某超限高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計

1、<p>　　某超限高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p>　　摘 要：本文針對廣州某超限高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行研究，介紹了該工程超限情況及有針對性的構(gòu)造加強(qiáng)措施。采用了SATWE和Midas兩種軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體分析，用PKPM進(jìn)行靜力彈塑性分析（Pushover）及彈性時程分析。結(jié)果表明結(jié)構(gòu)在罕遇地震下處于延性階段，結(jié)構(gòu)抗震性能滿足規(guī)范要求。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：超限高層；靜力

2、彈塑性分析；彈性時程分析；構(gòu)造加強(qiáng)措施 </p><p>　　Abstract:In this paper,the research on some exceeding high-rise residential building,which locates in Guangzhou,is discussed.The code exceeding status and the structural reinfor

3、cing measures are introduced.Two types of software,SATWE and Midas,were used for the global analysis,and PKPM was used for pushover analysis and elastic time-history analysis.The results shows that the structure is in du

4、ctile stage under rare earthquake,the seismic performance of the structure can satisfy the code require</p><p>　　Key words: code exceeding high-rise building；pushover analysis；elastic time-history analysis；s

5、tructural reinforcing measures </p><p>　　中圖分類號；TU2文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號： </p><p><b>　　工程概況 </b></p><p><b>　　1.1基本情況 </b></p><p>　　本項目位于廣州市番禺區(qū)，用地面積為35525.

6、81平方米，總建筑面積241959平方米，地上建筑面積180332平方米，地下建筑面積61627平方米。設(shè)有三層地下室，地面建筑群體由五棟超高層住宅、1棟會所及1棟幼兒園組成,建筑使用性質(zhì)為住宅。 </p><p><b>　　1.2工程概述 </b></p><p>　　其中一棟超高層住宅地上為52層，主要高度159米（超B級高度高層建筑）。各層層高分別為：地下三層

7、3.6m，地下二層3.6m，地下一層4.75m，首層6.8m，標(biāo)準(zhǔn)層均為3m。平面長寬為39.6x31.6，高寬比(窄向)為5.0。本文將針對這棟超高層住宅的計算展開討論。 </p><p><b>　　1.3結(jié)構(gòu)選型 </b></p><p>　　本工程根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)層為高檔住宅的特點(diǎn)，考慮采用剪力墻結(jié)構(gòu)體系。剪力墻作雙向布置，單體中部設(shè)置核心筒，所有剪力墻直接落地(標(biāo)準(zhǔn)

8、層平面見圖1)。 </p><p><b>　　圖1 標(biāo)準(zhǔn)層平面 </b></p><p><b>　　3 設(shè)計參數(shù) </b></p><p>　　3.1工程場地安全性評價 </p><p>　　根據(jù)有關(guān)報告得出結(jié)論如下： </p><p>　　工程場地覆蓋層厚度19.30~

9、43.60m，等效波速144.03~168.05 m/s，場地土類型中軟土，場地類別為Ⅲ類。 </p><p>　　工程場地63%、10%和2%的地震烈度及基巖加速度峰值PGA如表3.1.1所示。 </p><p><b>　　表3.1.1 </b></p><p>　　根據(jù)《中國地震峰值加速度參數(shù)區(qū)劃圖GB18306-2001》，地面峰值加速

10、度的復(fù)核應(yīng)由50年超越概率水平10%的基巖峰值加速度，應(yīng)根據(jù)GB18306-2001《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》中地震動峰值加速度（中硬場地）與基巖場地地震動峰值加速度的對應(yīng)關(guān)系。得出本場地地震峰值加速度為96.54cm/s2，換算成0.0985g。 </p><p>　　設(shè)計地震動參數(shù)及其與規(guī)范值的對比情況如下表3.1.2所示。 </p><p>　　表3.1.2 安評報告與規(guī)范地震參數(shù)對比

