荔港南灣13、14棟超高結(jié)構(gòu)設(shè)計

【摘要】荔港南灣（南區(qū)）地塊項目的結(jié)構(gòu)高度為超B級高度的超限高層住宅建筑，采用部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)，使用SATWE和廣廈兩個不同力學模型的空間結(jié)構(gòu)分析程序計算，使用PKPM的Pushover進行推覆分析。

【關(guān)鍵詞】超高結(jié)構(gòu)；Pushover分析

1 工程概況

本項目地塊位于廣州市荔灣區(qū)南岸路以西、荔港南灣（南區(qū)）地塊。13、14棟位于地塊的中部，西側(cè)為臨江規(guī)劃路，東側(cè)為規(guī)劃路，北側(cè)為110kV荔港南灣變電站，南側(cè)為小區(qū)內(nèi)住宅用地。13、14棟總建筑面積126210平方米，其中計算容積率建筑面積92907平方米，地上部分建筑面積94567平方米，地下部分建筑面積31644平方米。本期工程共包括13、14棟共2棟52層高層純住宅，設(shè)2層地下車庫，建筑總高度均為187.50米，局部布置1層公建配套，小區(qū)內(nèi)首層設(shè)綠化架空層及住戶大堂，高寬比分別為7.9、6.52。

2 結(jié)構(gòu)布置和選型

本工程13、14棟根據(jù)標準層為高檔住宅的特點，考慮采用部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)體系。剪力墻作雙向布置，單體中部設(shè)置核心筒。為了不影響首層的架空層及地下室車道，把部分的剪力墻在地面以上第1結(jié)構(gòu)層頂部進行轉(zhuǎn)換，核心筒直接落地。

3 超限情況

2棟建筑的結(jié)構(gòu)特點主要表現(xiàn)在：a）采用框支剪力墻結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)高度超過了《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）要求的B級高度；b）豎向構(gòu)件不連續(xù)，部分的剪力墻在地面以上第1結(jié)構(gòu)層頂部進行轉(zhuǎn)換。

4 針對超限情況進行的分析驗算和采取的加強措施

1）分別采用SATWE和廣廈兩個不同的力學模型的空間結(jié)構(gòu)分析程序計算，對2種程序的計算結(jié)果加以判斷，然后用于構(gòu)件設(shè)計。

2）選取《地震安全性評價報告》所提供的2組場地人工地震波和5組實際地震記錄波對結(jié)構(gòu)作小震作用下的彈性時程分析，取其平均值與CQC法兩者間的大者用于將結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計。

3）采用PKPM軟件按安評報告輸入的地震反應(yīng)譜曲線計算所得的地震作用基底剪力與按規(guī)范的地震反應(yīng)譜曲線計算所得的數(shù)值比較，結(jié)果表明：在小震作用下， 安評報告均大于規(guī)范值，因此在進行小震彈性計算時按安評報告參數(shù)計算。

4）適量加強落地剪力墻和框支框架的配筋。

5）采用抗震性能化設(shè)計，根據(jù)實際需要，針對整個結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)的局部部位或關(guān)鍵部位、結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件、重要構(gòu)件、次要構(gòu)件采取不同的性能目標。中震不屈服驗算和大震靜力彈塑性分析均采用PKPM系列軟件進行了計算。

6）在設(shè)防烈度下，對于出現(xiàn)整體受拉的剪力墻肢，采用在墻肢內(nèi)部增加型鋼或鋼筋的方法，計算時，用型鋼或鋼筋抵抗所有拉力；在設(shè)防烈度下，對部分受剪較大的轉(zhuǎn)換梁或連梁采用配置抗剪鋼板的措施。

5 超限分析主要的荷載作用

5.1地震作用

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范以及廣東省地震工程勘測中心的《廣州荔港南灣第四組團：荔港南灣（南區(qū)）二期12～14棟工程場地地震安全性評價報告》，本工程結(jié)構(gòu)進行地震作用分析時，采用的相關(guān)參數(shù)如下：設(shè)防烈度7度，地震加速度0.1g，設(shè)防類別丙類，場地類別II類。

