張雪峰 吳申申* 袁興方
(華東建筑設計研究總院,上海 200002)
摘 要：昆山研祥國際金融中心超高層建筑高度為257 m,采用帶加強層的鋼框架-鋼筋混凝土核心筒混合結構體系。針對結構超限情況,提出性能設計目標,應用SATWE,ETABS兩種軟件對結構進行小震彈性反應譜分析以及中震作用下關鍵構件的驗算,同時采用ABAQUS對結構進行罕遇地震下的動力彈塑性分析,從而保證了計算結果的可靠性。
關鍵詞：超限高層結構, 混合結構, 抗震性能設計
昆山研祥國際金融中心位于江蘇省昆山市花橋商務區的中軸線位置。建筑總面積約15.88萬m2,其中,地上建筑面積約12.73萬m2,地下建筑面積約3.15萬m2。主塔樓為辦公用房,共55層,大屋面標高為241.7 m。
結構設計使用年限為50年。抗震設防類別為重點設防類(乙類建筑),抗震設防烈度為7度,設計地震分組為第一組,按規范的設計基本地震加速度0.10 g,場地特征周期Tg=0.55 s。 根據安評報告[1]給出的地震參數,地震影響系數最大值ɑmax取0.103。主樓基本風壓取50年一遇w0=0.45 kN/ m2進行承載力計算,地面粗糙度為B類。建筑場地屬Ⅲ類建筑場地。
本工程屬超限高層結構,結構體系采用帶加強層的鋼框架-鋼筋混凝土核心筒混合結構體系。主塔樓的抗側力結構體系用以抵抗地震和風力荷載,主要抗側力系統由內部的鋼筋混凝土核心筒和外圍鋼管混凝土柱與鋼梁組成的框架構成。核心筒系統位于主樓的中心,包括電梯、電梯廳、疏散樓梯的墻。核心筒的外墻是閉合式的,從而提供建筑大部分的扭轉剛度。
主樓的第二道抗側力體系是位于建筑外圍的框架。采用鋼管混凝土柱,它較鋼筋混凝土和鋼骨混凝土(型鋼混凝土)柱具有更優良的抗壓性能和抗震性能。
圖1 建筑效果圖
Fig.1 Architecture rendering
主框架梁采用焊接H型鋼,四周外環鋼框架梁與外框架柱剛接,外框架柱與核心筒間的鋼框架梁與外框架柱剛接,與混凝土筒體鉸接。為減少結構在水平荷載載下的位移,利用設備層(第16層、32層、48層)周邊各布置一道一層高的閉合鋼環帶桁架[2],環帶桁架上下弦桿采用焊接H型鋼,腹桿采用焊接箱型鋼。典型樓層平面結構布置圖如圖2所示。
為滿足建筑立面的需要,主塔樓在5～7層,21～26層,46～48層的南北側外框柱采用斜柱形式;二層,四層核心筒附近樓板大開洞,部分外框柱為穿層柱。結構立面模型以及抗側力體系組成見圖3所示,鋼筋混凝土核心筒外墻墻厚1 100～450 mm,見表1;外框架柱截面φ1 900×35～φ1 100×16,見表2。根據《建筑抗震設計規范》[3],結構抗震等級見表3。
圖2 典型樓層平面結構布置圖(單位:mm)
Fig.2 Typical floor plan (Unit:mm)
表1 核心筒外墻墻厚及材料
Table 1 Thickness and material of core walls
樓層核心筒外墻厚/mmX向Y向混凝土強度等級地下4層～地上4層10001100C605～8層850950C609～14層850850C6015～17層800800C6018～27層700700C6028～34層600600C6035～38層600600C5039～49層500500C5050層以上450450C40
表2 外框架柱截面及材料
Table 2 Section and material of farme columns
樓層鋼管截面Q345(直徑×壁厚)X向Y向砼強度等級地下4層～地上4層Ф1900×35Ф1900×35C605～9層Ф1800×30Ф1700×30C6010～19層Ф1700×30Ф1600×25C6020～27層Ф1600×25Ф1500×20C6028～33層Ф1500×20Ф1400×20C6034～41層Ф1400×20Ф1300×20C5042～49層Ф1300×20Ф1300×20C5050～53層Ф1200×16Ф1200×16C4054層以上Ф1100×16Ф1100×16C40
表3 抗震等級
Table 3 Seismic levels
核心筒抗震等級一般區域特一級底部加強區特一級環帶加強區特一級地下二層一級地下三層二級框架抗震等級斜柱層及上下各一層,環帶加強層及上下各一層特一級地上及地下一層一級地下二層及以下二級
根據《建筑抗震設計規范》[3]和《高層建筑混凝土結構技術規范》[4],本工程共有5項超限,見表4。
