溫州甌貿國際超限高層建筑結構設計

劉 晟

(上海同濟開元建筑設計有限公司，上海 200092)

溫州甌貿國際超限高層建筑結構設計

劉 晟

(上海同濟開元建筑設計有限公司，上海 200092)

以溫州甌貿國際框架—剪力墻結構體系設計為背景，通過墻體厚度及柱截面的變化控制結構的層間剛度比和抗剪承載力比值，在結構中部21層立面收進處，設置斜撐以分散上部的豎向力，減小下部框架柱的豎向位移差，并基于MIDAS GEN，對結構進行了靜力彈塑性分析，以保證結構在中震及大震作用下抗震性能目標的實現。

框架剪力墻結構，MIDAS，性能化設計，彈塑性分析

1 工程概況

本工程位于浙江省溫州市甌海新區，緊鄰溫州南站。項目包括一棟40層主塔樓和一棟5層裙樓，其主要功能為酒店客房、公寓等。主樓與裙房之間在地上部分設置伸縮縫，兼作變形縫，形成兩個獨立的結構單元。

圖1為溫州甌貿國際建筑效果圖。主樓的鋼筋混凝土大屋面高度為146.60 m，平面尺寸約為67.2 m×22.5 m，地上建筑面積約為62 130 m2。結構體系采用框架—剪力墻結構，屬于B級高度的高層建筑。

2 結構體系及布置

圖2為主樓典型樓層的結構平面圖。圖中可以看出，剪力墻主要集中布置在樓梯、電梯區域，形成兩個較大的井筒，由于井筒偏置于北側，結構定義為框剪結構，同時對剪力墻井筒的設計按筒體的要求從嚴控制。結構平面呈矩形布置，高寬比6.44，剪力墻井筒面積占主樓面積的15.0%。主樓底部加強區剪力墻井筒外圍剪力墻厚600 mm～800 mm，內部剪力墻厚度多為400 mm，外圍矩形框架柱的截面尺寸800 mm×1 400 mm，混凝土強度等級為C60。由于建筑功能的需要，局部樓層存在下部樓層層高較大，上部樓層層高較小的情況。為控制結構的剛度和抗剪承載力不發生突變，設計中利用層高變化處，將井筒外圍剪力墻厚度由800 mm逐步收至400 mm，框架柱的截面尺寸由800 mm×1 400 mm縮小為800 mm×800 mm，混凝土強度等級由C60過渡至C30，消除了結構的薄弱層和軟弱層。

由于建筑造型的需要，結構立面在21層處收進4.3 m，?軸框架柱在21層樓面到頂，如圖2所示。經過計算分析，在21層以下若干樓層，?軸框架柱較軸框架柱豎向軸力偏大較多，導致豎向變形差異較大，連接此兩列柱子的框架梁在豎向變形差的作用下產生很大的剪力和彎矩。為減小?軸和軸框架柱的豎向變形差，在20層～21層之間設置混凝土斜撐，斜撐截面為700 mm×700 mm，斜撐立面如圖3所示。設置斜撐后，?軸和軸兩列柱子的豎向變形較為協調，有效地減小了框架梁的內力。

3 結構計算分析

3.1 主要計算參數

結構的安全等級為二級，基礎設計等級為甲級。抗震設防烈度6度，設計地震分組第一組，設計基本地震加速度0.05g[1]，水平地震影響系數最大值取規范值與安評報告建議值之較大值0.05，場地類別為Ⅲ類，特征周期0.45 s，建筑抗震設防類別丙類。

基本風壓為0.60 kN/m2(50年一遇)，地面粗糙度類別為B類，體形系數為1.4。由于建筑高度大于60 m，承載力設計時，風荷載效應放大系數取1.1。

3.2 結構超限情況及對策

主塔樓采用鋼筋混凝土框架—剪力墻結構體系，主體結構高度146.6 m，超過《高層建筑混凝土結構技術規程》[2]中A級高度規定的130 m，屬于B級高度的高層結構。在偶然偏心的規定水平力作用下，Y向扭轉位移比最大值為1.26，剛心與質心偏心率最大值為0.33>0.15。根據中華人民共和國住房和城鄉建設部《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》的規定，本結構屬于超限結構。

3.3 性能化目標

考慮到本項目位于6度區，設防烈度不高，主樓結構高度超過A級不多，且僅有一項平面不規則，因此主樓的結構抗震性能目標依據《高層建筑混凝土結構技術規程》[2]均定為C級，即小震完好、無損壞，中震輕度損壞，大震中度損壞。

為達到此性能目標，主樓在多遇地震、設防烈度地震和罕遇地震作用下的層間位移角限值分別定位1/800，1/400和1/200。底部加強部位的剪力墻、斜撐定義為關鍵構件，非底部加強區剪力墻、框架柱為普通豎向構件，剪力墻連梁和框架梁為耗能構件，其抗震性能目標的設定如表1所示。