11、 </p><p>　　場地穩(wěn)定性評價：地震孔僅DZ5存在砂層，根據(jù)《建筑物抗震設(shè)計規(guī)范（GB50011-2010）》計算，出現(xiàn)砂土液化，液化指數(shù)為0.68，液化程度為輕微。根據(jù)地震孔，本場地存在軟弱層，厚度大約為17m，應(yīng)注意軟土震陷的影響。本場地地勢較平坦，屬河流沖積地貌類型。在鉆孔揭露范圍內(nèi)未見塌陷、土洞、地裂縫等不良地質(zhì)作用。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造和本次地震孔鉆探資料，場地未見斷裂構(gòu)造跡象，場地地震穩(wěn)定性較好。

12、 </p><p>　　3.2超限分析主要的荷載作用 </p><p>　　3.2.1地震作用 </p><p>　　3.2.1.1本工程考慮地震作用的相關(guān)參數(shù) </p><p>　　根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB50068-2001）、《建筑抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》（GB50223-2008）、《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-

13、2010）以及工程場地地震安全性評價報告，本工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震作用分析時，按規(guī)范采用的相關(guān)參數(shù)及各部位構(gòu)件的抗震等級詳見表3.2及圖3.2。 </p><p>　　表3.2 結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù) </p><p>　　3.2.1.2 安評報告的地震反應(yīng)譜曲線與抗震規(guī)范的相應(yīng)比較 </p><p>　　工程場地地震安全性評價報告提供的場地地面設(shè)計地震動參數(shù)與抗震規(guī)范的相應(yīng)參數(shù)

14、比較詳見表3.1.2；相應(yīng)的小震反應(yīng)譜曲線對比詳見下圖。從圖中能判斷出安評報告的曲線能包絡(luò)規(guī)范的反應(yīng)譜曲線。為進(jìn)一步的分析比較，使用pkpm軟件，直接輸入地震反應(yīng)譜，將按安評報告輸入的地震反應(yīng)譜曲線計算所得的地震作用剪力與按規(guī)范的地震反應(yīng)譜曲線計算所得的數(shù)值列表比較見圖3.2，結(jié)果表明，小震作用下，按規(guī)范反應(yīng)譜計算的基底剪力大于安評報告的結(jié)果，因此小震作用按照規(guī)范反應(yīng)譜的地震反應(yīng)譜曲線進(jìn)行計算。中震、大震的地震動參數(shù)根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)

15、范》（GB50011-2010）的規(guī)定按規(guī)范提供的數(shù)值取用。 </p><p>　　圖3.2地震響應(yīng)曲線曲線圖-安評報告及規(guī)范參數(shù)比較 </p><p>　　3.2.2 風(fēng)荷載 </p><p>　　在計算風(fēng)荷作用下結(jié)構(gòu)水平位移時，基本風(fēng)壓值Wo=0.50kN/m2（n=50年），結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力計算時，按基本風(fēng)壓1.1倍采用，地面粗糙度B類，建筑體形系數(shù)μs=1.4

16、0。 </p><p>　　4 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計性能化目標(biāo) </p><p>　　4.1抗震設(shè)防的基本目標(biāo) </p><p>　　本工程按7度抗震設(shè)防、Ⅲ類場地，設(shè)計地震分組為第一組，設(shè)計基本地震加速度為0.1g。綜合考慮抗震設(shè)防分類、設(shè)防烈度、場地類別、建造費(fèi)用，本工程結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)定為C級。性能水準(zhǔn)如下： </p><p>　?。?）在多遇

17、地震作用下，所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件按彈性設(shè)計，完好無損，達(dá)到性能水準(zhǔn)1的要求。 </p><p>　?。?）在設(shè)防烈度地震作用下，剪力墻正截面滿足《高規(guī)》3.11.3-2要求，抗彎不屈服；普通框架梁、連梁受剪承載力滿足《高規(guī)》3.11.3-2要求，抗剪不屈服；水平長懸臂梁正截面承載力滿足《高規(guī)》3.11.3-3，抗彎不屈服，其受剪承載力滿足《高規(guī)》3.11.3-1要求，抗剪彈性，達(dá)到性能水準(zhǔn)3的要求。 </p>