針對本工程結構的特點和超限情況,本工程總體按性能目標D要求設計,其中斜柱層及其相鄰層框架、加強層(環帶桁架)等關鍵構件的承載力驗算提高到性能C對應的抗震性能水準要求,具體構件的性能目標見表5。
圖3 結構立面模型以及抗側力體系組成
Fig.3 The elevation model and lateral resisting system
表4 結構不規則情況
Table 4 Structural irregularity
超限項含義本工程情況超限判斷偏心布置偏心距大于0.15或相鄰層質心相差較大2～4層偏心率>0.15是樓板不連續有效寬度小于50%,開洞面積大于30%,錯層大于梁高2層、4層樓板不連續是構件間斷上下墻、柱、支撐不連續,含加強層16層、32層和48層設置三道加強層是承載力突變相鄰層受剪承載力變化大于80%2～4層承載力變化大于80%是其它不規則如局部穿層柱、斜柱、夾層、個別構件錯層或轉換2～4層有穿層柱、三個區域有斜柱是
5.1 小震作用下結構分析
本工程分別采用SATWE和ETABS兩種軟件對小震作用下的結構反應進行了分析計算,整體結構計算結果見表6。
表5 抗震設防性能目標
Table 5 Seismic performance objectives
地震水準中震大震關鍵部位構件核心筒墻底部加強區、加強層區域和斜柱對應區段彈性滿足抗剪截面控制條件;底部加強區、加強層可形成塑性鉸,破壞程度輕微,即θ<><><><><>
表6 小震整體計算結果對比
Table 6 Comparison of the results under frequent earthquake
SATWEETABS結構自振周期/sT15.955.94T25.835.70T34.103.91振型質量參與系數X向97.31%96%Y向97.30%97%底部剪力/kNX向2811727190Y向2756228490底部傾覆力矩/kNX向33235733514000Y向33618983590000最大層間位移角X向1/7051/706Y向1/6711/695剪重比X向1.60%1.65%Y向1.68%1.63%總質量/t170775172900
5.2 小震彈性時程分析
選取兩條人工波和五條天然波進行多遇地震下的彈性時程分析,每條波持續時間均大于5倍結構基本周期,按雙向地震波輸入。
圖4 小震作用下樓層剪力曲線
Fig.4 Story shear under frequent earthquake
圖5 小震作用下樓層層間位移角曲線
Fig.5 Drift under frequent earthquake
圖4表明上述7組時程曲線主方向作用下的基底剪力基本處于69%～101%之間,且平均值為反應譜的80%以上,滿足規范要求;7條時程波剪力的平均值均小于反應譜剪力值。而圖5表明7條波最大層間位移角均小于規范限值的1/525。因此采用反應譜計算小震地震作用是安全的。
5.3 中震作用下結構分析
5.3.1 中震不屈服下底部加強區墻肢受拉驗算
為滿足結構預定的性能目標,須控制在中震不屈服工況下底部加強區剪力墻拉應力不大于2ftk,滿足要求,見表7。
圖6 底部加強區剪力墻布置圖
Fig.6 The plan of reinforcing area in the bottom of shear wall
表7 底部加強區墻肢受拉驗算
Table 7 Tensile checking calculation of reinforcing area in the bottom of shear wall
墻肢編號WX-1WX-2WX-3WX-4墻肢厚度1050106010441042墻肢長度4800600054005600拉力N/kN1574349312152719560拉應力τ3.120.773.813.352ftk(C60)5.705.705.705.70驗算結果滿足滿足滿足滿足墻肢編號WY-1WY-2WY-3WY-4墻肢厚度1170115711781170墻肢長度3400420031003400拉力N/kN20143143701789320855拉應力τ5.062.954.905.242ftk(C60)5.705.705.705.70驗算結果滿足滿足滿足滿足
5.3.2 中震彈性下底部加強區墻肢壓彎承載力驗算
