超高層框架核心筒結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)研究

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摘要：框架核心筒結(jié)構(gòu)以其優(yōu)異的內(nèi)部空間靈活度、超高的整體穩(wěn)定性、出色的抗震和力學(xué)性能成為高層建筑最優(yōu)先選擇的結(jié)構(gòu)形式。文章結(jié)合具體工程實(shí)例對(duì)超高層框架核心筒結(jié)構(gòu)在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)過程，計(jì)算控制參數(shù)等進(jìn)行說明。為工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考，為類似結(jié)構(gòu)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：多遇地震的彈性動(dòng)力時(shí)程分析；中震不屈服驗(yàn)算；中震彈性計(jì)算

1工程概況

地上結(jié)構(gòu)40層，房屋高度為144.8米；結(jié)構(gòu)型式為混凝土結(jié)構(gòu)框架—核心筒體結(jié)構(gòu)。外框架柱-2層～22層采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)，梁采用鋼筋混凝土梁。樓層和屋面層采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓面?？拐鸬燃?jí)：核心筒剪力墻一級(jí)，混凝土框架一級(jí)；中震時(shí)出現(xiàn)小偏心受拉的混凝土特一級(jí)構(gòu)造。外框架平面軸線尺寸為37.1m×34.6m，長(zhǎng)寬比值為1.07?；炷梁诵耐餐鈮χ行木€尺寸為14.275m×13.8m。房屋高度為144.8m，結(jié)構(gòu)高寬比值為4.2，核心筒高寬比值為10.5。一層層高為5.4m，二層層高為5.0m，公寓層層高均為3.25m，辦公層層高度為3.9m。

2計(jì)算及分析

該項(xiàng)目分別采用SATWE、ETABS程序進(jìn)行三圍空間整體的內(nèi)力位移計(jì)算，并采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院建筑工程軟件研究所研發(fā)的SATWE程序的彈性時(shí)程分析法進(jìn)行多遇地震下的補(bǔ)充計(jì)算，采用PUSHOVER程序的靜力彈塑性分析方法進(jìn)行罕遇地震下的結(jié)構(gòu)彈塑性計(jì)算。對(duì)樓面開大洞的樓層采用彈性樓板計(jì)算。

2.1采用SATWE進(jìn)行小震與風(fēng)作用的彈性計(jì)算

計(jì)算結(jié)果如下：地震總質(zhì)量恒載的總質(zhì)量84181.297t；50%活載的總質(zhì)量5472.247t；地震總質(zhì)量89653.547t。有效質(zhì)量系數(shù)X方向98.45%；Y方向97.25%結(jié)構(gòu)周期第一平動(dòng)周期3.9743s，第一扭轉(zhuǎn)周期2.7928s，第一扭轉(zhuǎn)周期與第一平動(dòng)周期比0.703。風(fēng)荷載作用下最大層間位移：X方向風(fēng)1/1238，Y方向風(fēng)1/1214。最大層間位移與平均值之比：X向?yàn)?.17,Y向?yàn)?.58，滿足規(guī)范不應(yīng)大于1.6的要求。最小剪重比規(guī)范限值：X方向1.47%，Y方向1.59%。樓層側(cè)向剛度比（按層剪力與層間位移角之比計(jì)算）：本樓層與相鄰上樓層的比值不宜小于0.9，當(dāng)本樓層的層高大于相鄰上樓層層高的1.5倍（2層層高5m，3層層高3.25m，層高比值為1.54）時(shí)，該比值不宜小于1.1。在規(guī)定水平力作用下，底層框架部分承受地震傾覆力矩占結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的百分比為：X向27.54%，Y向24.25%。

2.2多遇地震的彈性動(dòng)力時(shí)程分析

該項(xiàng)目結(jié)構(gòu)質(zhì)量及剛度均勻、對(duì)稱，按單向地震作用進(jìn)行計(jì)算，并考慮偶然偏心的影響。多遇地震彈性時(shí)程分析采用一組人工波及兩組天然波，三組地震波的平均地震影響系數(shù)曲線和陣型分解反應(yīng)譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線，在統(tǒng)計(jì)意義上相符。按GB50011-2010第5.1.2條要求，取三組加速度的時(shí)程曲線輸入時(shí)，計(jì)算結(jié)果取時(shí)程法的包絡(luò)值和振型分解反應(yīng)譜法的較大值?？紤]本工程到超限高層結(jié)構(gòu)的安全重要性，施工圖設(shè)計(jì)時(shí)按照小震彈性設(shè)計(jì)時(shí)取時(shí)程分析和反應(yīng)譜法結(jié)果的包絡(luò)值進(jìn)行設(shè)計(jì)[1]。

