某超高层建筑结构超限设计

　　摘要：本文结合某超高层建筑结构的超限设计实例，对其结构选型、弹性计算、弹性时程分析和静力弹塑性推覆计算等进行了分析，并提出超限处理措施。
　　关键词：超高层建筑，结构设计，超限设计
　　1工程概况及超限情况
　　该工程总面积17.5万m2,由8栋塔楼组成,设2层地下室。本文介绍两栋塔楼结构超限设计情况,供设计人员参考。
　　本工程地震设防烈度为7度,设计基本地震加速度为0.10g,建筑场地为Ⅱ类。主体采用现浇钢筋混凝土剪力墙结构,部分采用钢-混凝土组合结构。墙柱混凝土强度等级为C60～C25,梁板为C35～C30。除外墙采用190mm厚混凝土空心砌块作围护墙外,其余内隔墙均采用蒸压加气混凝土砌块。本工程基本风压按100年重现期风压W0=0.6kNm2,地面粗糙类别为C类,体型系数为1.4。
　　各楼层构件主要截面分别如下:地下1、2层底板厚度分别为150,500mm,顶板厚180mm;楼板厚度为3层150mm,标准层120～150mm,屋面层150mm。从下至上,柱截面由1200×600缩小至1000×500,剪力墙厚400～300mm;框架梁截面300×650～400×900,次梁为200×400～200×700。按《高规》[3]4.2.2条规定,全落地剪力墙结构高度限值7度A级为120m,B级为150m,因此本工程结构高度超限是设计中需要解决的主要问题,且高宽比均超出B级高度建筑的高宽比限值为7.0,而两栋分别为7.10和7.12,也已超出规范限值。此外,一栋还存在Ⅰ类平面扭转不规则的超限情况。
　　2结构选型与布置
　　针对上述工程情况的特殊性,我们在结构选型和布置方面采取了以下措施:
　　（1）在两栋之间设置防震缝,缝宽350mm,±0.000以上分开。
　　（2）本工程结构布置采用剪力墙结构体系,主要抗侧力构件为剪力墙,除围绕电梯间设置核心筒外,各栋在外围均通过设置剪力墙和连梁的围合结构形成多个闭合或半闭合筒体,以增强整体结构的抗侧刚度(如图1)
　　
　　图1标准层结构平面布置图
　　⑶由于各栋房间均集中在平面的下方,而核心筒偏于平面的上方,因此布置剪力墙时适当减小了平面上方的剪力墙长度,使各栋塔楼刚度中心与质量中心均基本重合,同时避免了上下剪力墙压缩比相差过大而造成的结构前倾现象(如图1)。
　　⑷各栋3层以下由于使用功能要求,层高大于其上的标准层。为减少楼层刚度突变,设计中对各栋底部非住宅楼层的剪力墙都作了加厚处理,墙厚由300mm增大至400～700mm。
　　⑸所有重要部位的柱及剪力墙端柱内加设型钢或者芯柱,以增强结构延性及由于柱截面限制引起的强度和刚度的不足。
　　⑹如图2所示,一栋在14～16层由于设置空中花园,造成12楼面范围内无楼板。为避免楼面开洞过大造成楼层刚度削弱,在靠近核心筒处无楼板区域内设置了由钢骨混凝土梁构成的交叉网格体系以代替刚性楼板,网格间距为1～1.5m,钢骨混凝土梁截面为250×400。
　　
　　图2空中花园结构平面
　　3弹性计算结果及时程分析
　　根据本工程结构弹性分析计算结果,结构周期及位移符合规要求,剪重比适中,构件截面取值合理,结构体系选择恰当。
　　根据《抗规》[2]5.1.2条表5.1.2-1的规定,采用SATWE和ETABS程序对各栋进行了常遇地震下的弹性时程分析。按地震选波三要素(频谱特性、有效峰值和持续时间),选取Ⅱ类场地上的2组实际强震记录Taft波和Sanfer波,以及1组人工模拟的场地波G630进行弹性时程分析。经过弹性时程分析,我们得到以下结论:
　　⑴除上部部分楼层外,各栋时程反应剪力平均值均小于反应谱结果,反应谱分析层剪力在弹性阶段对结构起控制作用。顶部部分楼层剪力超出反应谱范围的主要原因是分析中采用了反应较强烈的Taft地震波,由于该部分楼层墙柱均为构造配筋控制,故抗剪承载力有足够富余。
　　⑵各栋层位移曲线均光滑无突变,反应结构侧向刚度较为均匀。各栋层位移曲线均为典型的弯曲型,曲线斜率变化最大位置接近底部,说明最大有害层间位移角位于底部楼层,应予以构造加强。
　　4Midas静力弹塑性(Pushover)分析
