超高層寫字樓結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計淺析

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1工程概況

金融城6號項目位于重慶市江北嘴中央商務(wù)區(qū)A06號地塊，北面為建設(shè)中的高檔住宅江北嘴壹號院·東苑，南面為建設(shè)中的高檔寫字樓俊豪ICFC金融中心，西面為已建成運營的江北嘴金融城3號項目，東面為已建成運營的IFS國際金融中心。項目緊鄰江北城北大街及軌道六號線和九號線換乘站江北城站，并與軌道1#出口直接相連，地理環(huán)境優(yōu)越且交通便捷。本文介紹其中3#塔樓，為高檔寫字樓，地上共44層，建筑高度200米。

23#塔樓針對性設(shè)計措施

2.1塔樓柱加強(qiáng)措施

①3#塔樓下部1/4高度的樓層，塔樓柱采用型鋼混凝土柱。②外框柱，柱軸壓比按0.80控制，配筋按一級構(gòu)造措施控制。③L1~L2外框柱（通高11.2米），柱軸壓比限制較規(guī)范減小0.1，按0.75控制。體積配箍率不小于1.5%，全高加密，箍筋直徑不小于14?？v筋配筋率不小于1.5%。④3#樓VIP辦公區(qū)局部通高柱（通高9.6米），體積配箍率不小于1.2%，全高加密，箍筋直徑不小于12，縱筋配筋率提高0.1%。⑤屋面大跨處柱，全高加密，體積配箍率不小于1.2%，箍筋直徑不小于12，縱筋配筋率提高0.1%。⑥凈高與柱寬之比小于4的柱，體積配箍率不小于1.2%，并全高加密。

2.2筒體加強(qiáng)措施

①筒體剪力墻軸壓比按0.55控制。②底部加強(qiáng)區(qū)，筒體四角約束邊緣構(gòu)件配筋率按1.45%控制，其余外墻按1.35%控制，內(nèi)墻按1.3%控制，配箍特征值0.24，外墻分布筋按0.4%控制，內(nèi)墻按0.35%控制。③其余區(qū)域，筒體四角均設(shè)置約束邊緣構(gòu)件，其余區(qū)域設(shè)置構(gòu)造邊緣構(gòu)件，筒體四角配筋率按1.4%控制，配箍特征值0.2，其余外墻配筋率按1.2~0.9%控制（樓層往上逐步減?。瑑?nèi)筒配筋率按1.1%~0.8%控制（樓層往上逐步減?。?。外墻分布筋按0.4%控制，內(nèi)墻按0.3%控制。

2.3其他加強(qiáng)措施

①筒體內(nèi)板厚120mm，配筋按雙層雙向拉通配置，最小配筋率為0.25%；②塔樓平面四個角部采用雙向梁系，角部區(qū)域雙層雙向配筋，配筋率不小于0.3%，鋼筋直徑采用8，間距不大于150。

33#樓結(jié)構(gòu)的單、多塔模型對比分析

3.1振周期及振型特性

表1給出YJK軟件分析得到的4#樓結(jié)構(gòu)周期及振型模態(tài)（僅給出多塔模型前6個周期的數(shù)值振型模態(tài)，以及各個單塔模型前6個周期的振型模態(tài)。

3.2樓層的位移和位移角

從計算結(jié)果可以看出，單塔和多塔的計算模型周期及位移結(jié)果吻合較好。3#塔樓裙房以上樓層在單，多塔模型的計算結(jié)果差異較小。

3.3單多塔分析小結(jié)

從計算結(jié)果可以看出，單塔和多塔的計算指標(biāo)結(jié)果（周期、位移等）結(jié)果吻合較好?？梢娝侨狗恳陨蠘菍釉趩?，多塔模型的計算結(jié)果差異較小，可以滿足計算要求的。因此3#塔樓在后續(xù)超限分析中采用單塔模型為代表是可行的。在施工圖設(shè)計中，塔樓裙房以上采用單塔和多塔的計算結(jié)果包絡(luò)值作為配筋依據(jù)，裙房以下采用多塔整體模型進(jìn)行設(shè)計。

43#樓小震彈性振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)構(gòu)的主要控制指標(biāo)

