貴陽某超高層辦公樓結構設計

楊 瞻 馬改改 楊珂懿

(1．貴陽市建筑設計院有限公司，貴州貴陽 550000;2．上海大同一鋼建筑設計研究院有限公司貴州分公司，貴州貴陽 550000)

1 工程概況

本工程位于貴州省貴陽市富源路，建筑面積72 962．14 m2，層數(shù)為(－1+5+38)層。本棟與其余三棟塔樓一起組成A組團。四棟塔樓以地下室頂板作為嵌固端。裙樓主要功能為商業(yè)、車庫，塔樓主要功能為辦公，結構高度為177．1 m。效果圖如圖1所示。

A1棟結構形式為鋼筋混凝土框架—核心筒結構體系，結構高寬比為5．4，核心筒高寬比為14．8，抗震設防烈度為6度(0．05g)，設計地震分組為第一組，設計特征周期為0．25 s，建筑場地類別為Ⅰ類。W0=0．30 kN/m2(承載力計算時取1．1倍)，地面粗糙度類別C類。

本工程結構由于屬于B級超高層建筑，因此需要進行小震作用下的彈性分析，中震作用下的彈性和不屈服分析，以及大震作用下動力彈塑性時程分析，以評估結構及其構件的性能表現(xiàn)。

2 結構體系及平面布置

本工程采用全現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架—核心筒結構，為減少底部柱斷面，地下室及下部15層柱采用型鋼混凝土柱。結構標準層典型平面尺寸為33 m×45 m，塔樓標準層平面布置如圖2所示。

圖1 效果圖

圖2 標準層平面布置圖

3 超限分析及性能目標

根據(jù)規(guī)范要求，本工程主要的超限內容為:房屋高度超限，存在兩項一般不規(guī)則(扭轉位移比大于1．2，相鄰層受剪承載力變化大于80%)。根據(jù)不同部位構件的重要性，參照JGJ 3-2010高層建筑混凝土結構技術規(guī)程以及GB 50011-2010建筑抗震設計規(guī)范規(guī)定，對塔樓構件的抗震性能目標進行了確定(抗規(guī)的性能目標3，高規(guī)的性能目標C)，具體如表1所示。

表1 構件抗震性能指標

4 多遇地震下振型分解反應譜計算分析

本工程采用了兩套計算軟件，PM-SATWE，MIDASBUILDING程序，進行了整體抗震分析，結構彈性整體分析主要計算結果如表2所示。

通過兩個程序的整體計算結果的對比分析可見，計算結果相差在10%以內，說明計算結果有效可靠。

結構振型圖如表3所示，由振型圖可知，辦公樓結構第一階振型為平動振型(X方向平動)，第二階為平動振型(Y方向平動)，第三階振型為扭轉振型;第一階扭轉振型出現(xiàn)在第三階，其與第一階的周期比為0．656，小于規(guī)范規(guī)定的0．9。

5 彈性時程分析

根據(jù)規(guī)范要求，對于B級高度超高層建筑，需補充彈性時程分析，地震波時程曲線圖及三條波對應的反應譜平均與規(guī)范反應譜對比詳見圖3。

通過彈性時程計算表明:

1)每條時程曲線計算所得的結構底部剪力均大于振型分解反應譜法計算結果的65%，三條時程曲線計算所得的結構底部剪力平均值大于振型分解反應譜法計算結果的80%，因此選用的地震波滿足規(guī)范的相關要求。

表2 結構彈性分析主要結果

表3 結構振型圖

2)時程分析法與振型分解反應譜法計算結果顯示，二者計算的結構反應特征、變化規(guī)律基本一致，結果合理可信。

3)第三條地震波時程分析的結果略大于振型分解反應譜法結果。根據(jù)《抗規(guī)》要求，計算結果取時程法的包絡值和振型分解反應譜法的較大值，本工程在設計時對振型分解反應譜法結果按比例放大進行計算。時程分析得到的X向基底剪力包絡值是反應譜計算得到的基底剪力值的1．22倍，因此在施工圖設計中將該方向的反應譜地震力放大1．22倍進行構件的設計和計算。

6 中震及大震驗算

為達到設防地震作用下結構的抗震設計目標，即除豎向構件外均按中震不屈服設計。為簡化分析，整體結構按中震不屈服設計，然后與小震彈性的設計結果進行比較，豎向構件的設計取包絡值，框架梁和連梁的設計取小震計算結果。

中震作用下結構層間位移角，X方向按中震不屈服的最大層間位移角為1/840，Y方向按中震不屈服的最大層間位移角為1/822，層間位移角滿足性能目標的層間位移角限值1/344的要求。中震不屈服層間位移角如圖4所示。

圖3 三條波對應的反應譜平均與規(guī)范反應譜的對比圖

圖4 中震不屈服層間位移角圖

7 動力彈塑性時程分析

各條地震波作用下結構的層間位移角及樓層剪力，具體詳見表4。

表4 各條地震波大震作用計算結果

在考慮重力二階效應及大變形的條件下，結構罕遇地震作用下最大彈塑性層位移角為1/388，滿足規(guī)范限值及性能目標要求。

現(xiàn)列出反應最大的天然波2在損傷最嚴重的時刻框架塑性鉸分布圖及剪力墻損傷圖，具體詳見圖5。

圖5 結構塑性鉸出鉸圖及剪力墻損傷圖

根據(jù)計算分析結果，結構在罕遇地震作用下性能做出如下綜合評價:

1)結構主要耗能構件為連梁，罕遇地震作用下屈服，起到耗能作用保護豎向構件;少量框架柱進入屈服狀態(tài)，主要集中于裙房頂層及屋頂層，但塑性變形程度不高，處于第一屈服階段，不影響結構延性破壞機制;

2)大量剪力墻墻肢基本無損傷;僅剪力墻洞口附近用殼單元模擬的連梁損傷;

3)主體結構在各組地震波作用下，最大彈塑性層間位移角為1/388，滿足規(guī)范限值及性能目標要求。

基于以上結構構件變形和強度分析，主要抗側力構件沒有發(fā)生嚴重破壞，結構豎立不倒，連梁屈服耗能，部分框架梁參與塑性耗能，結構在大震作用下的彈塑性反應及破壞機制，符合結構抗震工程的概念設計要求，達到了“大震不倒”的抗震設防要求。

8 根據(jù)超限審查意見進行的加強措施

本工程雙筒之間樓板開洞較多，現(xiàn)將雙筒之間的電梯井用剪力墻圍合，同時考慮到該處樓板應力較為集中，施工圖階段將對該樓樓板整體進行加強處理，提高配筋率、增加樓板厚度，具體詳見圖6。

圖6 核心筒加強構造示意圖

9 結語

本工程結構高度超限、平面和豎向基本規(guī)則。整體采用了抗震性能好的框架—核心筒結構體系;并針對本工程結構特點采取了一系列抗震計算、驗算及抗震構造加強措施。計算采用了多個有效的程序進行計算，計算參數(shù)完整、準確，其計算結果可信且滿足規(guī)范要求。

本工程能滿足相應的抗震設計各項規(guī)范要求和抗震性能目標要求，能做到“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震目標。

［1］ GB 50011-2010，建筑結構抗震設計規(guī)范［S］．

［2］ JGJ 3-2010，高層建筑混凝土結構技術規(guī)程［S］．

［3］ 結構大師非線性分析［M］．北京:北京邁達斯技術有限公司，2009．

［4］ Satwe S-3多層及高層建筑結構空間有限元分析與設計軟件用戶手冊［M］．北京:中國建筑科學研究院PKPMCAD工程部，2010．