　　本工程为每一栋塔楼均建立了三维弹塑性分析模型,计算范围为各栋塔楼投影区域直至地下室,忽略裙楼的影响,为简化模型和节省计算时间,模型中采用了刚性楼板假定。
　　在罕遇地震作用下,结构整体和大部分构件的最大弹塑性变形均远小于相应的可接受最大弹塑性变形限值,抗震性能满足防倒塌的抗震设计目标。通过对底层墙柱的构造加强,在罕遇地震作用下,该结构整体和各个结构构件仍具有明显的强度和变形能力安全储备。表明该结构的抗震性能优于规范GB50011-2001规定的防倒塌的最低要求。
　　由罕遇地震作用下仍只有底层局部竖向构件接近出现塑性铰的情况可类推得到,在中震作用下(50年超越概率10%),结构的竖向构件均未达到或远离完全屈服状态。因此,仅出现局部结构性破坏但其破坏程度可得到有效控制,可认为达到了“中震可修”的抗震设计目标。
　　5超限处理措施
　　5.1设计时分别采用2个不同力学模型的空间结构分析程序SATWE和ETABS进行计算,对关键构件如加强区剪力墙、框支柱、转换梁、关键层连梁等采用2种软件结果的包络值进行设计。
　　5.2按规范要求,选用2组Ⅱ类场地上的地震波和1组《地震安全性评价报告》所提供的场地人工波,对结构作弹性时程分析,并将结果与反应谱分析结果进行比较。
　　5.3采用Midas软件对结构进行罕遇地震下的静力弹塑性Pushover分析,以确保结构满足二阶段抗震设防水准要求,并对薄弱构件制定相应的加强措施。
　　5.4根据Pushover分析结果,底部楼层墙柱在罕遇地震下的延性和承载力富余是保证结构安全性的关键。因此采取以下加强措施:
　　⑴将裙楼以下墙柱混凝土强度等级提高到C60,以增加构件轴压比富余;
　　⑵对肢长比小于8且轴压比大于0.4的墙肢,对底部加强区范围采用钢骨加强,全截面含刚率不小于2%,以提高其抗震延性和极限承载力,避免在罕遇地震下率先出现塑性铰;
　　⑶对肢长比大于8且轴压比大于0.4的墙肢,在底部加强区范围内对端部暗柱区采用钢骨加强,约束边缘构件含钢率不小于2%,以提高其抗震延性,延缓塑性区的开展。
　　5.5对计算配筋率较大的框架梁,尤其是与核心筒相连的框架梁,在相应楼层改用钢骨混凝土梁,以提高构件抗震延性;
　　5.6一栋14～16层由于设置空中花园,造成12楼面范围内无楼板。为避免楼面开洞过大造成楼层刚度削弱,在无楼板区域内设置了由钢骨混凝土梁所构成的交叉网格体系以代替刚性楼板,网格间距为1～1.5m,钢骨混凝土梁截面为250×400,按等效刚度计算其平面内刚度和承载力均大于原120厚楼板,设置交叉网格区域楼面可视为无开洞考虑;
　　5.7一栋14～16层空中花园局部区域因建筑要求无法设置交叉网格,部分剪力墙平面外计算长度加大,但验算楼层侧向刚度并无明显削弱。设计中对该部分墙肢在相应楼层采用钢骨加强,并在局部增加了两墙之间的梁板联系,同时在计算中将该部分楼层的地震剪力乘以1.15的系数进行竖向构件设计,以提高楼层抗剪承载力储备。
　　5.8根据Pushover分析结果,采用钢骨对底部楼层墙柱和关键位置框架梁进行有针对性的加强,如图3所示。
　　
　　图3底层钢骨加强位置
　　6结论
　　本工程结构周期及位移符合规范要求,剪重比适中,构件截面取值合理,结构体系选择恰当,满足在常遇地震下的抗震要求。通过对各塔楼的静力弹塑性Pushover分析,抗侧力体系可满足规范“二阶段”设防要求。而通过在关键构件内设置型钢,提高混凝土强度等级,提高配筋率等一系列处理措施,结构的抗震性能更可优于规范GB50011-2001规定的防倒塌的最低要求,结构抗震设计可行。
　　参考文献
　　[1]GB50010-2002混凝土结构设计规范[S]
　　[2]GB50011-2010建筑抗震设计规范[S]
　　[3]JGJ3-2002高层建筑混凝土结构设计规程[S]
　　[4]YB9082-97钢骨混凝土结构设计规程[S]
　　[5]JGJ138-2001型钢混凝土组合结构设计规程[S]

《某超高层建筑结构超限设计》

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