4.13#樓周期和振型

分別計算3#塔樓結(jié)構(gòu)的前27個周期振型，列出塔樓結(jié)構(gòu)的前6個振型的周期值和振型描述：如表2所示，兩個軟件計算的周期振型接近，第一扭轉(zhuǎn)周期Tt與第一平動周期的比值Tt/T1滿足《高規(guī)》（JGJ3-2010）的要求?？梢钥闯龆哂嬎憬Y(jié)果相近，規(guī)律性一致。根據(jù)抗震規(guī)范（GB50011-2010）5.2.5條，剪重比應(yīng)達(dá)到0.64%（X向），0.67%（Y向）。而計算剪重比分別為0.59%（X向），0.62%（Y向）。配筋設(shè)計時，各樓層地震剪力相應(yīng)放大以滿足規(guī)范剪重比要求。4.23#樓水平作用下結(jié)構(gòu)的位移由以上結(jié)果可知，地震作用下，樓層豎向構(gòu)件最大位移（或?qū)娱g位移）與平均值之比，在裙房以上樓層最大1.20。兩個方向最大層間位移角滿足規(guī)范限值（1/1000）。4.33#樓樓層剛度比，抗剪承載力比從計算結(jié)果可知，YJK和Midas計算的樓層側(cè)向剛度的分布規(guī)律一致，各層側(cè)向剛度與相鄰上層側(cè)向剛度的比值均滿足規(guī)范要求?？辜舫休d力比值，均大于0.75，滿足規(guī)范要求。除轉(zhuǎn)換層及屋頂電梯機(jī)房部位外，結(jié)構(gòu)各層抗剪承載力沿高度變化均勻，無明顯薄弱部位。4.43#樓振型分解反應(yīng)譜法計算總結(jié)采用YJK及MIDAS兩軟件進(jìn)行對比計算。兩者小震反應(yīng)譜計算結(jié)果十分接近，規(guī)律相同。各計算結(jié)果數(shù)值上滿足規(guī)范要求。由于層高及墻肢變化的原因，局部樓層剛度及受剪承載力有波動。底部加強(qiáng)部位剪力墻設(shè)為關(guān)鍵部位，設(shè)計將進(jìn)行加強(qiáng)。后續(xù)設(shè)計將以YJK計算結(jié)果為依據(jù)。

53#樓結(jié)構(gòu)小震彈性時程反應(yīng)分析

5.13#樓地震波選取

按《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010）的規(guī)定，時程分析所采用的加速度時程曲線，“其平均地震影響系數(shù)曲線應(yīng)與振型分解反應(yīng)譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計意義上相符”，根據(jù)本工程結(jié)構(gòu)周期，場地類別以及本工程的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，選出5條天然地震波和2條人工地震波。彈性時程分析采用YJK進(jìn)行計算分析。從對比結(jié)果中可以看到，7條地震波平均地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應(yīng)說是譜法所用的地震影響系數(shù)曲線相比，在在前三階振型的周期點上相差不大于20%，統(tǒng)計意義上相符，滿足規(guī)范要求。

5.23#樓結(jié)構(gòu)小震彈性時程分析總結(jié)

在進(jìn)行彈性時程分析的階段中，主要是采取7條地震波開展計算的。待計算環(huán)節(jié)通過相關(guān)的參數(shù)比分析，相關(guān)的平均底部的剪力和振型分解產(chǎn)生的計算結(jié)構(gòu)均達(dá)到的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。時程分析表明：1#樓在X向7條時程波計算的樓層底部剪力平均值能夠在一定的范圍上對計算值反應(yīng)出來，其計算值為89%；在Y向計算的樓層底部剪力平均值分別為反應(yīng)譜的計算值98%。在進(jìn)行施工圖設(shè)計的過程中，考慮到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，針對地震作用的效應(yīng)振型分解反應(yīng)普法以及7條波時程法計結(jié)果，則需要按照包絡(luò)值進(jìn)行設(shè)計。

