超限異形高層辦公樓結構設計分析

徐衛敏

(浙江建設職業技術學院,浙江 杭州 311231)

超限異形高層辦公樓結構設計分析

徐衛敏

(浙江建設職業技術學院,浙江 杭州 311231)

針對結構的超限情況,介紹了某異形超限辦公樓的結構設計,采用ETABS、Midas/gen等有限元軟件對結構進行分析比較,并選取合理的抗震設計性能化目標,采取合理的抗震措施。通過分析工程的結構設計情況,對這類建筑的結構設計進行探討。

超限高層結構；彈性動力時程分析；抗震措施；位移比

1 工程概況

項目地塊位于寧波市某新區,上部建筑立面呈靴子形,各層平面從下往上呈扭轉狀逐層收進,底部收進劇烈。上部結構總高度173 m,層數43層,為辦公建筑及配套用房,最大層(底層)平面尺寸約140 m×68 m,典型樓層平面(12層)尺寸70 m×35 m；地下為滿鋪兩層車庫及設備用房,戰時部分考慮六級人防二類人員隱蔽所、人防物資庫,底板面埋深約為10.5 m,平面尺寸約170 m×135 m。建筑效果見圖1。

2 主體結構體系與結構設計

結構采用鋼管混凝土柱-鋼梁-鋼筋(鋼骨)混凝土核心筒體系,裙房遠離核心筒部分設置部分混凝土剪力墻和鋼支撐；地下室為鋼筋混凝土框架結構體系。鋼外框架梁、柱的連接采用剛接,外框架與混凝土核心筒的連接采用鉸接。典型層結構平面布置圖見圖2。

圖1 建筑效果圖

圖2 典型層結構平面布置圖

受建筑形體控制,主樓大部分柱在12層以上均設計為斜柱,在3層、6層及10層共布置3根二分叉柱和1根三分叉柱, 在9～11層布置一榀轉換桁架。分叉柱分叉角度較小,在分叉節點的樓層采用整層高度的鑄鋼件節點。為保證斜柱轉折引起的水平力在平面內的有效傳遞,設計采用平面剛度更佳的鋼筋桁架樓承板體系取代普通的壓型鋼板樓面,在水平力特別大的樓層將板厚增加到200 mm,并加大鋼筋桁架樓層板的底模鋼板厚度。設計考慮全樓不設變形縫。

根據《建筑抗震設計規范(GB 50011—2010)》附錄G.2關于鋼框架-混凝土核心筒結構的有關規定,6度區該類型適用的最大高度為185 m,本工程的最大結構高度為173.1 m,可按《建筑抗震設計規范(GB 50011—2010)》進行結構設計。本建筑物抗震設防類別為乙類,抗震措施按7度考慮,抗震等級確定如下：

1)主樓(12層平面對應的區域)(含主樓投影區域地下室)的鋼結構抗震等級為三級,筒體抗震等級為一級。

2)裙房：鋼結構抗震等級四級,混凝土墻抗震等級二級；

3)地下室(除主樓投影區域地下室外)：框架抗震等級三級；混凝土墻三級。

3 結構超限情況、性能目標及主要抗震措施

3.1 結構超限情況

建筑物結構高度在規范適用的高度范圍內,樓層總體平面形狀規則,無明顯的凹凸,無錯層和樓板不連續問題,豎向結構剛度變化較均勻,無突變的平面大尺度收進和外挑,除個別構件外無間斷、不連續現象,相鄰層樓層承載力變化不大于80%,但存在如下超限情況：

1) 底部25%高度范圍內樓層考慮偶然偏心地震作用下的扭轉位移比大于1.4,較多樓層扭轉位移比大于1.2,屬扭轉不規則；

2) 存在較多的斜柱,個別柱的轉換,頂部局部的穿層柱,屬其他不規則；

3) 結構整體上存在逐層的收進和外挑問題。

3.2 主要性能目標

考慮到本建筑物抗震設防類別為重點設防類且屬超限高層建筑,結合工程結構特點,擬定整體結構抗震設計性能化目標為性能3,即結構在多遇地震作用下保持完好,在設防烈度地震作用下輕微損壞但經簡單修理后可繼續使用,在罕遇地震作用下破壞但經加固后可繼續使用。在滿足上述承載能力、變形要求的情況下,適當放寬建筑適用高度、扭轉位移比等不規則性的限制。根據上述目標,擬定如下具體要求：

