強框架弱核心筒超限高層結構設計

劉 慶 偉

(上海智英化工技術有限公司，上海 200333)

?

強框架弱核心筒超限高層結構設計

劉 慶 偉

(上海智英化工技術有限公司，上海 200333)

以某超限高層工程為例，從結構計算和性能化設計等方面，對強框架弱核心筒結構實例進行了分析論證，結果表明，強框架弱核心筒超限結構能夠滿足規范規定的抗震設防目標。

強框架弱核心筒，超限高層，地震，剪力

1 概述

普通框架—核心筒結構，在規定的水平力作用下結構底層框架部分承擔的傾覆彎矩比一般為10%～40%。某工程為B級高度超限高層，底層框架承擔的傾覆彎矩比為48%左右，接近規范限值50%。對于超限高層從嚴控制的指導原則，工程被判定為強框架弱核心筒超限高層。根據超限審查要求，結構做了小震、中震、大震分析和性能化設計，最終通過超限審查要求。

2 結構總體分析

2.1 結構體系概述

工程結構高度147.500 m，屬于B類高層。標準層平面長向60.900 m，短向最大26.300 m，高寬比5.61，長寬比為2.32。采用框架—核心筒結構，嵌固端為地下室頂板，框架和筒體抗震等級均為一級。地下室與其他塔樓地下室連成整體，塔樓外區域地下室結構采用框架結構。地下1層主樓及周圍相關范圍內結構抗震等級同上部結構，地下2層、3層主樓及周圍相關范圍內結構抗震等級分別為二級、三級。

主樓樓蓋均采用現澆鋼筋混凝土梁板體系。核心筒內板厚取150 mm，核心筒外板厚以120 mm為主局部150 mm。主要框架梁尺寸為400 mm×650 mm，主要剪力墻厚度由下至上由700 mm逐級遞減至300 mm，主要框架柱尺寸自下至上由1 400 mm×1 400 mm逐級變化至700 mm×700 mm。豎向構件混凝土強度等級自下至上由C60逐級變化至C30，主樓梁板混凝土強度等級均采用C30。

2.2 地震動參數

根據《地震安全性評價報告》《建筑抗震設計規范》《巖土工程勘察報告》及南通地方規定，地震參數取值如下：

抗震設防類別：丙類；

抗震設防烈度：7度0.10g；

設計地震第二組：場地類別Ⅲ類；

場地特征周期:0.60 s(計算罕遇地震時，增加0.05 s)。

水平地震影響系數最大值：小震0.08,大震0.50。

2.3 結構超限分析

根據《高層建筑混凝土結構技術規程》以及《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》，結構具體超限條款情況為：

1)對于7度設防地區，框架—核心筒結構高度超過130 m，屬于B級高度高層建筑，高度超限。

2)經計算分析結果表明，樓層最大彈性水平位移大于樓層兩端彈性水平位移平均值的1.2倍，小于1.4倍，屬于平面扭轉不規則。

3)底層框架承擔的傾覆彎矩比為48%左右，接近規范限值50%，為強框架弱核心筒結構。

2.4 結構抗震性能目標

按照JGJ 3—2010高層建筑混凝土結構設計規范3.11.1條，該超限高層結構抗震性能目標為C等級，建筑物預期的抗震性能目標具體要求見表1。

表1 建筑物預期抗震性能目標表

2.5 小震作用結構計算

2.5.1 SATWE與MIDAS主要分析結果對比

1)結構自振周期見表2。

表2 結構自振周期表

2)水平荷載作用下的結構響應見表3。

從表2，表3結果可以看出，兩個程序結構質量基本相同，自振周期相差不大，大部分指標基本接近，可以互相驗證，兩個程序計算結果都能滿足規范要求。PKPM內力計算結果略大于MIDAS計算結果，用于結構設計是偏安全的。

2.5.2 SATWE小震彈性時程分析

小震彈性時程分析計算時，根據設計地震分組第二組，場地類別Ⅲ類，共選用7組地震加速度時程曲線。其中5組為實際強震記錄，2組為人工模擬。所選用的地震加速度時程曲線均符合該工程場地地震動的頻譜特性、有效峰值和持續時間等要求。加速度時程曲線在主方向輸入的峰值為35 cm/s2，在次方向輸入的峰值為29.75 cm/s2。

