长沙某超高层住宅楼结构分析与设计 - 滑模施工|筒仓滑模|滑模公司

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	长沙某超高层住宅楼结构分析与设计

发布时间：2015.08.27 新闻来源： 浏览次数：

    1 工程概况
     本塔楼为长沙某综合体项目中的子项目R3 住宅楼，建筑效果如图1。塔楼地上56 层，地下4 层，共计60 层，建筑主要屋面高度为193.6m，总建筑面积25 935m2。其地下4 层为车库及设备用房，1~7 层为商业部分，9 层以上为住宅部分，在8层、24 层、39 层设置避难层，其中8 层和39 层兼做机电转换层。
    本楼设计使用年限为50a，结构安全等级为二级，抗震设防烈度6 度，设计基本地震加速度为0.05g，设计地震分组为第一组。规范中对应的多遇地震下αmax=0.04g，但该项目安全性评价报告[1]给出的地震影响系数最大值αmax=0.059g，本塔楼计算时采用安全评价报告值。建筑场地类别为Ⅱ类，特征周期 Tg=0.35s，阻尼比取0.05。该地区重现期50a 的基本风压为0.35kN/m2,因该楼对风荷载较为敏感，承载力设计时按基本风压的1.1 倍采用，即0.385kN/m2。场区地面粗糙度为B 类，风压体型系数取1 . 4。结构抗震设防类别为标准设防类。

     2 结构体系与布置
    2.1 结构体系
    本塔楼属超限高层建筑，结构体系采用钢筋混凝土框架—核心筒结构，楼面为现浇钢筋混凝土梁板。塔楼在地面以上采用防震缝与裙房完全分开，结构设计以地下室顶板作为上部结构的嵌固端，为满足建筑底部商业空间需求，在地上8 层进行局部托柱转换。
    塔楼结构高度为193.6m，超《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3—2010）[2]A 级建筑高度限值150m；建筑物高宽比为 9.3，超过钢筋混凝土高层建筑结构适用的最大高宽比7；内筒高宽比为17.4，大于规范的建议值12。
    2.2 结构布置情况
    本塔楼出裙房后建筑平面呈不规则倒“凸”形，平面尺寸约为35.6m×20.5m，图2 为塔楼典型标准层建筑平面图。根据本塔楼平面布置特征，在建筑物端部两侧设置了钢筋混凝土剪力墙，并在混凝土筒体延Y 向两侧各伸出一段混凝土墙体形成“工”字和“口”字的组合抗侧力构件，如图3 所示。
    钢筋混凝土核心筒的底部加强部位的高度，从地下室顶板算起，取底部2 层和墙体总高度的1/10 二者的较大值：即底部加强部位取底部4 层，高度为22.2m。

     2.3 主要结构构件尺寸
    框架柱、剪力墙，主要的框架柱、剪力墙尺寸如表1 所示。

     楼面梁：裙房各层框架梁截面主要为500mm×650mm或 400mm×650mm，上部住宅部分框架梁截面主要为400mm× 650mm（外围框架）或400mm×550mm，混凝土等级均为C40。楼板：首层楼面作为嵌固层，板厚200mm；避难层楼板厚均为130mm；其余楼层根据板跨不同，厚度分别取为110mm 和130mm。楼板混凝土强度等级均为C40。
    2.4 抗震等级
    本塔楼主要结构构件抗震等级如表2 所示。