63#樓大震動力彈塑性時程分析

本報告通過大震作用下的動力彈塑性分析，擬達(dá)到下述目的：①對整體結(jié)構(gòu)的相應(yīng)情況進(jìn)行評價。采取基底等參數(shù)，對其塑性的開展程度進(jìn)行評價；②對計算結(jié)構(gòu)的整體變化情況進(jìn)行分析，對結(jié)構(gòu)中存在的測量變形情況進(jìn)行評價；對結(jié)構(gòu)層的變化情況進(jìn)行全面計算，針對軟弱層與薄弱層進(jìn)行評價（根據(jù)結(jié)構(gòu)層位移的角度進(jìn)行比較）；③對抗側(cè)構(gòu)建的損傷分布進(jìn)行評價（包含了框架梁柱、剪力墻損傷信息與發(fā)展程度的信息），對抗側(cè)力在遇到作用時其性能水準(zhǔn)是否達(dá)到要求。分析軟件：選用YJK軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性動力時程分析。基于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)額單元參數(shù)需要按照彈性計算的結(jié)構(gòu)與相關(guān)的規(guī)范要求進(jìn)行鋼筋配置。模型簡化：因彈塑性動力時程分析時間長，計算工作量大，對計算模型做了適當(dāng)?shù)暮喕幚恚簞h除了裙房部分。3#樓地震波的選擇：《高規(guī)》第5.5.1條第6款規(guī)定：進(jìn)行動力彈塑性計算時，地面運動的加速度時程的選取、預(yù)估罕遇地震作用時的峰值加速度取值以及計算結(jié)果的選用應(yīng)符合該規(guī)程4.3.5條的規(guī)定。第4.3.5條主要要求有：①選擇3組或是選擇7組地震波進(jìn)行。②針對地震波產(chǎn)生的“有效持續(xù)時間”不能夠小于于周期的5倍，且時間不能超過15秒。③分析可知，相關(guān)多組地震時曲線的平均地爭影響曲線值與采取的統(tǒng)計方法相同。相關(guān)條文中對統(tǒng)計意義的解析方向為：相對于結(jié)構(gòu)主要的振周期位置點相差值≤20%按照上述選擇出來的資料進(jìn)行分析，各個組波的彈性參數(shù)值均存在一定的特征值。相關(guān)剪力參數(shù)見表4中分析。

73#樓罕遇地震彈塑性時程分析主要計算結(jié)果

大震彈塑性時程與彈性時程計算基底剪力對比如表5。以人工波為例，對比基底剪力的彈性與彈塑性時程曲線，如圖1、圖2所示。以人工波為例，對比頂點位移的彈性與彈塑性時程曲線，如圖3、圖4所示。計算結(jié)果顯示，罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)周期有一定程度的增長，結(jié)構(gòu)剛度出現(xiàn)部分退化。結(jié)構(gòu)底部彈塑性地震剪力較彈性地震剪力有一定減少，說明罕遇地震作用下因為上部塔樓部分構(gòu)件的屈服，發(fā)生塑性變形，有效的耗散了地震能量，結(jié)構(gòu)彈塑性剪力出現(xiàn)滯后現(xiàn)象。隨著地震的作用，兩主方向下結(jié)構(gòu)彈塑性位移時程比彈性時程從基本重合到有明顯的滯后，表明結(jié)構(gòu)的損傷逐漸發(fā)展導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變?nèi)幔芷谘娱L的現(xiàn)象。X向地震作用時的樓層最大層間位移角為1/201（29層），Y向地震作用時的樓層最大層間位移角為1/221（29層），滿足規(guī)范大震下彈塑性位移角不大于1/133的限值，而且也滿足水準(zhǔn)4性能目標(biāo)1/163的限值。夠形成較好的耗能機(jī)制。綜合結(jié)構(gòu)層位移及層間位移角指標(biāo)，驗證了在大震下，結(jié)構(gòu)整體塑性發(fā)展程度有限，無明顯薄弱層，結(jié)構(gòu)體系中的各構(gòu)件均能達(dá)到性能目標(biāo)的要求。人工波1的總內(nèi)能、框架柱內(nèi)能、框架梁內(nèi)能及墻柱內(nèi)能曲線如下圖，從圖中可以看出，梁從開始到最后所占耗能比例最高，其次是墻柱、框架柱。說明結(jié)構(gòu)在地震作用下，主要是連梁耗能，耗能受力機(jī)制合理，滿足抗震設(shè)計原則要求。

8價值結(jié)果

本項目1~7#為超高層結(jié)構(gòu)，采用了框筒結(jié)構(gòu)體系。并針對結(jié)構(gòu)特點采取了一系列抗震計算及抗震構(gòu)造加強(qiáng)措施，同時采用兩個有效的程序進(jìn)行計算，其計算結(jié)果可信且滿足規(guī)范要求。利用動力彈塑性時程分析驗證了結(jié)構(gòu)在地震作用下有良好的抗震性能，達(dá)到了預(yù)期的抗震性能目標(biāo)。

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作者:矯良健 單位:重慶市設(shè)計院有限公司