条件;核心筒剪力墙各墙肢未出现不满足剪压比限值的情况,满足大震下抗剪截面限值条件。
  4.7 大震下连梁、框架梁抗剪截面验算
   计算结果表明:大震作用下,大部分连梁、框架梁进入了屈服阶段,但满足大震下抗剪截面限值条件。在大震下耗能构件具有较好的延性。
  5 罕遇地震弹塑性时程分析
  5.1弹塑性分析的目的
   根据规范要求,B级高度的高层建筑结构宜采用弹塑性静力或动力分析方法验算薄弱层弹塑性变形。为实现规范所要求的三水准设防目标,应补充进行第三阶段(罕遇地震下)的弹塑性变形验算,以达到以下目的:
   1、 评价结构在罕遇地震下的弹塑性行为,根据主要构件的塑性损伤情况和整体变形情况(包括罕遇地震下的最大顶点位移,最大层间位移及最大基底剪力等),确认结构是否满足抗震性能目标的要求;
  2、 研究框架及剪力墙的损伤和塑性应变情况;
   3、 研究结构扭转不规则对结构抗震性能的不利影响,着重发现结构的薄弱楼层以及薄弱构件;
   4、 根据以上分析结果,针对结构薄弱部位和薄弱构件提出相应的加强措施。
  5.2地震加速度时程曲线的选取
   分析计算采用中国建筑科学研究院PKPMCAD工程部编制的“PUSH&EPDA”。地震波由由本工程地震安全评估单位-安徽省地震工程研究院提供,其中两条实际强震记录的加速度时程曲线采用弹性时程分析所采用的两条实际强震记录的加速度时程曲线,人工模拟的加速度时程曲线采用USER20(人工波502_1.dat),该三条时程波的加速度时程曲线与地震影响系数曲线吻合程度较好,在主要周期点(Tg=0.35s,T1=5.63s,T2=5.05s)上的差值都在25%以内,其平均加速度曲线与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符。
  5.3 参数设置
   ⑴建筑场地类别为Ⅱ类,设计特征周期为0.35+0.05=0.40s,结构的阻尼比:0.05;考虑P-Δ效应。
  ⑵材料本构关系:
   钢材的采用双折线的弹塑性本构关系;
   混凝土采用三折线的弹塑性本构关系;
  ⑶单元模拟:
   梁、柱等一维构件采用纤维束模型模拟
   剪力墻采用能反应弹塑性性质的墙元模拟
  ⑷塑性铰判断
   塑性铰按程序内置的铰特性
   杆件铰判别时相对刚度界限取0.3
   剪力墙高斯点破坏应变界限取0.3
  5.4 弹塑性位移结果
  1)X、Y向弹塑性位移
  
  2)X、Y向弹塑性层间位移角
  
  
  5.5计算结果分析
  1)根据结构弹塑性位移计算结果可知,X向最大顶点位移为1420mm , Y向最大顶点位移为842mm;结构最大层间位移角X向为1/110,Y向为1/177,均小于1/100的规范要求,基本满足抗震性能目标“C级”的要求。
  2)从X、Y向的最大有害层间位移角曲线可以看出,本工程计算第1层(建筑第2层)有害层间位移曲线出现了明显的尖角突变,这说明计算第1层(建筑第2层)为本工程的薄弱楼层,施工图设计时,须对本层及其相邻楼层采取加强措施。
  6 抗震措施
   本工程超高层办公楼设计中拟采取如下抗震措施:
   1、加强抗侧力结构构件的延性,框架的抗震等级按一级设计,核心筒剪力墙的抗震等级按特一级设计。
   2、采用弹性时程补充分析的三条时程波的包络值与反应谱之间的较大值做为设计依据。
   3、对结构设定抗震性能目标进行性能设计,抗震性能目标拟定为“C级”。对结构关键部位分别按不同的抗震性能水准进行抗震性能设计。
   4、对第1层、第5层、第14层以及穿层柱等相对薄弱部位采取必要的加强措施。
  7 结语
   经安徽省建设行政主管部门组织的专家审查委员会审查后认为,本项目为超B级高度高层建筑,平面及竖向布置较规则,无其余超限情况;结构计算分析所设定的抗震性能目标较合理。同时结合专家意见,对穿层柱及层高突变楼层处形成的薄弱部位采取合理的加强措施。通过本工程的设计,本人深切体会,只有深刻理解规范条款、认真贯彻《超限高层建筑工程抗震设防管理规定》、同时深入体会并落实专家意见,才能使结构设计更安全、更经济、更合理。
   参考文献
  [1] 混凝土结构设计规范(GB50010-2002)[S].北京:中国建筑工业出版社,2002.
  [2] 建筑抗震设计规范(GB50011-2010)[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.
  [3] 高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ 3-2002)[S].北京:中国建筑工业出版社,2002.
  [4] 高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ 3-2010)[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.
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