    3 结构不规则情况
    根据文献[2]、文献[3]和《超限高层建筑工程抗震设防审查细则》等有关规定，本工程结构不规则情况为：高度大于150m，超限；一般不规则项共1 项（8 层局部托柱转换）。
    4 结构整体及转换柱概念设计
    本塔楼采用框架-核心筒结构体系，由于该建筑的高宽比较大（H/B=9.3>7.0），刚度偏柔，为满足《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）中规定的承载力、稳定、抗倾覆、变形和舒适度等基本要求，应保证本楼有足够的侧向刚度。该塔楼核心筒的高宽比较大（Y 向，17.4），若单纯加大核心筒墙体的厚度以满足结构侧向刚度的要求，必然会造成建筑空间的损失；且本塔楼Y 向框架柱数量较少，也不足以提供较大的抗侧刚度。故在不影响建筑空间的条件下，在Y 向另外增设剪力墙体以提供足够的抗侧刚度。
    框架-核心筒结构体系中的核心筒是结构抗侧力体系的主要部分，是抗震设防的第一道防线；小震作用下，结构的底部剪力主要由筒体承担，但大震作用下，混凝土筒体可能损伤严重，刚度退化，经内力重分布后，框架部分会承担较大的地震作用，从而框架部分应起到二道防线的作用；但对于本建筑而言，框架部分较弱，底层框架部分承担的地震倾覆力矩与结构总地震倾覆力矩的比值不足10%，且除个别楼层框架部分分配的地震剪力标准值大于结构底部总地震剪力的10%外，大部分楼层分配的比值均在5%左右，可见本建筑的框架部分较弱，很难起到二道防线的作用，故应对筒体墙体采用合理的性能目标，并在筒体外设置适量的混凝土墙体与框架共同分担地震作用，以达到结构具有多道防线的设计目标。
    5 多遇地震下计算分析
    本工程分别采用ETABS 和SATWE 两种程序对结构在多遇地震下的结构反应进行了分析计算。提取了两种软件的计算结果如表3 所示。

层间位移角、楼层总剪力、楼层总倾斜弯矩的对比如图4-图7（列举Y方向计算结果）

     通过表3 及图4~ 图7 的对比发现，两种程序计算得到的结构总质量、周期、层间位移角、楼层剪力、楼层倾覆弯矩等结果，在数值上均较接近，沿楼层的变化规律也一致。可以认为，由程序计算得到的分析结果是合理、准确的，计算结果用于结构设计是安全可靠的。
    6 时程分析结果及其与反应谱分析结果的对比
    6.1 地震波反应谱与安全性评价反应谱的对比
    在弹性反应谱分析的基础上，选取了7 条地震波（5 条天然波和2 条人工波，如图8 所示）对结构进行了弹性时程分析，经多条波谱的平均值与安全性评价反应谱的对比，在结构的前 3 阶周期点上，多组时程曲线的平均地震影响系数曲线与安评价报告所采用的地震影响系数曲线相比均小于 20%，满足在统计意义上相符的要求。

     6.2 时程分析结果与反应谱结果的对比
    时程分析与反应谱法得到的结构底部总剪力对比如表 4 所示

     由表 4 对比发现，本工程所选取 5 条天然时程曲线和 2 条人工时程曲线，计算的基底剪力均符合相关规定，即每条时程曲线计算所得结构底部剪力不小于振型分解反应谱法计算结果的 65%，多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不小于振型分解反应谱法计算结果的80%；地震作用按照时程法计算结果的平均值与反应谱法计算结果的较大值进行取值，
    时程分析与反应谱法层间位移角对比如表 5 所示，7 条时程曲线计算的最大层间位移角均满足规范规定的 1/634（内插值）的要求。

    7 中震作用下结构分析
    本节对塔楼关键构件、普通构件和耗能构件均进行了中震弹性和中震不屈服验算。现仅列出底层边柱KZ1 以及25 层和45 层框架梁KL1 的小震和中震作用下的计算结果进行对比，如表6、表7 及表8 所示。

     由此可见，混凝土边柱和外框架梁按中震不屈服计算得到的承载力均满足要求。综合其余构件计算结果对比，可认为符合本工程中震抗剪弹性、抗弯不屈服的性能目标的设定。
    8 罕遇地震（大震）作用下结构分析
    本工程采用ABAQUS 有限元分析软件对结构进行罕遇地震下的动力弹塑性时程分析。通过对结构整体指标和构件性能两个方面的评判来完成对结构在大震作用下的安全评估。本节针对本工程实际地质条件和结构自振周期选取了一组人工波和两组天然波，加速度峰值均为125g。
    8.1 结构整体指标
    经计算分析，结构在各条地震波作用下的最大层间位移角及其出现楼层如表9 所示。由表9 可见，最大层间位移角满足规范1/100 的要求

