某塔楼超限高层结构设计及抗震性能分析

袁国财

(华南理工大学建筑设计研究院有限公司,广东 广州 510641)

0 引言

随着时代的发展,我国的超限高层建筑越来越多。而每一栋建筑都有其特殊性,为保证结构不倒塌且经济适用,需要有针对性的对其进行分析设计。同时,结构分析软件也在不断迭代进步,给超高层结构的抗震设计提供了更好的分析手段。国内已有结构同仁做了类似的研究[1-2]。文中以深圳某超高层为例,判别其超限情况,选择合适的性能目标,采用基于性能的抗震设计方法进行分析、设计,采取一定的加强措施,说明结构安全可靠。分析方法和过程可作为类似工程进行抗震设计的参考。

1 工程概况

本项目总建筑面积约21.9万m2,地下室建筑面积约8.7万m2,地上建筑面积约13.2万m2,其中包括1栋塔楼、裙房及3层地下室,建筑效果图如图1所示。一期半地下2层(-13 m标高)以上设置伸缩缝兼抗震缝,分为裙房4-1区、裙房4-2区及5栋、裙房4-3区、塔楼4个结构单元,分区示意如图2所示。

地下1层主要使用功能为产业配套商业及设备房,层高为6.0 m,地下2层、地下3层主要使用功能为停车库及部分设备房,层高分别为3.75 m,3.85 m,底板面标高-26.6 m。塔楼的建筑面积约为8.8万m2,首层以上共34层,主要使用功能为产业研发用房,首层层高为8.05 m、标准层层高为4.5 m、避难层层高为5.0 m(6层、16层、26层)。嵌固端位于半地下2层(-13 m标高),建筑结构总高度为167.2 m,主屋面以上的幕墙构架高度为12 m。

根据《建筑结构可靠性设计统一标准》[3],结构设计使用年限为50 a,建筑结构安全等级为二级,结构重要性系数为γ0=1.0。根据《建筑结构荷载规范》[4](简称荷规),50 a重现期基本风压w0=0.75 kN/m2。根据《建筑工程抗震设防分类标准》[5],抗震设防类别属重点设防类。根据《建筑抗震设计规范》[6],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。根据地勘报告[7],场地类别为Ⅱ类。

2 结构体系

塔楼的结构体系为框架-核心筒。建筑平面呈标准长方形,标准层平面尺寸为54.4 m×45.7 m。核心筒尺寸为28.05 m×20.80 m,钢筋混凝土核心筒外墙600 mm～400 mm厚,内墙400 mm～300 mm厚,局部500 mm厚。外框架32层以下采用钢管混凝土柱,钢管外径为1 400 mm～800 mm,壁厚35 mm～18 mm,32层至顶层转换为钢筋混凝土柱,柱径为900 mm。外框柱间距为9 m和12 m,柱与核心筒的距离为11.2 m和10 m(Y向)、11.5 m(X向),根据建筑师要求,为了最大限度保留角部区域的景观视野,角部悬挑距离为9 m。结构整体模型及主要抗侧力竖向构件如图3所示。

采用现浇钢筋混凝土梁板楼盖,钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁的连接采用钢筋混凝土环梁节点。外圈框架梁高950 mm,其余框架梁高一般为700 mm,核心筒外楼板厚度一般为110 mm,核心筒内楼板厚度为120 mm。塔楼标准层结构平面如图4所示。

3 基础设计

本工程有3层地下室,底板面相对标高为-26.600 m。根据地质剖面图,绝大部分钻孔在底板底已处于强风化混合岩⑨2-1。塔楼范围内采用桩径为2 500 mm～3 300 mm的人工挖孔桩基础,桩身混凝土强度等级为C40,单桩竖向抗压承载力特征值为50 000 kN～95 000 kN,桩底持力层为中风化混合岩,要求地基承载力特征值不小于6 000 kPa;裙楼墙柱下采用扩展基础,要求地基承载力特征值不小于300 kPa。