1) 6度多遇地震作用下,各樓層的最大層間位移角不大于1/1 400(1/2倍彈性位移限值),結構構件處于彈性階段,構件按常規方法進行設計,核心筒中的主要墻肢混凝土壓應力不大于抗壓強度的0.4倍；

2) 6度設防烈度地震作用下,各樓層的最大層間位移角不大于1/350(2倍彈性位移限值),結構梁等水平構件允許輕微損壞,承載力按標準值進行復核,主要框架柱、核心筒、支撐及關鍵節點基本完好,構件承載力按不計抗震等級調整地震效應的設計值復核；

3) 6度罕遇地震作用下,各樓層的最大層間位移角不大于1/175(4倍彈性位移限值),結構梁等水平構件允許中等破壞,承載力達到極限值后能維持穩定,降低小于5%,主要框架柱、核心筒、支撐及關鍵節點允許輕微損壞,構件承載力按標準值進行復核；

4) 按擬定的抗震性能化設計目標進行結構設計,適當放寬對結構在地震作用(考慮偶然偏心)下扭轉位移比的限制到底部25%高度范圍內(10層以下)不大于1.55,其余樓層不大于1.4。

3.3 主要抗震措施

本工程采取如下抗震措施：

1) 對結構進行彈性時程分析,取時程分析各條波的包絡值及震形反應譜方法的較大值進行多遇地震下的結構構件設計；

2)對結構進行‘大震’下彈塑性變形分析,重點加強較早出現塑性鉸的柱、墻；

3) 控制主樓鋼管混凝土柱的應力比不大于0.8,對框架部分的地震作用按《建筑抗震設計規范(GB 50011—2010)》附錄G的要求進行放大；

4) 放大核心筒墻體的地震作用，且使其能承擔全部地震作用；筒體主要墻肢的軸壓比控制在0.40以內,并設置鋼骨框架,以提高筒體的抗震性能；

5) 加強墻體配筋構造,墻分布鋼筋的配筋率底部不小于0.40%,一般部位不小于0.35%，同時加強暗柱的配筋,主要邊緣構件縱向鋼筋配筋率不小于1.2%(底部加強區)和1.0%(非底部加強區),對設置鋼骨的邊緣構件配筋率適當降低。

4 計算分析模型及計算假定

4.1 計算分析軟件

本設計主要采用如下軟件進行結構分析：

北京邁達斯技術有限公司編制的Midas/gen V7.8,作為本設計主要的結構分析軟件,進行結構整體分析、結構風荷載效應分析、結構地震反應譜分析、彈性時程分析；

北京金土木軟件技術有限公司編制的ETBSA V9.2,作為本設計的主體結構計算復核程序,進行結構整體分析、結構風荷載效應分析、結構地震反應譜分析；

中國建筑科學研究院PKPM系列軟件(2008.10版)進行基礎分析校核。

4.2 主要計算假定

本工程上部結構以地下室頂板作為計算嵌固端,總體性能控制計算時未考慮嵌固端以下部分的影響；計算整體性能控制計算時按樓層采用剛性隔板假定,內力分析中按板的實際剛度考慮,部分構件的承載力計算中不考慮樓板的剛度。

地震作用考慮偶然偏心影響時采用等效樓板尺寸；計算時考慮平動與扭轉耦聯的作用,雙向地震作用及偶然偏心的影響。

5 結構計算結果與分析

5.1 主要計算結果

1) 結構動力特征。

結構動力特征見表1。

表1 結構動力特征

2) 層間位移角及扭轉位移比見表2。

表2 層間位移角及扭轉位移比

3) 結構整體穩定性、抗傾覆穩定性驗算見表3。

表3 結構整體穩定性、抗傾覆穩定性驗算

5.2 計算說明與分析

根據上述結果發現,Midas/gen在計算結構偶然偏心影響時通過對各樓層施加層最大地震剪力乘以偏心距計算的扭矩并作為單獨工況考慮,設計認為其計算方法與地震作用的振動特征不夠符合。經向軟件編制單位咨詢,在很多工程中均存在計算的最大扭轉位移比與其他軟件偏差較大的問題。設計采用該公司針對建筑結構編制的Midas/building進行補充分析,計算位移比的結構可基本滿足規范限值。

考慮地震作用偶然偏心的影響時,樓層的平面尺寸采用了等效樓板尺寸。

Etabs在統計過程中將所有斜柱歸類為支撐,統計的最大扭轉位移比偏小,圖表中采用人工方法統計,取該層樓面除躍層節點外所有節點最大值與最大節點和最小節點的平均值的比值。

