某超限鋼筋混凝土框架—核心筒結(jié)構(gòu)設(shè)計

趙變青

(太原市建筑設(shè)計研究院，山西太原 030002)

1 工程概況

太原某超限高層辦公樓項目位于太原市體育路與親賢北街交叉口之西北角。本項目建筑場地總用地面積94 290．1m2，總建筑面積約642 278．43 m2。地下2層，地面以上由1幢52層超高層辦公樓及1幢高層酒店和4層裙房組成。超高層辦公樓的建筑總高度為209．8 m(室外地面至大屋面高度);裙房總高度為23．80 m(室外地面至屋面高度)，為多層結(jié)構(gòu)。設(shè)計使用年限為50年。超限高層辦公樓建筑面積約100 000 m2，52層，標(biāo)準(zhǔn)層層高為3．8 m，1層 ～4層為商業(yè)，5層～52層為5A級寫字樓，在20層和38層設(shè)有兩個避難層。地下室為車庫、商業(yè)和設(shè)備用房。

該工程設(shè)計使用年限為50年，結(jié)構(gòu)安全等級為二級。抗震設(shè)防烈度為8度，基本地震加速度為0．2g，建筑場地類別為Ⅲ類，設(shè)計地震分組為一組，場地特征周期為0．45 s，抗震設(shè)防類別為丙類;建筑高度為超B級的高層建筑，取100年一遇的基本風(fēng)壓0．45 kN/m2，地面粗糙度類別C類。

2 結(jié)構(gòu)體系及布置

本工程地下結(jié)構(gòu)連為一體，地上主樓與裙房設(shè)置防震縫將結(jié)構(gòu)分為相互獨立的結(jié)構(gòu)單元，縫寬200 mm;裙房采用框架結(jié)構(gòu)體系，抗震等級為二級;主樓采用鋼筋混凝土框架—核心筒的結(jié)構(gòu)體系。根據(jù)JGJ 50011-2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(以下簡稱《高規(guī)》)的要求，建筑高度超過了規(guī)范規(guī)定的框架—核心筒的B級高度的限值140m，為超B級的高層建筑，根據(jù)B級高度丙類建筑抗震等級表，框架為一級，核心筒為特一級，由于建筑高度超過B級，框架、核心筒的抗震等級均采用特一級。框架柱采用型鋼混凝土柱，截面由1 800×1 800，內(nèi)配1 500×300×36×50的“十”字形焊接H形鋼骨，鋼材材質(zhì)為Q345B。梁采用鋼筋混凝土梁，梁高取1/15跨度，為500×800，連梁在38層以下均采用雙連梁，38層以上為單連梁。核心筒內(nèi)樓板采用130 mm厚的現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板，雙層雙向拉通配筋，核心筒外圍采用普通鋼筋混凝土現(xiàn)澆樓板，為增加結(jié)構(gòu)角部的剛度，結(jié)構(gòu)四角均設(shè)置井字梁，保證結(jié)構(gòu)中央核心筒與周邊框架共同工作。為改善結(jié)構(gòu)在高振型作用下的動力性能，在20層，38層結(jié)構(gòu)周邊框架間各設(shè)置一道有限剛度的腰桁架。腰桁架與框架柱采用鉸接連接。

3 超限情況及結(jié)構(gòu)的抗震性能目標(biāo)

3．1 超限判定

依據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點》建質(zhì)［2010］109號文件，且參照建設(shè)部《超限高層建筑工程抗震設(shè)防管理規(guī)定》建設(shè)部令第111號和《山西省抗震設(shè)防超限高層建筑工程界定規(guī)定》晉建質(zhì)字［2011］221號中關(guān)于結(jié)構(gòu)超限內(nèi)容的有關(guān)規(guī)定對辦公樓進(jìn)行超限認(rèn)定，見表1。

表1 結(jié)構(gòu)的超限認(rèn)定

根據(jù)表1可以看出，結(jié)構(gòu)的超限情況為，高度超過B級，2層樓板不連續(xù)，共兩條超限，為一般超限高層結(jié)構(gòu)，需進(jìn)行朝鮮抗震專家審查。

3．2 性能目標(biāo)

參考JGJ 3-2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程3．11節(jié)條文說明中的舉例及相關(guān)說明，綜合考慮本工程寫字樓結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性，根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重要性將整體結(jié)構(gòu)構(gòu)件分為兩大類:

第一類結(jié)構(gòu)構(gòu)件:核心筒(底部加強區(qū)，關(guān)鍵構(gòu)件)，核心筒(底部加強區(qū))、外框柱、腰桁架;