塔楼范围的底板厚度为1 200 mm(承台厚度1 500 mm),其他范围底板厚度为700 mm或600 mm。底板混凝土强度等级C40。

4 结构超限判别及抗震性能目标

本工程塔楼超限[8]情况如表1所示。

表1 工程超限情况

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》[9](简称高规)第3.11节,结构抗震性能目标选为C级,多遇地震、设防烈度地震、预估的罕遇地震作用下所对应的结构抗震性能水准、层间位移角限值及结构构件性能目标如表2所示。

表2 抗震性能目标

5 结构分析

5.1 小震弹性分析

采用结构分析软件YJK进行小震弹性分析,并与ETABS软件得到的计算结果进行对比分析,结果如表3所示,可见两个程序整体指标分析结果接近,各项指标均满足规范要求,说明结构分析模型能较准确反映结构的实际受力情况,分析结果合理有效。

表3 YJK,ETABS软件主要计算结果

根据《高规》4.3.4条规定,采用弹性时程分析法进行多遇地震下的补充验算。按建筑场地类别和设计地震分组选取5条实际地震记录和2条人工模拟的加速度时程曲线,计算结果见表4。结果显示,时程曲线选取合适,结构反应平均值与CQC法基本持平,满足规范要求。

表4 弹性时程分析计算结果

5.2 中震等效弹性分析

采取YJK进行中震等效弹性计算,具体参数为:αmax=0.23,Tg=0.35 s,周期折减系数取为1,中梁刚度放大系数取为1.5,连梁刚度折减系数取为0.5,结构阻尼比取为0.06。得到中震作用下层间位移角为1/426(X向)和1/353(Y向),满足规程要求。

中震作用下楼板拉压应力一般不超过0.5 MPa,小于混凝土的抗压、抗拉标准值强度(底部加强区C40,ftk=2.39 MPa,fck=26.8 MPa;非底部加强区C30,ftk=2.01 MPa,fck=20.1 MPa),仅核心筒外墙周边的局部楼板存在应力集中现象;剪应力一般不超过0.3 MPa,小于楼板混凝土部分的抗剪承载力0.7ftk。通过适当加大板厚、板筋双层双向拉通并加大配筋等相应措施,所有楼板能满足C级性能目标要求。

中震作用下核心筒仅少数几片剪力墙墙肢在一期半地下2层(-13 m标高)与二期半地下2层(-9.35 m标高)出现拉力,且拉应力不超过混凝土抗拉强度标准值,墙体的受力状态为大偏心受拉。在加强措施中已将底部加强区剪力墙分布筋配筋率提高至0.6%,墙体能满足受力要求且具有一定的富余度。而且,该墙肢还有配筋率不小于1.5%的暗柱加强。

5.3 大震动力弹塑性分析

采用PERFORM 3D软件进行罕遇地震作用下的动力弹塑性时程分析[10],选取2条天然波和1条人工波,按7度所对应的罕遇地震加速度峰值220gal进行调幅,沿X,Y主方向分别输入3组不同地震波,并按1(水平主向)∶0.85(水平次向)的比例进行输入。结构损伤云图如图5所示。

结果表明:

1)最大层间位移角X向为1/194,Y向为1/179,小于C级抗震性能目标的最大层间位移角限值(1/155)。

2)结构基底剪力约为多遇地震作用下结构基底剪力的4.7倍～5.6倍,说明结构部分构件进入屈服阶段,存在塑性变形,刚度有所退化,减少了地震作用。

3)塑性耗能约占总耗能量的24%,可认为结构在大震下基本处于中等非线性状态。在塑性能耗中,X向连梁及框架梁约占85%,剪力墙约占15%;Y向连梁及框架梁约占79%,剪力墙约占21%;框架柱几乎不耗能。

4)较多框架梁和连梁受弯屈服,属于轻度损坏;少部分框架梁和连梁属于中度损坏,个别连梁属于较严重损坏。框架梁和连梁的耗能作用明显。

5)所有框架柱(包括穿层柱)均处于弹性状态。

6)绝大多数墙体压弯处于弹性状态,仅底部少数核心筒剪力墙受压超过抗压强度设计值但受压应变不超过无损坏限值。所有墙体钢筋受拉应变不超过无损坏限值,墙体钢筋受拉未屈服。部分核心筒墙体混凝土剪应变超过ftk/G,但均未超0.002(即受剪不屈服),属于无损坏。