5.2 安評報告的地震反應(yīng)譜曲線與抗震規(guī)范的相應(yīng)比較

《廣州荔港南灣第四組團：荔港南灣（南區(qū)）二期12～14棟工程場地地震安全性評價報告》提供的場地地面設(shè)計地震動參數(shù)與抗震規(guī)范的相應(yīng)參數(shù)進行比較，從中能判斷出在6秒內(nèi)安評報告的曲線能包絡(luò)規(guī)范的反應(yīng)譜曲線。為進一步的分析比較，使用pkpm軟件，直接輸入地震反應(yīng)譜，將按安評報告輸入的地震反應(yīng)譜曲線計算所得的地震作用基底剪力與按規(guī)范的地震反應(yīng)譜曲線計算所得的數(shù)值進行比較，結(jié)果表明，小震作用下，按規(guī)范反應(yīng)譜計算的基底剪力比按安評報告的地震反應(yīng)譜曲線計算的基底剪力小，因此小震作用按照安評報告的地震反應(yīng)譜曲線進行計算。中震、大震的地震動參數(shù)根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010）的規(guī)定按規(guī)范提供的數(shù)值取用。

5.3 風荷載

在計算風荷作用下結(jié)構(gòu)水平位移時，基本風壓值Wo=0.50kN/m2（n=50年），在計算風荷作用下結(jié)構(gòu)構(gòu)件強度時，基本風壓值Wo=0.55kN/m2（1.1倍），地面粗糙度C類，建筑體形系數(shù)μs=1.40。計算舒適度時，基本風壓取10年一遇的風荷載標準值，Wo=0.30kN/m2。

6抗震性能化設(shè)計

根據(jù)本工程抗震設(shè)防的類別、設(shè)防烈度、結(jié)構(gòu)類型、超限情況及不規(guī)則性，按照《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）第3.11節(jié)的有關(guān)內(nèi)容，設(shè)定本結(jié)構(gòu)的抗震性能目標為性能C。其中層間位移角的限值參照《抗規(guī)》的有關(guān)規(guī)定選用。

不同地震水準下的計算分析：

1）小震：目標為第1性能水準，采用SATWE程序按規(guī)范的方法進行計算和設(shè)計，其結(jié)果滿足現(xiàn)行規(guī)范標準的有關(guān)規(guī)定，則能保證結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下“完好、無損壞”的性能目標。

2）中震：目標設(shè)為第3性能水準，采用SATWE程序進行模似分析，不考慮與抗震等級相關(guān)的放大系數(shù)。

3）大震：目標為第4性能水準，采用PKPM進行靜力彈塑性分析（Pushover），不考慮與抗震等級有關(guān)的增大系數(shù)。

6.1小震及風作用下的彈性分析

6.1.1 計算軟件

本工程采用SATWE對主體結(jié)構(gòu)進行小震及風作用下的彈性整體計算分析，并用廣廈軟件進行校核對比分析。

6.1.2 基本假定及主要參數(shù)取值

1）考慮了平扭耦聯(lián)計算結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。控制振型數(shù)使振型參與質(zhì)量不小于總質(zhì)量的95%。

2）計算層間位移、層側(cè)向剛度比和位移比時，采用剛性樓板的假定。

3）主要參數(shù)取值如下：考慮偶然偏心；周期折減系數(shù)取0.90；中梁剛度增大系數(shù)取2.0，連梁剛度折減系數(shù)0.8。

6.1.3 小震彈性分析結(jié)果

6.1.4 小震彈性動力時程分析的結(jié)果

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011-2010的要求，采用時程分析方法進行多遇地震補充驗算，按建筑場地類別和設(shè)計地震分組選用不少于5組實際地震記錄和2組人工模擬的加速度時程曲線。

彈性動力時程分析時分別采用地震安評報告中所提供的2條多遇地震人工波（user6、user7）以及5條Ⅱ類場地的實際記錄地震波（user1、user3、user11、user12、user13），選取7條波的特征周期為0.35s，7條波平均的底部剪力不小于振型分解反應(yīng)譜法的結(jié)果80%，每條地震波的底部剪力不小于反應(yīng)譜法的結(jié)果65%。分析的結(jié)果表明，在多遇地震作用下，在下部大部分樓層CQC法的結(jié)果大于7條波時程分析結(jié)果的平均值，在進行施工圖設(shè)計時，按CQC法的計算結(jié)果進行配筋設(shè)計；在上部局部樓層，CQC法的結(jié)果略小于7條波時程分析結(jié)果的平均值，在進行施工圖設(shè)計時，對上部局部樓層采取放大地震作用力系數(shù)的方法進行構(gòu)件設(shè)計。

6.1.5 頂點順風和橫風最大加速度驗算

本工程結(jié)構(gòu)高度為187.5m（>150m），根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》及《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》計算本工程頂點順風和橫風最大加速度（表16）。迎風面分別按X、Y方向計算，取最不利計算風方向角與Y軸夾角為零度。

