某超限高层结构性能设计与分析

2014-09-03 09:53:24施法科

四川建筑 2014年1期

胡恩,施法科

(1.中铁二局集团勘测设计院有限责任公司，四川成都610031；2.成都博城建筑师事务所有限公司，四川成都610000)

1 工程概况

本工程位于贵州省贵阳市南明区五里冲片区，为五里冲棚户区、危旧房、城中村改造工程。本文所研究的对象为其中的一栋独立办公楼，位于延安南路和中山中路交汇处，建筑面积约110 000 m2，建筑主要功能为办公、商业和停车。建筑周边场地为坡地，地面最低点标高平负二层楼面，自此标高处算至结构大屋面共57层。塔楼结构高度208.8 m，为B级高度。负二层至地上二层层高分别为4.8 m、5.7 m、5.6 m、5.1 m，二层以上标准层层高3.5 m。其中第13、27、41层为建筑避难层兼做设备层，层高4.2 m。另自负二层以下设2层全埋地下室。

工程场地抗震设防烈度为6度，建筑场地类别为Ⅱ类，设计地震分组为第一组，特征周期为0.35 s。抗震设防分类为重点设防类，安全等级二级，设计基准周期50年，设计使用年限50年。

2 结构选项及布置

本工程采用钢筋混凝土框架-核心筒结构，楼盖采用钢筋混凝土梁板式楼盖。利用竖向交通的楼、电梯的位置设置钢筋混凝土核心筒，核心筒结构布置竖向分为低、中、高区，由低到高核心筒有部分收进，低区核心筒平面尺寸为19.1 m×19.1 m，中区核心筒左侧收进2.85 m，高区核心筒右侧收进2.85 m。核心筒剪力墙最大厚度X向为700 mm，Y向为600 mm。为有效控制柱截面尺寸，且保证结构具有良好的刚度和延性，基顶到18层以下框架柱内设置型钢，柱内含钢率控制在5%左右。

本工程建筑面积较大，110 000 m2>80 000 m2，根据《建筑工程抗震设防分类标准》第6.0.11条款，抗震设防类别应为重点设防类(即乙类)，应按高于本地区抗震设防烈度提高1度的要求加强其抗震措施，因此本工程的框架及核心筒的抗震等级均为一级。

3 抗震性能目标设计

综合考虑抗震设防类别、设防烈度、场地条件、建筑物功能、结构的特征、构件的部位和重要程度以及开发商的需求，依据《高层建筑混凝土结构技术规程》和《建筑抗震设计规范》结构抗震性能目标选定为C级。针对抗震性能目标的不同抗震性能水准，设计时的具体计算控制指标见表1。

表1 计算控制指标

4 结构计算与分析概述

结构计算分析主要从弹性和弹塑性两个阶段进行，弹性阶段的计算分析针对多遇地震下的设计与抗震设防地震下竖向构件的估算，手段主要采用了振型分解反应谱法(CQC)，使用软件为SATWE及ETABS，另外采用SATWE弹性时程分析法进行了多遇地震下的补充计算。

弹塑性阶段的计算分析针对抗震设防地震与罕遇地震下的计算分析，其中抗震设防烈度下采用SATWE程序针对不同关键构件分别作中震不屈服和中震弹性计算。罕遇地震下采用midas building进行了动力弹塑性时程分析。

5 多遇地震弹性分析

5.1 振型分解反应谱法

安评报告提供的地震影响系数曲线与规范曲线存在差异，多遇地震下，两者的最大地震影响系数αmax和特征周期Tg取值不同，安评报告为0.0411(50年重现期)和0.30，规范为0.04(50年重现期)和0.35。通过安评报告和规范的反应谱比较发现在长周期段，安评报告所提的地震影响系数小于规范值。我们对安评报告和规范反应谱进行了小震CQC计算对比，对比结果见图1。可见按规范反应谱计算是偏于安全的。另外对于罕遇地震，安评报告所提αmax=0.2672也略小于规范值。因此本工程地震反应谱计算部分按规范参数进行计算。

两种有限元计算软件的计算结果对比见表2。

图1 安评谱和规范谱的多遇地震剪力计算对比

表2 多遇地震计算结果

从表中计算结果对比可以看出，两种不同软件计算得出的结构整体参数指标均比较接近，控制指标出现楼层位置也比较接近；各项指标均满足规范要求。

5.2 弹性动力时程分析

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3-2010)第5.1.13条规定，B级高度高层建筑结构和复杂高层建筑结构，应进行弹性动力时程分析。以找出结构薄弱层和侧向刚度突变层，并对反应谱法楼层剪力小于弹性时程分析结果的部位进行地震力放大。分析采用SATWE程序进行，建立分层模型，将各楼层的质量集中于楼层处，形成弹性多质点体系，然后输入地震波进行动力时程分析，得到结构各点的位移、速度和加速度反应，由位移反应进而计算结构内力。根据场地的频谱特性、加速度的有效峰值和时程曲线的有效持续时间这三要素，选用了两组双向天然波USER_1、USER_2和一组双向人工波RH4TG035，3组地震波的反应谱与“规范”反应谱基本吻合。计算结果见表3。每条时程曲线计算所得结构基底剪力与CQC法基底剪力的比值均大于65%且均小于100%，三条时程曲线计算所得结构基底剪力的平均值均大于CQC法的80%；CQC法的层剪力曲线基本能包络所选的三条地震波对应的平均层剪力曲线，但在结构顶部少数楼层，CQC法的地震剪力略小，因此采用规范反应谱的CQC法计算结果可以作为结构设计的依据,但是应对顶部几层地震剪力进行适当放大。

表3 弹性时程分析结果与CQC法结果对比表

6 设防地震作用下结构性能分析

根据性能目标要求，采用SATWE程序分别进行中震弹性分析和中震不屈服分析，计算模型均和多遇地震计算模型相同。

中震弹性分析用于验算底部加强区框架柱和剪力墙，验算中不考虑内力调整，荷载取基本组合但风荷载不参与内力组合，材料强度取标准值，抗震承载力调整系数同多遇地震计算。验算结果表明中震弹性计算得出的底部加强部位剪力墙和框架柱的配筋值均为构造配筋，其配筋值与小震配筋计算的结果是一致的，说明结构能满足性能目标要求。

中震不屈服分析用于验算非加强区框架柱和剪力墙，并验算中震不屈服位移角是否满足C级性能目标最大层间位移角限值1/400。验算中不考虑内力调整，荷载取标准组合但风荷载不参与内力组合，材料强度取标准值，不考虑抗震承载力调整。验算结果表明中震不屈服设计得出的非底部加强部位剪力墙和框架柱的配筋值均为构造配筋，其配筋值与小震配筋计算的的结果是一致的。X、Y两方向最大层间位移角分别为1/667(X)、 1/550(Y)，均小于最大层间位移角限值1/400。说明结构能满足性能目标要求。