所有结构构件均满足C级性能目标要求。

5.4 风荷载分析

根据《荷规》和《高规》,深圳市罗湖区50 a重现期基本风压w0=0.75 kN/m2,位移计算时采用基本风压,承载力设计时按基本风压的1.1倍采用,结构阻尼比5%。用于结构舒适度验算的10 a重现期基本风压为0.45 kN/m2,结构阻尼比2%。根据项目周边地貌特征,地面粗糙度类别为C类。业主委托了广东省建科院进行了风洞试验[11],如图6所示。

规范风荷载与风洞试验风荷载作用下楼层剪力对比如图7所示。可见,规范风荷载作用下的楼层剪力绝大部分比风洞试验风荷载的大,仅X向4层以下的楼层剪力比风洞试验风荷载的略小,且最小处为风洞试验风荷载的97.5%,因此采用规范风荷载进行设计。

在10 a重现期极值风速作用下,结构顶部使用楼层高度处的加速度为0.062 m/s2(X向)和0.097 m/s2(Y向),均小于0.25 m/s2,满足规范对风振舒适度的要求。

5.5 穿层柱分析

本工程半地下2层(-9.35 m标高)楼面至2层楼面存在高度为17.35 m的穿层柱(如图8所示),钢管柱截面尺寸为φ1 400 mm×35 mm。采用ETABS软件进行穿层柱的屈曲分析,分析结果如图9所示,得出各穿层柱的临界荷载,再根据欧拉公式反算出其计算长度系数,由此得到的各穿层柱计算长度系数(约为0.63)均小于1,表明穿层柱稳定性良好,在满足承载力要求的前提下,不会发生屈曲失稳。

采用YJK计算中震作用下穿层柱的应力,验算结果如表5所示,可见穿层柱在中震作用下的受压最大应力比为0.790,受剪最大应力比为0.011,处于弹性受力状态,满足“抗剪弹性、压弯不屈服”的C级性能目标要求。

表5 中震作用穿层柱承载力验算结果

6 结构加强措施

借鉴其他超高层结构设计的项目经验[12],结合本工程的结构超限情况,采取针对性的结构加强措施如下:

1)加强剪力墙底部加强部位的配筋,具体为底部加强部位的分布筋配筋率提高至0.6%,暗柱的配筋率提高至1.5%;控制底部加强部位在大震作用下的剪应力,使其达到较为严格的“抗弯、抗剪不屈服”性能目标,确保核心筒剪力墙在大震作用下具有较大的承载力富余度。控制剪力墙轴压比不超过0.50,并在底部加强部位墙内设置钢管,保证大震作用下核心筒剪力墙有足够的延性。

2)适当提高核心筒内及其边缘楼板配筋率,控制楼板在设防地震作用下平面内的应力水平,使其达到“抗剪不屈服,拉压不屈服”的性能目标。

3)加强穿层柱的端部约束,与柱上端相连的梁截面加大为500 mm×1 200 mm,与柱下端相连的梁截面加大为500 mm×900 mm;穿层柱计算长度系数取为1,保证穿层柱稳定性有足够的安全余量,并取中震弹性计算结果进行包络设计。

7 结语

本工程为B级高度的超限高层建筑,结构抗震性能目标选为C级,小震弹性分析、中震等效弹性分析及大震动力弹塑性分析等理论计算的各项指标均能满足规范的要求。通过风荷载分析明确可采用规范风荷载进行设计,风振舒适度可满足规范要求。屈曲分析表明穿层柱具有良好的稳定性,且中震作用下处于弹性受力状态。采取针对超限的加强措施,进一步提高结构的承载力及延性,结构可达到预期的C级抗震性能目标。本项目可作为类似工程进行抗震设计的参考。