通州新北京中心項目9B樓超高層結構設計

2016-04-28 03:24:42束偉農張建良趙東卓

四川建筑 2016年1期

石　異, 束偉農, 周　鋼, 孫　鵬, 張建良, 趙東卓, 侯　硯

(北京市建筑設計研究院有限公司，北京 100045)

通州新北京中心項目9B樓超高層結構設計

石異, 束偉農, 周鋼, 孫鵬, 張建良, 趙東卓, 侯硯

(北京市建筑設計研究院有限公司，北京 100045)

【摘要】通州新北京中心項目9B樓位于北京市通州區，高度為151.89 m的框架-剪力墻結構，屬于高度超限結構。文章介紹了該公寓樓的設計要點，并通過彈塑性分析著重研究結構在罕遇地震下的受力特點和抗震性能。

【關鍵詞】超高層建筑;剪力墻;彈塑性;外框柱

1工程概況與設計標準

工程建設地點位于北京市通州區新華北路東約100 m，通惠河北側。9B樓長43.3 m、寬26.5 m，層數41層，高度為151.89 m。地上1～3層為商業，層高分別為6 m、5.1 m、5.1 m；4層為設備層，層高2.19 m；15層、28層為避難層，層高為4.2 m；其余為公寓，層高為3.5 m、3.7 m。9B樓建筑效果圖見圖1，剖面圖見圖2。

圖1　建筑效果圖

圖2　建筑剖面

結構設計使用年限為50年，抗震設防烈度為8度，抗震設防類別為丙類，設計基本地震加速度值為0.20 g。建筑結構的安全等級為二級。場地類別為III類，特征周期0.42 s(剪切波速230 m/s內插值)，設計地震分組為第一組。

2結構體系及超限情況

2.1結構體系

本工程采用框架-剪力墻結構。外框架與核心筒之間的距離X向為11.05 m，Y向為10.4 m。由于Y向剛度偏弱，在Y向的核心筒東西兩側對應位置上設置了剪力墻。核心筒外墻厚度為1 000～400 mm，外框柱底層1 500 mm×800 mm，至頂層逐漸縮減為1 500 mm×500 mm，角柱為1 100 mm×1 100 mm。建筑標準層平面見圖3。

圖3　建筑標準層平面

2.2結構的超限情況

本工程根據建質[2010]109號《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》，對規范涉及結構不規則性的條文進行了檢查，本工程屬超B級高度的房屋。

3高度超限應對措施及分析結論

本工程抗震設防類別為丙類，抗震措施按8度要求。彈性分析阻尼比取值0.05，彈塑性分析阻尼比取值0.06。風荷載按重現期50年進行取值，為0.45 kN/m2(計算按1.1倍采用)；地面粗糙度為B類；風荷載體型系數和風振系數依據荷載規范取值；雪荷載按重現期50年進行取值，為0.40 kN/m2。

3.1高度超限應對措施

3.1.1分析模型及分析軟件

(1)采用兩個不同力學模型的空間分析程序PKPM-SATWE和MIDAS GEN進行對比校核計算，檢查小震下整體結構各項指標是否滿足規范要求。

(2)中震計算取GB50011-2010《建筑抗震設計規范》提供的地震動參數，驗算各構件符合中震作用下的性能目標。對于中震時出現小偏心受拉的混凝土構件，拉應力超過混凝土抗拉強度標準值設置型鋼承擔所有拉應力。

(3)在罕遇地震作用下，擬進行靜力彈塑性分析，找出結構薄弱部位，并觀察結構在罕遇地震力作用下的塑性鉸發展趨勢。檢驗結構在罕遇地震下的彈塑性變形滿足規范限值1/100要求，保證大震不倒的設防目標。

(4)驗算在10年一遇的風荷載作用下建筑使用的舒適度，滿足規范要求。

3.1.2抗震設計性能目標及加強措施

(1) 在雙向水平地震作用下，底部加強部位的墻肢，偏壓承載力按中震不屈服設計，受剪承載力滿足中震彈性和大震下的截面剪應力控制要求。加強部位以上的主要墻肢，受剪承載力滿足中震不屈服的要求。墻肢的約束邊緣構件延伸至軸壓比0.25的高度;底部加強部位墻肢拉應力超過ftk時，構件內設置型鋼承擔拉力，對拉應力較大(≥1.5ftk)的主要墻肢，其偏拉承載力按中震彈性設計。

(2) 底部加強部位的框架柱，計入多道防線，偏壓和偏拉承載力按中震不屈服設計，受剪承載力滿足中震彈性的要求；加強部位以上框架柱受剪承載力滿足中震不屈服的要求。

3.2分析結論

3.2.1多遇地震反應譜分析結果

結構計算分析的過程中，考慮了以下的結構假定，以模擬結構的真實受力狀態，分析結果見表1。

(1)本工程以地下室頂板(±0.000)作為上部結構的嵌固端；

(2)開洞樓板較大處考慮樓板平面外彈性假定；

(3)結構整體的施工模擬，依照施工順序，逐層疊加，形成剛度和分層加載。

表1　多遇地震反應譜分析結果

兩個程序的計算結果基本相符，可以認為計算模型正確有效。在后續的設計階段中，按照多個程序結果的包絡進行設計，能夠保證結構的安全。

3.2.2時程分析與振型分解反應譜法計算的地震作用效應比較

本工程彈性時程計算采用PKPM-SATWE，阻尼比為0.05。計算時采用北京震泰工程有限公司提供的五條天然波和兩條人工波，根據《場地地震安全性評估報告》時程曲線峰值加速度取80 gal,分析結果見表2。

表2　時程分析與振型分解反應譜法計算結果比較

從計算結果可以看出，每條時程曲線計算所得的結果底部剪力大于振型分解反應譜法求得的底部剪力的65 %，多條時程曲線計算所得的結構底部剪力的平均值也大于振型分解反應譜法求得的底部剪力的80 %，滿足GB50011-2010《建筑抗震設計規范》第5.1.2的要求。

3.2.3中震反應譜分析結果

由于本工程高度超限，為保證結構的安全，設計中提高了重要結構構件的安全度水平，對于底部加強區剪力墻及框架柱受剪承載力按中震彈性設計，對于底部加強區剪力墻及框架柱受彎承載力按中震不屈服設計。

在中震作用下剪力墻受剪承載力滿足中震彈性的設防目標，部分連梁、樓面梁出現超筋，剪力墻受彎承載力和外框柱經中震不屈服驗算，滿足中震不屈服的設防目標。

中震作用下底部部分墻肢出現拉應力，根據出現拉應力大小，施工圖設計時在拉應力超過混凝土抗拉強度標準值墻肢中設置型鋼，且型鋼應能承擔所有中震作用下產生的拉力，外框架的型鋼配置也應滿足中震的拉力要求需要。

3.2.4靜力彈塑性計算結果

在Pushover分析曲線中，性能控制點對應的結構層間位移角小于規范規定的限值。從結構的出鉸部位和順序來看，在設防烈度地震的作用下，結構在一些連梁和剪力墻中出現了少量塑性鉸；在罕遇地震作用下，結構的一部分連梁和剪力墻出現了塑性鉸，且一些塑性鉸屈服程度較深(圖4、圖5)。但從基底剪力—頂點位移相關曲線上可以看到，整體結構仍處于強化上升的工作階段，因此結構能夠經受罕遇地震的考驗。