根據剪力墻的抗震性能目標,選取各典型墻肢的壓彎承載力驗算,其中,WX-1及WY-1的驗算結果如下,見圖7和圖8。
5.4 大震作用下結構分析
本工程采用ABAQUS進行結構在大震作用下的動力彈塑性時程分析。此次分析選取了罕遇地震下的二組天然波和一組人工波。按《抗規》規定,在所采用的這些地震記錄中,兩個分量峰值加速度的比值符合以下比值要求:當X向為主方向時,X∶Y=1.0∶0.85,Y向為主方向時,X∶Y=0.85∶1.0。對每一組地面加速度時程,兩個分量用一個修正系數進行放大,以達到所需的地面水平加速度峰值220 gal,在此基礎上,再乘以方向系數(X∶Y=1.0∶0.85)使兩個方向的分量峰值加速度的比值符合要求。經計算分析,結構在各條罕遇地震波下的最大層間位移角滿足抗規1/100限制的要求,計算結果如表8所示。
圖7 WX-1中震作用下PMM曲線
Fig.7 PMM curve of WX-1 under precautionary earthquake
圖8 WY-1中震作用下PMM曲線
Fig.8 PMM curve of WY-1 under precautionary earthquake
表8 每組地震波對應的結構層間位移角最大值
Table 8 Maximum drift for each wave
主方向地震波組位移角層號XL0223/L02241/24534L0397/L03981/19034L760-1/L760-21/16246最大值1/16246YL0223/L02241/21422L0397/L03981/16241L760-1/L760-21/14122最大值1/14122
6.1 底部核心筒分析
因建筑功能要求,建筑一夾層樓板缺失較為嚴重,核心筒與外周框架柱不能拉接,二層外框架僅角部與核心筒拉結,三層外周框架柱與核心筒無拉結,造成底部三層水平力不能在核心筒與外框柱之間有效地分配、傳遞,結構平面圖見圖9-圖11。為了能夠安全地反映核心筒的受力情況,我們將建筑一夾層并入一層計算(合并后層高為9.4 m),同時另外考慮兩種不利工況:取消二層外框與核心筒拉結(不利模型一)、取消二層外框與核心筒拉結并取消裙樓(不利模型二),計算模型如圖12-圖14所示。
圖9 一夾層結構平面圖(單位:mm)
Fig.9 Plan of interlayer 1 (Unit:mm)
圖10 二層結構平面圖(單位:mm)
Fig.10 Plan of second floor (Unit:mm)
按照三種計算模型得到小震作用下樓層抗側剛度比(圖15、圖16),底部抗剪承載力比較(圖17、圖18)。
從圖15、圖16可以得到:基本模型和不利模型一樓層抗側剛度基本接近(圖表上重疊),三種模型樓層剛度比都滿足規范要求,因此不存在軟弱層。
圖11 三層結構平面圖(單位:mm)
Fig.11 Plan of third floor (Unit:mm)
圖12 基本模型
Fig.12 basic model
圖13 不利模型一
Fig.13 Unfavorable model 1
從圖17、圖18可以得到:底部二層、四層分別存在樓層抗剪承載力之比小于0.8的情況,其中不利模型二最嚴重,X方向、Y方向抗剪承載力之比分別為0.69和0.63,因此在設計中將底部四層強制指定為薄弱層,地震剪力放大系數取1.25。
圖14 不利模型二
Fig.14 Unfavorable model 2
圖15 三種模型X方向小震作用下樓層抗側剛度比
Fig.15 Lateral stiffness in X direction under frequent earthquake for three kinds of models
6.2 斜柱分析
斜柱層連接斜柱與核心筒的框架梁承擔較大的斜柱的水平分力(拉力及壓力),同時剪力墻及框柱承擔了斜柱產生的水平分量(剪力)。為此,我們采取了如下幾點措施:
圖16 三種模型Y方向小震作用下樓層抗側剛度比
Fig.16 Lateral stiffness in Y direction under frequent earthquake for three kinds of models
圖17 三種模型X方向底部抗剪承載力比較
Fig.17 Bearing capacity of base shear in Xdirection for three kinds of models