表1 結構構件抗震性能目標

3.4 結構分析主要結果

主塔樓以及裙房將采用中國建筑科學研究院PKPMCAD工程部的PKPM軟件系列中的SATWE軟件進行分析計算，采用MIDAS軟件進行校核。計算中采用CQC振型組合，并考慮了結構的扭轉耦聯效應。主要計算結果如表2所示。從表中可以看出，SATWE和MIDAS的計算結果吻合較好，周期比、剪重比、位移角、位移比等主要結構參數均可滿足設計要求。

表2 SATWE和MIDAS主要計算結果

4 靜力彈塑性分析

4.1 計算模型與基本假定

采用MIDAS GEN 8.00建立有限元計算模型如圖4所示。

計算模型中共定義了四類塑性鉸，其中墻鉸和柱鉸為軸力彎矩鉸，梁鉸為彎矩鉸，支撐鉸為軸力鉸。四類塑性鉸均為位移控制所對應的FEMA鉸。側向力的分布模式采用模態分析的結果，加載采用位移控制，最大平動位移為1 500 mm(約結構地上高度的1/100)。考慮了X方向和Y方向兩種情況。初始荷載定義為1.0恒載+0.5活載，并考慮其P-delta效應。

4.2 主要分析結果

能力曲線及目標性能點如圖5所示。結構在中震及大震作用下的目標性能點的基本信息如表3所示。結構在目標性能點的各層層間位移角曲線如圖5所示，最大彈塑性層間位移角及其發生的樓層如表3所示。可以看出，中震下X向和Y向最大彈塑性層間位移角分別為1/897和1/578，均小于1/400；大震下X向和Y向最大彈塑性層間位移角分別為1/378和1/245，均小于1/200，因此可以滿足中震輕度損壞，大震中度損壞的既定抗震性能目標。

表3 中震及大震目標性能點基本信息

塑性鉸的發展如圖6所示，從圖中可以看出：在中震水平的X向和Y向推覆荷載作用下，樓層的核心筒連梁相繼出現塑性鉸，主要集中在結構中下部(底層～22層)；核心筒墻肢和框架柱未出現塑性鉸。在大震水平的X向和Y向推覆荷載下，大部分樓層的核心筒連梁出現塑性鉸，個別樓層的連梁已發生剛度退化；裙房部分框架梁柱出現塑性鉸，但塑性區較淺；個別墻肢出現塑性鉸。

由此可見，在中震荷載水平下，結構的塑性發展有限，塑性鉸主要在連梁內出現。在大震的荷載水平下，破壞主要表現為大多樓層連梁塑性鉸的出現以及個別連梁剛度退化。連梁作為耗能構件，在地震中先于其他結構構件進入塑性狀態，消耗地震能量，達到了預期目的。

5 結語

1)高層建筑通常由于功能的需要，存在下部樓層層高大，上部樓層層高小的情況，設計中可利用層高變化處，逐步減小墻柱截面和降低混凝土強度，以防止結構剛度和抗剪強度的突變。

2)當建筑設計在結構高度中部樓層立面收進時，收進的框架柱與相鄰普通柱之間存在較大的豎向變形差異，對結構造成不利影響。設計中采用設置斜撐的方式，協調相鄰柱跨之間的豎向變形，有效地減小了結構的內力。

3)超限高層建筑應根據建筑的高度、結構不規則的程度，合理地選取抗震性能目標。應對關鍵構件、普通豎向構件、耗能構件在不同地震水準下分別采取不同的性能目標。

4)采用MIDAS對結構進行了靜力彈塑性分析，分析結果表明，結構在中震和大震作用下的層間位移角以及結構塑性鉸的發展程度均可滿足預先設定的抗震性能目標。

[1] GB 50011—2010，建筑抗震設計規范[S].

[2] JGJ 3—2010，高層建筑混凝土結構技術規程[S].

On structural design for Oumao International out-of-mode high-rise building in Wenzhou City

Liu Sheng

(ShanghaiTongjiKaiyuanArchitecturalDesignCo.,Ltd,Shanghai200092,China)

Taking the framework-shear wall structural system design of Oumao International in Wenzhou City as the background, the paper allocates the extensive upper vertical stress at the 21st floor elevated entry part in the middle of the structure according to the wall thickness and the interlayer stiffness ratio and anti-shear loading capacity ratio for the changing controlled structure of the column section, reduces the vertical displacement difference of the lower framework column, and undertakes the static-elastic-plastic analysis based on MIDAS GEN, so as to ensure the realization of the seismic performance under the middle seisms and major earthquakes.

framework-shear wall structure, MIDAS, performance design, elastic-plastic analysis

2015-03-02

劉 晟(1982- )，男，碩士，工程師

1009-6825(2015)14-0042-03

TU973

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