由驗算可知，本工程頂點順風向和橫風最大加速度為0.135m/s2 ，均小于0.15m/s2，符合《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》3.7.6的要求，滿足舒適度要求。

6.1.6 小震及風作用下的彈性分析結(jié)果小結(jié)

以上考慮小震組合的彈性計算分析結(jié)果表明，本工程各項整體指標均能滿足相關(guān)規(guī)范的有關(guān)要求或未超出規(guī)范規(guī)定的最大限值；墻柱的軸壓比和各構(gòu)件的強度及變形也均能滿足規(guī)范的要求，能達到小震作用下“完好無損壞、變形小于彈性位移限值”的第一階段的抗震性能目標。

6.2 中震分析

中震驗算時，按規(guī)范反應(yīng)譜曲線輸入計算模型，連梁剛度折減系數(shù)取0.5，結(jié)構(gòu)阻尼比取0.05中震驗算結(jié)果表明，標準層除部分連梁出現(xiàn)受彎屈服耗能外，其它豎向構(gòu)件及主要框架梁承載力按標準值復核均滿足要求。故本工程能達到轉(zhuǎn)換構(gòu)件剪力墻加強部位、標準層豎向構(gòu)件及主要框架梁僅輕微損壞，除部分較短連梁出現(xiàn)受彎屈服、受剪不屈服外，大部分抗震構(gòu)件均能達到不屈服的抗震性能目標。中震作用下的最大層間位移角為1/314，表明各塔樓變形小于3倍彈性位移限值，整體結(jié)構(gòu)變形滿足抗震性能目標要求；

6.3 罕遇地震作用下靜力彈塑性（Pushover）分析及結(jié)構(gòu)抗震性能評價

對結(jié)構(gòu)進行罕遇地震作用下的靜力彈塑性（Pushover）分析，是在基于性能的抗震設(shè)計方法中，以量化的計算結(jié)果來評價結(jié)構(gòu)在大震作用下是否滿足 “中度損壞，變形不大于0.9倍塑性變形限值”的抗震性能目標的具體實現(xiàn)手段之一。

6.3.1 使用的程序和計算模型

本工程采用PKPM的Pushover進行推覆分析。

6.3.2 PKPM的Pushover分析

1）計算假定

本工程為簡化模型，節(jié)省計算時間，模型中采用了剛性樓板假定，這一模型已能滿足計算精度要求。

2）加載順序

豎向與水平荷載分三步施加于結(jié)構(gòu)上，如下所述：第一步：施加重力荷載，荷載取值為重力荷載代表值；第二步：維護第一步所施加的重力荷載不變。水平作用力值從零開始逐步增加，每次增加一個小的增量。隨著非線性靜力分析的進行，監(jiān)視屋頂在水平作用力方向的水平位移。當屋頂水平位移超過預見的水平水移值時（本工程取值大震位移），非線性靜力分析在人工干預下結(jié)束。

3） Pushover分析結(jié)果

結(jié)構(gòu)的安全評估將從結(jié)構(gòu)整體性能和構(gòu)件塑性變形程度兩個方面來考察。整體性能的情況通過彈塑性層間位移角、剪重比、結(jié)構(gòu)頂部位移、底部剪力、結(jié)構(gòu)塑性發(fā)展的過程及塑性發(fā)展的區(qū)域來評估。構(gòu)件則通過構(gòu)件的塑性發(fā)展程度來評估。性能控制點處結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形數(shù)據(jù)見下表，這里僅列出13棟的分析結(jié)果。

據(jù)上推斷，在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)的抗震性能滿足“中度損壞，變形不大于0.9倍塑性變形限值”的抗震設(shè)計目標；框架梁個別出現(xiàn)受彎破壞，受剪不破壞，連梁部分出現(xiàn)受彎破壞，受剪不破壞，剪力墻個別出現(xiàn)底部受彎破壞，受剪不破壞。

7 結(jié)論

分析結(jié)果表明：在小震作用下本結(jié)構(gòu)的周期比、側(cè)向剛度、規(guī)則性及位移比等指標滿足現(xiàn)行規(guī)范的有關(guān)要求，能達到“小震完好”的性能目標；中震作用下能實現(xiàn)“重要和一般構(gòu)件不屈服，僅耗能連梁少量屈服”抗震的性能目標；大震作用下能實現(xiàn)“不嚴重破壞” 的抗震性能目標，因此可以期望本工程的結(jié)構(gòu)體系在遭遇地震作用時，結(jié)構(gòu)整體能達到性能C的抗震設(shè)防目標。

參考文獻

[1]JGJ3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011

[2]傅學怡《實用高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計》北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010