第二類結(jié)構(gòu)構(gòu)件(普通豎向構(gòu)件和耗能構(gòu)件):框架梁、連梁、樓板。

兩類結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震性能目標(biāo)及其在不同地震水準(zhǔn)下的結(jié)構(gòu)抗震性能水準(zhǔn)見表2。

表2 結(jié)構(gòu)抗震性能水準(zhǔn)

3．3 抗震性能設(shè)計實現(xiàn)方法

1)多遇地震作用下結(jié)構(gòu)達(dá)到抗震性能水準(zhǔn)1(結(jié)構(gòu)完好無損)，結(jié)構(gòu)設(shè)計按照規(guī)范規(guī)定的振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行計算分析與設(shè)計，同時采用彈性時程分析進(jìn)行復(fù)核。

2)設(shè)防烈度地震作用下，第一類結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到第3性能水準(zhǔn)，主要通過等效彈性計算方法得到結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力進(jìn)行設(shè)計，同時通過中震彈性計算關(guān)鍵構(gòu)件的抗剪承載力及中震不屈服對正截面承載力進(jìn)行校核;第二類結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到第4性能水準(zhǔn)，主要通過中震不屈服計算連梁和框架梁的抗剪截面及承載力進(jìn)行校核。對于框架梁以及連梁，在設(shè)防烈度下的性能水準(zhǔn)為4，且為了滿足強柱弱梁、強剪弱彎的設(shè)計理念，允許框架梁及連梁的抗彎部分進(jìn)入塑性，但是不能太早，在水平地震影響系數(shù)最大值為0．31時，連梁的抗彎不能屈服。在水平地震影響系數(shù)最大值為0．4時，框架梁的抗彎不能屈服。

3)預(yù)估的罕遇地震作用下，第一類結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到第4性能水準(zhǔn)，第二類結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到第5性能水準(zhǔn)，主要通過等效彈性計算方法得到結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力來驗算核心筒底部加強部位的抗剪截面。結(jié)構(gòu)的彈塑性變形及薄弱部位主要通過動力彈塑性分析進(jìn)行校核(見表3)。

4 計算結(jié)果

在小震彈性計算后，結(jié)構(gòu)在X向的周期為T1=4．423 7 s，Y向的周期為 T2=4．362 7 s，第三周期為 T3=3．259 2 s，第一扭轉(zhuǎn)振型周期與第一平動周期的比值為0．738(PKPM結(jié)果)，小于規(guī)范限值 0．85。

表3 性能目標(biāo)細(xì)化表

結(jié)構(gòu)的位移，X向結(jié)構(gòu)最大層間位移角為1/614(在29層)，Y向結(jié)構(gòu)最大層間位移角為1/644(在42層)，均大于按照規(guī)范內(nèi)插以后的結(jié)構(gòu)層間位移角的限值1/594，層間最大位移與樓層最大位移比均小于1．2，按照規(guī)范可以不計算雙向地震，但考慮到結(jié)構(gòu)高度為超B級的結(jié)構(gòu)，且不存在絕對對稱及剛度完全均勻的結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)計算時仍然偏于安全的按雙向地震作用計算。

結(jié)構(gòu)的彈塑性計算采用MIDAS的動力時程進(jìn)行分析計算，由計算結(jié)果可知，各主方向結(jié)構(gòu)彈塑性最大層間位移角的具體數(shù)值及包絡(luò)。以X方向為主向輸入地震波，結(jié)構(gòu)最大層間位移角分別為 1/129，1/184 和 1/134((L0196-L0197)，(L0202-L0203)，(L850-1-L850-2))，包絡(luò)值1/129，小于1/100限值。以Y方向為主向輸入地震波，結(jié)構(gòu)最大層間位移角分別為1/124，1/166和1/129(L0196-L0197)，(L0202-L0203)，(L850-1-L850-2)，包絡(luò)值1/124，小于1/100限值。最大的層間位移角X方向出現(xiàn)在11層，Y方向出現(xiàn)在38層。

5 結(jié)語

通過以上的計算結(jié)果可知，在結(jié)構(gòu)超限的情況下，如果采用合理的結(jié)構(gòu)形式和建筑布局，可以有效的控制結(jié)構(gòu)的抗震性能，通過有效的計算和設(shè)置合理并切實可行的結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能目標(biāo)及加強措施，超限高層結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計并不是一個太過復(fù)雜的過程。