     8.2 结构构件性能评估
    本工程分别对剪力墙、转换构件、框架柱、楼面梁和楼板进行了性能评估，以保证以上构件在大震下满足性能目标设定的要求，主要结论如下所述
    1）墙体
    (1)受压损伤：墙体受压损伤轻微，基本保持受压弹性
    (2)受拉损伤：墙体受拉损伤主要分布在墙体底部&顶部以及转换层和墙后 / 混凝土强度等级变化的楼层局部，受拉损伤总体较轻，局部墙体受拉损伤达到 0.9 附近，但墙体内竖向分布钢筋基本保持弹性，仅个别单元有轻微拉应变；因此建议在拉力较大的位置宜增大配筋，以保证墙体具有较好的抗拉承载力
    (3)抗剪钢筋：墙体内水平分布筋仅向外墙连梁附近局部出现受拉塑性应变外，其余钢筋均未进入屈服阶段
    2)框架柱
    (1)混凝土受压损伤：框架柱中混凝土未出现受压损伤
    (2)混凝土受拉损伤：框架柱中混凝土受拉损伤较轻，损伤主要分布在转换层及顶层，损伤因子基本不超过 0.5
    (3)钢筋：框架柱中钢筋除顶部局部出现极轻微塑性应变外其余均未进入屈服
    3）转换构件
    (1)混凝土受压损伤：框支梁未出现受压损伤$
    (2)混凝土受拉损伤：框支柱局部出现了混凝土受拉损伤，拉损伤程度较低，最大值不大于 0.4
    (3)钢筋：对于桁架转换部分，桁架下弦梁受拉遍于梁全跨，并在一端出现了塑性铰；框支柱柱顶在与腹杆下端相接位置处出现了较轻的混凝土受拉损伤但柱纵筋保持弹性，未屈服$应对桁架下弦杆的纵向钢筋适当加强，满足大震不屈服的性能目标
    4)楼面梁
    (1)混凝土受压损伤：梁中混凝土在 3 条地震波作用下未出现混凝土压损伤，保持受压弹性
    (2)混凝土受拉损伤：梁中混凝土拉损伤分布较广，损伤因子大部分在 0.5 左右
    （3)钢筋：部分框架梁中钢筋出现轻微塑性应变，主要分布在框架梁端部以及核心筒周边。
    5）楼板
    （1）受压损伤：楼板受压损伤轻微，只有核心筒附近出现局部压损伤，其余楼板基本没有出现受压损伤，不影响结构剪力的传递。
    （2）受拉损伤：楼板受拉损伤范围较广，但楼板内钢筋除核心筒内局部存在塑性应变外，其余钢筋均未进入屈服。
    综上可知：该结构在大震下能够满足既定的抗震性能目标：关键构件（墙柱以及转换梁柱、转换桁架）抗剪、抗弯不屈服，普通构件满足抗剪截面限制条件、抗弯部分屈服，耗能构件满足抗剪截面限制条件，抗剪抗弯大部分屈服，楼板中钢筋基本不屈服。
    9 结论
    本文运用SATWE 和ETABS 两种程序对多遇地震下的结构整体进行了计算分析对比，对比结果表明两个程序计算得到的结构各指标均相差很小，从而保证了力学分析结构的可靠性。
    本工程选取了5 条天然波和2 条人工波，在保证所选取地震波平均地震影响系数曲线与安全性评价报告报告所采用的地震影响系数曲线相比满足在统计意义上相符的要求前提下，对结构进行了弹性时程分析，并与反应谱下的地震作用进行分析对比。
    针对本工程自身的特性，对结构设定了适当的性能目标，并对结构的关键构件、普通构件及耗能构件分别进行中震不屈服和中震弹性复核计算，以保证结构在设防地震作用下性能目标的实现。
    本文采用ABAQUS 有限元分析软件对结构进行罕遇地震下的动力弹塑性时程分析。通过对结构整体指标和构件性能两个方面的评判来完成对结构在大震作用下的安全评估，以保证结构在罕遇地震作用下性能目标的实现。