表3 水平荷載作用下的結構響應表

小震彈性時程分析計算結果表明：7條時程曲線所計算的結構底部剪力均分別大于振型分解反應譜法計算結果的65%，7條時程曲線所得結構底部剪力的平均值大于振型分解反應譜法計算結果的80%。從最大樓層剪力曲線圖來看，時程分析平均值較反應譜法小。反應譜法計算的結構響應(層間位移角)結果大于時程分析的平均值。可見采用反應譜法來進行結構抗震設計是偏安全的。

2.6 中震作用結構計算

2.6.1 中震彈性計算

中震彈性驗算在SATWE中的實現：按中震輸入αmax(0.23)，構件抗震等級指定為4級(不考慮地震組合內力調整)。

計算結果表明，框架柱、底部加強區墻體剪壓比滿足規范要求，柱箍筋、墻水平筋較小震結果大。施工圖設計中應按中震彈性復核框架柱、底部加強區墻體水平配筋。

2.6.2 中震不屈服計算

中震不屈服驗算在SATWE中的實現：按中震輸入αmax(0.23)，構件抗震等級指定為4級(不考慮地震組合內力調整)，并選擇按中震不屈服做結構設計。中震不屈服設計不考慮荷載分項系數，材料強度采用標準值，地震組合內力和抗震調整系數均不考慮調整。

計算結果表明，墻、柱縱筋均較小震結果大。施工圖設計時應按中震不屈服復核框架柱、底部加強區墻體豎向配筋。

底部加強區墻體約束邊緣構件配筋率接近4%，為增強墻體延性，將約束邊緣構件部分縱筋按拉力相等的原則替換成型鋼配置在邊緣構件內。

2.7 大震作用結構計算

該工程大震彈塑性時程分析求解器采用ABAQUS/STANDARD和ABAQUS/EXPLICIT，采用基于顯式積分的動力彈塑性分析方法。根據實際情況，大震彈塑性時程分析過程分為三個部分，分別為：施工加載計算、附加恒載+0.5活加載計算、地震波時程計算。地震波由地震工程研究所根據結構特征周期及場地地震動參數提供，時程峰值加速度為220 cm/s2。計算采用了2組天然波，1組人工波。

在3組地震波作用下，該結構的彈塑性計算結果整體如下：

1)整個時間歷程的動力彈塑性計算，每組波均能順利完成，且數值收斂性較好。

2)大震計算結果表明，該結構在地震波計算完成后處于穩定狀態，滿足規范要求的大震不倒的抗震設防目標。

3)結構在X方向基底剪力最大值為56 481.20 kN，對應的剪重比為6.05%；在Y方向基底剪力最大值為69 244.40 kN，對應的剪重比為7.42%。

4)結構在X方向的層間位移角最大值為1/138，發生在第26層；結構在Y方向的層間位移角最大值為1/110，發生在第42層。均滿足鋼筋混凝土框架—核心筒層間位移角不大于1/100的規范要求。

5)結構在X,Y2個主方向柱頂最大位移分別為709 mm，755 mm，分別為結構高度的1/216和1/202。

6)計算結果表明大震下本項目整體響應指標滿足設計要求。

大震地震波作用下結構的基底剪力值見表4。

表4 大震地震波作用下結構的基底剪力值

3 結語

通過對結構小震反應譜分析、小震彈性時程分析，大震彈塑性性能分析，對核心筒底部加強區剪力墻按抗剪中震彈性、抗彎中震不屈服進行性能化設計，對框架柱全高按抗彎中震不屈服、抗剪中震彈性進行性能化設計。該強框架弱核心筒結構能夠滿足“小震不壞，中震可修，大震不倒”的抗震設防目標。

參考文獻：

[1] JGJ 3—2010,高層建筑混凝土結構技術規程[S].

[2] GB 50011—2010,建筑抗震設計規范[S].

Design of super high-rise building structure with strong frame and weak core tube

Liu Qingwei

(ShanghaiZhiyingChemicalTechnologyCo.,Ltd,Shanghai200333,China)

Taking the super high-rise building engineering as an example, starting from aspects of structural computation and performance design, the paper carries out analysis and discussion for the structure with strong frame and weak core tube. Results show that: the super high-rise structure with strong frame and weak core tube can meet seismic preventing demands.

strong frame and weak core tube, super high-rise building, earthquake, shearing force

1009-6825(2017)15-0035-02

2017-03-13

劉慶偉(1976- )，男，工程師，一級注冊結構師

TU318

A