圖18 三種模型Y方向底部抗剪承載力比較
Fig.18 Bearing capacity of base shear in Ydirection for three kinds of models
(1) 斜柱層布置水平鋼斜梁,增強抗側剛度。
(2) 核心筒內預埋型鋼,包含豎向的鋼柱和橫向的鋼梁,保證傳力的直接性。
(3) 斜柱層布置180 mm厚的鋼筋桁架組合樓蓋,有效地傳遞水平力。
6.3 樓板應力
采用ETABS結構計算軟件對二層樓面進行樓板應力分析,結果如圖19、圖20所示。得到核心筒外樓板主拉應力最大值約為1.75 (恒載)+0.23 (活載)=1.98 MPa,小于混凝土拉應力標準值2.39 MPa;在中震下樓板剪應力最大值約為0.98 MPa,小于受剪截面要求5.36 MPa (0.2βcfck)。
圖19 二層樓板主拉應力(恒載)
Fig.19 Tensile stress distribution in the slab of level 2 (dead load)
圖20 二層樓板剪應力(中震)
Fig.20 Shear stress in the slab of level 2 (moderate earthquake)
從上述分析看出:在正常使用階段樓板主拉應力最大值約為1.98 MPa,基本處于彈性狀態;在中震工況下的與核心筒相連部位的樓板剪應力也比較小,最大約為0.98 MPa,處于彈性狀態。
6.4 樓板加強措施
二層外框架僅角部與核心筒拉結,導致角部連接非常薄弱,因此需加強樓板來保證核心筒與外框梁連接的可靠性,結構布置圖如圖21所示。
圖21 二層結構平面圖(僅選取主塔樓部分)
Fig.21 Level 2 plan (only the tower)
二層裙房平面樓板厚度為150 mm,與核心筒角部連接的局部樓板厚度為梁高+100 mm,即900 mm。
本工程針對超限情況采用基于性能的抗震設計方法,通過小震彈性反應譜分析、中震關鍵構件驗算以及大震下的彈塑性動力時程分析等結構計算,證明結構整體和構件的抗震性能能夠滿足抗震性能目標。本工程中斜柱部分的計算分析較復雜,并且內容較多,因此不在此文贅述,將在另一篇文章中詳細闡述。
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ZHANG Xuefeng WU Shenshen* YUAN Xingfang
(East China Architectural Design & Research Institute,Shanghai 200002,China)
Abstract：Kunshan Yanxiang International Financial Center,a super high-rise building with the height of 257 meters,applies with a hybrid structural system which consists of steel frame and concrete core.According to the transfinite situation of the structure,we raised several goals of performance-base design.To ensure the reliability of the structure,we conducted the elastic response spectrum analysis under frequent earthquake and checked the core members when suffering precautionary earthquake by SATWE and ETABS.Nonlinear dynamic analysis under rare earthquake is also done by using ABAQUS.
Keywords：out-of-code high-rise structure, hybrid, performance-based seismic design
收稿日期： 2015-09-01
*聯系作者， Email:wushenshenjimmy@126.com
