超高層寫字樓結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)淺析

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1工程概況

金融城6號(hào)項(xiàng)目位于重慶市江北嘴中央商務(wù)區(qū)A06號(hào)地塊，北面為建設(shè)中的高檔住宅江北嘴壹號(hào)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(yùn)營(yíng)的江北嘴金融城3號(hào)項(xiàng)目，東面為已建成運(yùn)營(yíng)的IFS國(guó)際金融中心。項(xiàng)目緊鄰江北城北大街及軌道六號(hào)線和九號(hào)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(duì)性設(shè)計(jì)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(jí)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?。?，內(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(gè)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(duì)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(gè)周期的數(shù)值振型模態(tài)，以及各個(gè)單塔模型前6個(gè)周期的振型模態(tài)。

3.2樓層的位移和位移角

從計(jì)算結(jié)果可以看出，單塔和多塔的計(jì)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(jì)算結(jié)果差異較小。

3.3單多塔分析小結(jié)

從計(jì)算結(jié)果可以看出，單塔和多塔的計(jì)算指標(biāo)結(jié)果（周期、位移等）結(jié)果吻合較好?？梢?jiàn)塔樓裙房以上樓層在單，多塔模型的計(jì)算結(jié)果差異較小，可以滿足計(jì)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(jì)中，塔樓裙房以上采用單塔和多塔的計(jì)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(jì)。

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

4.13#樓周期和振型

分別計(jì)算3#塔樓結(jié)構(gòu)的前27個(gè)周期振型，列出塔樓結(jié)構(gòu)的前6個(gè)振型的周期值和振型描述：如表2所示，兩個(gè)軟件計(jì)算的周期振型接近，第一扭轉(zhuǎn)周期Tt與第一平動(dòng)周期的比值Tt/T1滿足《高規(guī)》（JGJ3-2010）的要求?？梢钥闯龆哂?jì)算結(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(jì)算剪重比分別為0.59%（X向），0.62%（Y向）。配筋設(shè)計(jì)時(shí)，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(gè)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(jì)算結(jié)果可知，YJK和Midas計(jì)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(wú)明顯薄弱部位。4.43#樓振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算總結(jié)采用YJK及MIDAS兩軟件進(jìn)行對(duì)比計(jì)算。兩者小震反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果十分接近，規(guī)律相同。各計(jì)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(dòng)。底部加強(qiáng)部位剪力墻設(shè)為關(guān)鍵部位，設(shè)計(jì)將進(jìn)行加強(qiáng)。后續(xù)設(shè)計(jì)將以YJK計(jì)算結(jié)果為依據(jù)。

53#樓結(jié)構(gòu)小震彈性時(shí)程反應(yīng)分析

5.13#樓地震波選取

按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）的規(guī)定，時(shí)程分析所采用的加速度時(shí)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(jì)意義上相符”，根據(jù)本工程結(jié)構(gòu)周期，場(chǎng)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(shí)程分析采用YJK進(jìn)行計(jì)算分析。從對(duì)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(shuō)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(diǎn)上相差不大于20%，統(tǒng)計(jì)意義上相符，滿足規(guī)范要求。

5.23#樓結(jié)構(gòu)小震彈性時(shí)程分析總結(jié)

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

63#樓大震動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析

本報(bào)告通過(guò)大震作用下的動(dòng)力彈塑性分析，擬達(dá)到下述目的：①對(duì)整體結(jié)構(gòu)的相應(yīng)情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。采取基底等參數(shù)，對(duì)其塑性的開(kāi)展程度進(jìn)行評(píng)價(jià)；②對(duì)計(jì)算結(jié)構(gòu)的整體變化情況進(jìn)行分析，對(duì)結(jié)構(gòu)中存在的測(cè)量變形情況進(jìn)行評(píng)價(jià)；對(duì)結(jié)構(gòu)層的變化情況進(jìn)行全面計(jì)算，針對(duì)軟弱層與薄弱層進(jìn)行評(píng)價(jià)（根據(jù)結(jié)構(gòu)層位移的角度進(jìn)行比較）；③對(duì)抗側(cè)構(gòu)建的損傷分布進(jìn)行評(píng)價(jià)（包含了框架梁柱、剪力墻損傷信息與發(fā)展程度的信息），對(duì)抗側(cè)力在遇到作用時(shí)其性能水準(zhǔn)是否達(dá)到要求。分析軟件：選用YJK軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析?；阡摻罨炷两Y(jié)構(gòu)額單元參數(shù)需要按照彈性計(jì)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(jiǎn)化：因彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析時(shí)間長(zhǎng)，計(jì)算工作量大，對(duì)計(jì)算模型做了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化處理：刪除了裙房部分。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(dòng)力彈塑性計(jì)算時(shí)，地面運(yùn)動(dòng)的加速度時(shí)程的選取、預(yù)估罕遇地震作用時(shí)的峰值加速度取值以及計(jì)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(duì)地震波產(chǎn)生的“有效持續(xù)時(shí)間”不能夠小于于周期的5倍，且時(shí)間不能超過(guò)15秒。③分析可知，相關(guān)多組地震時(shí)曲線的平均地爭(zhēng)影響曲線值與采取的統(tǒng)計(jì)方法相同。相關(guān)條文中對(duì)統(tǒng)計(jì)意義的解析方向?yàn)椋合鄬?duì)于結(jié)構(gòu)主要的振周期位置點(diǎn)相差值≤20%按照上述選擇出來(lái)的資料進(jìn)行分析，各個(gè)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(jiàn)表4中分析。

73#樓罕遇地震彈塑性時(shí)程分析主要計(jì)算結(jié)果

大震彈塑性時(shí)程與彈性時(shí)程計(jì)算基底剪力對(duì)比如表5。以人工波為例，對(duì)比基底剪力的彈性與彈塑性時(shí)程曲線，如圖1、圖2所示。以人工波為例，對(duì)比頂點(diǎn)位移的彈性與彈塑性時(shí)程曲線，如圖3、圖4所示。計(jì)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(zhǎng)，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(shuō)明罕遇地震作用下因?yàn)樯喜克遣糠謽?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(shí)程比彈性時(shí)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)?，周期延長(zhǎng)的現(xiàn)象。X向地震作用時(shí)的樓層最大層間位移角為1/201（29層），Y向地震作用時(shí)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(yàn)證了在大震下，結(jié)構(gòu)整體塑性發(fā)展程度有限，無(wú)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(kāi)始到最后所占耗能比例最高，其次是墻柱、框架柱。說(shuō)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(jì)原則要求。

8價(jià)值結(jié)果

本項(xiàng)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(duì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)采取了一系列抗震計(jì)算及抗震構(gòu)造加強(qiáng)措施，同時(shí)采用兩個(gè)有效的程序進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果可信且滿足規(guī)范要求。利用動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析驗(yàn)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(jì)院有限公司