大連萬達公館3號樓超限高層結構設計

秦明樂 張紹亮 韓 超

1 工程概況

本工程為大連東部地區(qū)新開發(fā)的數(shù)棟超高層建筑中的一棟,建筑緊鄰大連港客運碼頭,商業(yè)定位為大連地區(qū)超豪華住宅樓。建筑層數(shù)為地上56層,地下3層,地上建筑高度185.95 m,地上建筑面積66 770 m2。該組團共計有3棟建筑,3號樓是最高的一棟,標準層結構布置圖見圖1,其立面效果圖見圖2。

工程場址位于郯廬地震帶北段,區(qū)域中強地震活動比較頻繁,郯廬斷裂下遼河—渤海段、金州斷裂、海城河斷裂、燕山—渤海斷裂等為影響場址的主要地震構造,區(qū)域存在發(fā)生7度以上地震的構造背景。地震危險性分析和土層地震反應分析給出場址設計地震動參數(shù)為:50年超越概率63%,10%的水平向地震動峰值加速度和對應譜特征周期土層場地分別為45 cm/s2,137 cm/s2,238 cm/s2和0.37 s,0.42 s,0.48 s,基巖場地分別為 32 cm/s2,95 cm/s2,166 cm/s2和0.35 s,0.40 s,0.45 s。場地類別為Ⅱ類。上部結構形式為鋼筋混凝土剪力墻結構,基礎形式采用箱形基礎。

2 抗震設計性能目標

本工程高度超過150 m,按《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》規(guī)定,屬超B級超限高層,且高寬比大于8,亦大于規(guī)范要求很多,因此本工程采用了基于性能的抗震設計方法對結構的抗震安全性能進行了論證,其抗震性能目標值見表1。該目標的制定原則為:小震下滿足結構完好、無損傷、一般不需修理即可繼續(xù)使用;中震下結構薄弱部位或重要部位的構件完好、無損傷,其余部位有部分選定的具有延性的構件出現(xiàn)明顯的裂縫,修理后可繼續(xù)安全使用;大震下結構薄弱部位或重要部位的構件有輕微損傷,出現(xiàn)裂縫,其他部位有選定的具有延性的構件發(fā)生中等損壞,出現(xiàn)明顯裂縫,進入屈服階段,需要修理并采取一些安全措施后才可繼續(xù)使用。

表1 抗震性能目標

3 多遇地震分析

3.1 彈性分析

本工程Y方向剛度小于X方向剛度,因此本文僅就Y方向進行分析,X方向略。另外本工程在多遇地震作用下的計算結果小于風荷載的作用,因此這里也列出了風荷載的計算結果。

本工程分別采用SATWE(2007.8版),ETABS(V9.2.0版)和MIDAS/GEN(ver.730版)3個軟件進行了分析計算,并按風荷載作用和多遇地震作用分別進行計算。在風荷載作用時參照了該工程的《風洞試驗報告》,在地震荷載作用下參照了該工程的《場地地震安全性評價報告》。主要計算結果見表2。

表2 SATWE主要計算結果

從計算結果可以看出,3個軟件的計算結果都比較接近。另外最大層間位移角發(fā)生在43層～48層之間,即發(fā)生在塔樓的上1/3處,說明該工程的變形是以彎曲變形為主的,這也是該工程的高寬比較大、剛度偏低造成的結果,因此設計中應充分考慮。

3.2 彈性時程分析

本工程分別采用上述3個軟件進行了彈性時程分析法的不同計算,輸入的地震加速度時程曲線分別是遼寧省地震研究所提供的本場地地表人工加速度時程曲線user1(超越概率63%)、地震記錄天然波1T及TAFT波。時程分析時主分量峰值加速度取45 cm/s2,結構阻尼比為5%,底部剪力計算結果見表3。計算表明,每條波計算的底部剪力都不小于振型分解反應譜法計算的底部剪力的65%,3條波計算的底部剪力的平均值不小于振型分解反應譜法求得的底部剪力的80%。從最大樓層剪力曲線看(見圖3),振型分解反應譜法計算的結果略小于彈性時程分析法的計算結果的平均值,因此設計中采用了時程分解結果的包絡值。

表3 彈性時程計算底部剪力 kN

4 中震驗算

4.1 中震彈性驗算

為保證底部加強部位主要受力構件在中震作用下受剪及偏拉、偏壓承載力保持彈性,本工程進行了中震彈性驗算。部分墻肢的計算結果見圖4。計算結果表明,底部加強部位的部分墻肢拉應力較大,最大值為7.0 N/mm2,超出了混凝土的抗拉強度,因此在所有出現(xiàn)拉應力的墻肢及外墻交角部位均設置了型鋼柱,用型鋼柱承受墻肢的所有拉力,而偏壓計算時則不考慮型鋼柱的作用,將其作為一種安全儲備,從而保證主要墻肢的受力安全。

4.2 中震不屈服驗算

對底部加強區(qū)以外的墻肢進行中震不屈服驗算,該部位墻肢將按照中震不屈服和小震彈性的內力較大值進行設計。計算還表明所有墻肢的最大剪應力均不大于控制剪應力0.7ftk(墻肢受壓時)和0.4ftk(墻肢受拉時),滿足剪力墻抗裂驗算的要求。

5 大震驗算

強度驗算采用SATWE程序,因時程分析時3條波計算的底部剪力平均值為反應譜法計算結果的1.07倍,所以在大震驗算時將地震作用也放大了1.07倍,地震相應系數(shù)最大值 amax=0.5,結構阻尼比0.07。計算結果表明,底部加強部位剪力墻的地震剪力均小于大震受剪截面應力控制條件(Vw＜0.15βCfckbwhw0)。

彈塑性分析采用EPDA程序,判斷條件為截面剛度退化到初始界面剛度的60%,計算結果見圖5。從圖5可以看出,需求譜曲線和能力曲線的焦點坐標(T,A)=5.410 s,0.074;對應的層間位移角為1/179,小于1/120,滿足規(guī)范要求。

6 結語

如此高的超高層鋼筋混凝土剪力墻建筑,從經濟的角度看并非是一種理想的結構形式,但當建筑的需要必須作這種結構形式時,基于抗震性能目標的設計非常重要。通過中震和大震分析驗算,在本工程中發(fā)現(xiàn)了許多薄弱環(huán)節(jié),只有對這些薄弱環(huán)節(jié)進行有效的結構處理,才能保證建筑的安全。

本工程對這些薄弱部位的處理方法總結為:1)加強底部加強部位的豎向構件的承載能力,特別是抗拉承載能力;2)注意短墻肢的設計,將短墻肢的剪力進行適當放大;3)調整剪力墻的布置以減少地震扭轉效應的影響。本工程經過調整剪力墻后的縱橫向周期比為0.92,結構的整體抗扭性能還是比較好的。

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