天津卓越大廈超限高層結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

王湘安 孟范輝 單玉坤

1 結(jié)構(gòu)概況

天津卓越大廈主體建筑由兩座高層主樓、裙樓及地下室?guī)撞糠纸M成,層數(shù)為53層,標(biāo)準(zhǔn)層層高均為2.9 m,結(jié)構(gòu)主體高度為158.3 m,結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)。工程設(shè)防烈度為7度,設(shè)計(jì)地震分組為第一組,設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.15g,場(chǎng)地類(lèi)別Ⅲ類(lèi),特征周期為0.52 s,建筑物抗震設(shè)防類(lèi)別為丙類(lèi)。本工程采用了多個(gè)軟件(SATWE,MIDAS-Gen)進(jìn)行常規(guī)彈性計(jì)算分析,并采用非線性版本的MIDAS-Gen,EPDA進(jìn)行了Pushover和彈塑性時(shí)程分析。

2 地下室及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

本工程整個(gè)建筑場(chǎng)地范圍均為兩層地下室,地下1層,2層層高分別為5.4 m,6.5 m。由于建筑物主體與裙房部分高度差異較大,因此設(shè)計(jì)過(guò)程中控制各部分基礎(chǔ)沉降差異是比較關(guān)鍵的因素,同時(shí)局部裙房處的抗浮設(shè)計(jì)以及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)過(guò)程考慮水浮力的影響也是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。其中主樓采用樁—筏基礎(chǔ)形式,選用900 mm直徑的鉆孔灌注樁,有效樁長(zhǎng)約為50.8 m,為進(jìn)一步提高樁基承載力采用樁底后壓漿工藝,單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值為11 900 k N。裙房下采用600 mm直徑鉆孔灌注樁,有效樁長(zhǎng)約為25 m,單樁抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值為1 600 kN,抗壓極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值為2 500 kN,裙房柱下設(shè)置獨(dú)立承臺(tái),各承臺(tái)之間以600 mm厚隔水筏板相連。

裙房部分設(shè)計(jì)時(shí)考慮抗浮水位及歷史最低水位下的不同工況組合,按照最不利效應(yīng)進(jìn)行樁型選擇及布樁設(shè)計(jì)。同時(shí)在設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮長(zhǎng)期穩(wěn)定最低水位對(duì)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的有利影響,適當(dāng)減少布樁數(shù)量,提高基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

表1 振型指標(biāo)

3 結(jié)構(gòu)彈性分析

本工程彈性計(jì)算分析分別采用空間分析程序SATWE和MIDAS-Gen獨(dú)立建模。均采用整體空間結(jié)構(gòu)模型,幾何模型為線、板單元,各單元由節(jié)點(diǎn)相連。地面標(biāo)高計(jì)算至地下室頂面,與此邊界連接的節(jié)點(diǎn)設(shè)為固定。樓面荷載、風(fēng)荷載、地震作用等按本工程設(shè)計(jì)及國(guó)家規(guī)范進(jìn)行設(shè)置。從表1,表2各項(xiàng)數(shù)據(jù)的對(duì)比來(lái)看,兩軟件計(jì)算的指標(biāo)總體均比較吻合。

表2 變形驗(yàn)算

彈性時(shí)程分析分別采用兩條天然地震波(US05X&US05Y,US36X&US36Y)和一條人工模擬波(S755X&S755Y)進(jìn)行彈性時(shí)程分析。峰值加速度主方向?yàn)?5 cm/s2,次方向?yàn)?7 cm/s2。根據(jù)圖1,圖2中數(shù)據(jù)可以看出,時(shí)程方法能夠更為有效的顯示結(jié)構(gòu)高振型的反應(yīng),設(shè)計(jì)過(guò)程將振型分解反應(yīng)譜法的地震力適當(dāng)放大,經(jīng)過(guò)計(jì)算,其各層樓層剪力均大于時(shí)程分析法的樓層剪力指標(biāo)。

4 結(jié)構(gòu)超限情況及設(shè)防目標(biāo)

本工程根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專(zhuān)項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查,首先本工程為高度超限,以及存在有扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、樓板不連續(xù)、局部轉(zhuǎn)換這三項(xiàng)一般規(guī)則性超限,因此針對(duì)超限情況采取以下措施:

1)確定相應(yīng)性能目標(biāo),通過(guò)小震、中震及大震計(jì)算,驗(yàn)證構(gòu)件軸壓比、抗剪、抗彎承載力,保證各項(xiàng)指標(biāo)均符合規(guī)范要求,確保不同構(gòu)件符合相應(yīng)性能指標(biāo)的要求。同時(shí)通過(guò)截面設(shè)計(jì)和抗震構(gòu)造措施,保證構(gòu)件承載能力。

2)適當(dāng)加大結(jié)構(gòu)高寬比指標(biāo)、設(shè)置一定數(shù)量的完整長(zhǎng)墻、開(kāi)洞處適當(dāng)增設(shè)連接板等措施,保證結(jié)構(gòu)體系合理性。

3)通過(guò)非線性推覆分析、大震下動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析,驗(yàn)算結(jié)構(gòu)層間位移角,滿足規(guī)范大震不倒的要求。