層間位移角各軟件的結果基本接近,最大樓層位移也接近,但扭轉位移比的結果相差較大,主要是因為不同軟件的偏心作用加載方式、剪力墻的單元類型、平均位移的統計方法上都存在一定的差異,設計中擬按最不利的結果采取控制措施。Midas/gen在X向地震作用下10層以下位移比大于1.4,其中4～6層的位移比大于1.5,最大樓層為1.53,根據GB 50011-2010第3.4.4條,參考《高層建筑鋼-混凝土混合結構設計規程(CECS 230∶2008)》第5.2.4條《高層建筑混凝土結構技術規程征求意見稿》及《廣東省實施《高層建筑混凝土結構技術規程(JGJ 3—2002)》補充規定》等相關規定,最大層間位移遠小于規范限值時,層位移比的控制可適當放松。

本工程風作用計算采用了100年一遇的計算風壓,本節中計算均采用規范算法,其計算結果均能滿足規范對結構層間位移角要求,不再單獨計算50年一遇風作用下的結構位移。

根據剛重比的計算結果得知,雙向剛重比均大于1.40,結構整體穩定性驗算滿足要求；雙向剛重比小于2.70,結構整體計算需考慮重力二階效應的影響。

5.3 彈性動力時程分析的結果及分析

在本設計階段,采用Midas/gen對結構在頻遇地震下進行線彈性時程分析。

1) 地震波的選擇 根據《場地地震安全性評價報告》結果在頻遇地震下場地特征周期Tg=0.35 s,地震波峰值加速度am=0.053 g。時程分析中選用了場地特征周期與其接近(Ⅱ類)的兩條實際強震記錄和一條由《場地地震安全性評價報告》單位提供的人工模擬加速度曲線進行分析,地震波的主要參數見表4。

2) 地震波的評價 見表5。

3) 計算結果分析 計算結果表明,每條時程曲線計算所得結果底部剪力不小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結構底部剪力的平均值不小于振型分解反應譜法計算結果的80%,滿足規范要求。X向、Y向各條時程地震波及反應譜方法層剪力結果對比情況見圖3、圖4,可以看出,彈性時程分析的計算結果與反應譜法計算結果基本吻合。

表4 地震波主要參數

表5 地震波的評價

圖3 X向各條時程地震波及反應譜方法層剪力結果對比

圖4 Y向各條時程地震波及反應譜方法層剪力結果對比

6 結 語

通過上述分析可以得出以下結論。

1)結構整體抗側移剛度滿足要求,多遇地震作用下的層間位移角基本控制在規范限值的1/2左右,結構自振振型純粹,Tt/T1小于0.6,整體扭轉性能良好。受結構單元長度較大和附加偏心距較大及建筑物本身的扭轉影響,結構的扭轉位移比超出規范要求,屬扭轉不規則結構。其余整體指標均可滿足規范要求。

2)采用Midas/Gen與Etabs計算的結果在總體性能上接近,大多數構件計算內力基本相當,分析結果是可信的。

3)由于豎向體型變化以及裙房主樓偏置原因造成扭轉比規則比較明顯，屬扭轉不規則結構,經調整不考慮偶然偏心地震作用下扭轉規則性能較好；但在考慮偶然偏心地震作用下25%總高的裙房部分層位移比難以控制在1.4以內,根據《建筑抗震設計規范(GB 50011—2010)》第3.4.4條，參考《高層建筑鋼-混凝土混合結構設計規程(CECS 230∶2008)》第5.2.4條與《高層建筑混凝土結構技術規程征求意見稿》及《廣東省實施《高層建筑混凝土結構技術規程(JGJ 3—2002)》補充規定》等相關規定,最大層間位移遠小于規范限值時可通過提高抗扭性能,采用性能化設計等方法保證結構的抗震性能。

4)部分樓層按剛度計算分配的最大樓層地震剪力小于結構地震總剪力的10%,設計中放大核心筒墻體的地震作用,使其能承擔全部地震作用；墻體抗震等級為一級,抗震等級上不再提高,采取設置鋼骨框架及控制軸壓比等措施來提高筒體的抗震性能。對框架部分的地震作用按《建筑抗震設計規范 (GB 50011—2010)》附錄G的要求進行放大。

根據上述方式對結構進行計算并采取技術措施,順利通過超限審查。

Analysis on the Structural Design for an Overrun Special- Shapped High- Rise Office Building

XUWeimin

2017- 03- 24

徐衛敏(1982—),女，浙江臺州人，講師，從事建筑結構教學工作。

TU973+.17

B

1008- 3707(2017)04- 0005- 06