2.3中震彈性計(jì)算

為了保證底部加強(qiáng)部位的混凝土墻肢及混凝土框架柱在中震地震力作用下受剪為彈性，采用SATWE程序進(jìn)行中結(jié)構(gòu)震彈性驗(yàn)算，具體為：地震影響系數(shù)最大值αmax=0.23及場(chǎng)地特征周期取0.40s且不考慮地震組合內(nèi)力調(diào)整系數(shù)（即強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎等內(nèi)力調(diào)整系數(shù)），構(gòu)件組合內(nèi)力計(jì)算中，不計(jì)入風(fēng)荷載作用效應(yīng)的組合；采用荷載作用的分項(xiàng)系數(shù)、材料的分項(xiàng)系數(shù)和抗震承載力調(diào)整系數(shù)；材料強(qiáng)度值取設(shè)計(jì)值[2]。

2.4中震不屈服驗(yàn)算

采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院建筑工程軟件研究所研發(fā)的SATWE程序進(jìn)行中震不屈服驗(yàn)算。地震影響系數(shù)最大值αmax=0.23,場(chǎng)地特征周期取0.40s，不考慮地震組合內(nèi)力調(diào)整系數(shù)，構(gòu)件的組合內(nèi)力計(jì)算時(shí)，不計(jì)入風(fēng)荷載作用效應(yīng)的組合。采用荷載作用分項(xiàng)系數(shù)均為1.0；抗震承載力調(diào)整系數(shù)γRE=1.0；材料強(qiáng)度采用標(biāo)準(zhǔn)值。剪力墻墻肢和框架柱的取中震不屈服、小震彈性及風(fēng)荷載作用分析的較大值進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.5彈塑性靜力分析

采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院編制的，高層結(jié)構(gòu)彈塑性分析程序EPDA/PUSH進(jìn)行。PUSH程序是一個(gè)三維有限元空間彈塑性靜力分析程序，程序單元庫包括梁、柱元及剪力墻元兩種非線性單元形式[3]。EPDA/PUSH是完全基于空間模型而設(shè)計(jì)的，盡量做到計(jì)算模型能夠比較真實(shí)模擬結(jié)構(gòu)實(shí)際的受力狀態(tài)并最大限度的避免計(jì)算模型的計(jì)算誤差。彈塑性梁、柱單元，采用標(biāo)準(zhǔn)的有限元方法進(jìn)行構(gòu)造，單元切線剛度是直接基于混凝土材料微元及鋼筋材料微元的本構(gòu)關(guān)系，這種模型通常被稱為纖維束模型。彈塑性墻元的面內(nèi)剛度的力學(xué)模型是采用平面應(yīng)力模，并且可以考慮開洞，與梁、柱單元相同，它的單元切線剛度也是直接基于混凝土材料微元及鋼筋材料微元的本構(gòu)關(guān)系。墻元的面外剛度是用簡(jiǎn)化的彈塑性板元來進(jìn)行考慮的。

3結(jié)束語

當(dāng)今社會(huì)，幾乎所有的超高層建筑都是由鋼筋混凝土框架核心筒以及鋼框架-混凝土核心筒結(jié)構(gòu)所支撐的。超高層框架核心筒結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)的重要性與日俱增。參考以上工程實(shí)例設(shè)計(jì)過程，即可完成超高層框架核心筒結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王來瑋.基于性能抗震設(shè)計(jì)的超高層框架—核心筒結(jié)構(gòu)的抗震性能分析[D].合肥工業(yè)大學(xué),2013.

[2]楊文光.超高層建筑結(jié)構(gòu)方案選型及抗震性能分析與優(yōu)化研究[D].長(zhǎng)安大學(xué),2013.

[3]李慧.高層鋼筋混凝土框架—核心筒結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)化研究[D].廣州大學(xué),2012.

作者:石蕊 單位:大連城市建設(shè)專家設(shè)計(jì)院有限公司