4)在框支柱及轉(zhuǎn)換梁中設(shè)置型鋼,適當(dāng)提高轉(zhuǎn)換構(gòu)件的承載力和延性。

5 靜力彈塑性分析(Pushover Analysis)

5.1 單元模型和分析方法

本工程Pushover分析采用大型通用有限元程序 MIDASGen,該程序利用 ATC-40(1996年)和 FEMA-273(1997年)中提供的能力譜法(Capacity Spectrum Method,CSM)評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的耐震性能,計(jì)算模型使用的單元類(lèi)型有三維梁—柱單元(3-dimensional beam-column element)、三維墻單元(3-dimensional wall element)。Pushover分析過(guò)程在各框架梁及連梁的梁端設(shè)置了彎矩鉸(MyMz),在鋼筋混凝土墻中及框架柱端部均設(shè)置了PMM鉸,并按照ATC-40所建議的方法分別定義了各鉸的性能骨架曲線。本工程中對(duì)X,Y兩個(gè)方向分別進(jìn)行了Pushover分析。注意到結(jié)構(gòu)分別沿X向,Y向的第一、二振型的振型參與質(zhì)量成分很大,而且結(jié)構(gòu)沿豎向分布均勻,因此,我們?cè)谶M(jìn)行 Pushover分析時(shí),采用的是振型進(jìn)行側(cè)推的水平目標(biāo)位移的位移控制法。

5.2 分析結(jié)果

圖3,圖4分別為結(jié)構(gòu)在沿X方向,Y方向罕遇地震作用下Pushover能力曲線及地震需求譜線共同繪制在同一坐標(biāo)系(ADRS)下的分析結(jié)果。該罕遇地震性能控制點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)反映了結(jié)構(gòu)在7度罕遇地震下的工作狀態(tài)。現(xiàn)考察對(duì)應(yīng)時(shí)刻的結(jié)構(gòu)狀態(tài)如下:

X向、Y向加載罕遇地震性能控制點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移分別為0.723 5 m,0.638 0 m,此時(shí)結(jié)構(gòu)基底剪力分別為60 900 k N,81 810 k N。X向最大層間位移角出現(xiàn)在第31層,為1/167,Y向最大層間位移角出現(xiàn)在33層,為1/190,均小于規(guī)范規(guī)定的層間位移角限值。

考察結(jié)構(gòu)的出鉸順序和部位如下:X方向當(dāng)結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移在0.103 m(約相當(dāng)于小震水平)之前,除了中間層極少數(shù)中筒處連梁產(chǎn)生塑性鉸外,整個(gè)結(jié)構(gòu)基本保持彈性。當(dāng)結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移在0.291 m(約相當(dāng)于中震水平)時(shí),在底部墻體及上部個(gè)別墻體出現(xiàn)了少量塑性鉸,在中筒連梁及其外圈的剪力墻的連梁處也出現(xiàn)部分塑性鉸。隨著側(cè)推的繼續(xù),剪力墻塑性鉸出鉸的區(qū)域逐漸向整個(gè)結(jié)構(gòu)蔓延,梁塑性鉸的數(shù)量也逐漸增多。當(dāng)達(dá)到罕遇地震性能控制點(diǎn)時(shí),剪力墻上出現(xiàn)了一定數(shù)量的塑性鉸,平面位置主要集中在兩側(cè)外墻及中筒處,平面兩端山墻上塑性鉸集中在底部,上部也出現(xiàn)少許,中筒處塑性鉸主要出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)底部,其中少部分墻體的出鉸程度已經(jīng)比較深;梁的塑性鉸幾乎遍布整個(gè)結(jié)構(gòu),除中筒連梁外其他出鉸連梁大多處于B-IO階段。Y方向情況與X方向基本相同。

6 彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析

采用EPDA彈塑性動(dòng)力分析程序?qū)Ρ竟こ踢M(jìn)行了非線性動(dòng)力時(shí)程分析。采用兩條天然地震波(US64X&US64Y,US78X&US78Y)和一條人工模擬波(L760X&L760Y)進(jìn)行彈性時(shí)程分析。峰值加速度主方向?yàn)?10 cm/s2,次方向?yàn)?64 cm/s2。通過(guò)分析三條波作用下塑性鉸的分布,可以看出塑性鉸最先在連梁部位出現(xiàn),然后是底部剪力墻出現(xiàn)塑性鉸,墻鉸和梁鉸主要分布在底部和頂部,最后有一定數(shù)量的梁、柱及剪力墻連梁均出現(xiàn)了塑性鉸。

總體來(lái)看,剪力墻底部外圍墻肢出現(xiàn)塑性鉸時(shí)間較早,比例較高,其分析規(guī)律也與靜力彈塑性結(jié)果一致,可以在相應(yīng)部位采取適當(dāng)加強(qiáng)措施以保證大震下安全性的要求。

7 結(jié)語(yǔ)

超限高層應(yīng)首先根據(jù)自身情況確定不同部位的相應(yīng)性能目標(biāo),通過(guò)小震、中震及大震下的計(jì)算分析得出結(jié)構(gòu)在不同階段的反應(yīng),分析塑性鉸出現(xiàn)規(guī)律和罕遇地震性能點(diǎn)時(shí)刻的狀態(tài),采取相應(yīng)措施保證建筑物達(dá)到“小震不壞、中震可修、大震不倒”的要求。

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