18、<p>　　（3）在預(yù)估罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)彈塑性變形滿足《高規(guī)》3.7.5要求，剪力墻受剪截面符合《高規(guī)》3.11.3-4要求；水平長懸臂梁受剪承載力滿足《高規(guī)》3.11.3-3的要求，抗剪不屈服，達(dá)到性能水準(zhǔn)4的要求。 </p><p><b>　　4.2 抗震等級 </b></p><p>　　構(gòu)件抗震等級如下： </p><p

19、>　　4.3結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵部位性能目標(biāo) </p><p>　　針對本工程結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和超限內(nèi)容，按《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》本工程各構(gòu)件性能化設(shè)計指標(biāo)見下表4.3.1： </p><p>　　表4.3.1結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵部位性能目標(biāo)及驗算結(jié)果匯總 </p><p><b>　　5 結(jié)構(gòu)分析 </b></p><p>　　5

20、.1小震及風(fēng)作用下的彈性整體計算 </p><p>　　選用中國建筑科學(xué)研究院編制的多層及高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析與設(shè)計軟件SATWE軟件對主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行小震及風(fēng)作用下的彈性整體計算分析，并用Midas軟件進(jìn)行校核對比分析。 </p><p>　　5.1.1 基本假定及主要參數(shù)取值 </p><p>　?。?）嵌固層取為地下室頂板，結(jié)構(gòu)整體指標(biāo)計算時取地下室以上部分

21、計算。 </p><p>　　（2）考慮了平扭耦聯(lián)計算結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。控制振型數(shù)使振型參與質(zhì)量不小于總質(zhì)量的90％。共采用18個振型組合。 </p><p>　?。?）計算層間位移、層側(cè)向剛度比和位移比時，采用剛性樓板的假定；在進(jìn)行樓板應(yīng)力計算時對相應(yīng)的樓層采用彈性膜模型。 </p><p>　　（4）主要參數(shù)取值如下：考慮偶然偏心；考慮雙向地震作用；考慮P-Δ效應(yīng)

22、；考慮周期折減系數(shù)取0.90；中梁剛度增大系數(shù)按2010規(guī)范取值，連梁剛度折減系數(shù)0.7。 </p><p>　　5.1.2計算結(jié)果匯總及對比分析 </p><p>　　結(jié)構(gòu)的整體計算結(jié)果見下表5.1.1。 </p><p>　　表5.1.1 整體電算結(jié)果(多遇地震) </p><p>　　根據(jù)上述計算結(jié)果，兩個軟件風(fēng)荷載及地震作用計算值有些

23、差異，但差異不大，在合理的范圍之內(nèi)。結(jié)合規(guī)范規(guī)定的要求及結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計理論，可以得出如下結(jié)論： </p><p>　　第一扭轉(zhuǎn)周期與第一平動周期之比均小于0.85，滿足“高規(guī)”3.4.5條要求。 </p><p>　　在考慮偶然偏心的規(guī)定水平地震作用下，樓層的最大扭轉(zhuǎn)位移比大于1.2,但均小于1.3，相應(yīng)“地震作用下的層間位移角”大于1/2000,屬扭轉(zhuǎn)Ⅰ類不規(guī)則平面； </p&g

24、t;<p>　　X，Y向有效質(zhì)量系數(shù)均大于90％，所取振型數(shù)滿足要求。 </p><p>　　按廣東省實施《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2002）補(bǔ)充規(guī)定中3.5.1，T3棟層間有害位移值均小于層間位移值的50%，建筑物高度在150~250m間可在1/800~1/500間線性插值，本工程按159m插值，層間位移角限值△u/h=1/759，經(jīng)分析計算主體塔樓在地震荷載作用下及風(fēng)荷載作用下層

25、間位移角均滿足規(guī)定的要求。 </p><p>　　各層側(cè)向剛度滿足《廣東省超限高層建筑工程抗震設(shè)防審查細(xì)則》表二的要求，表明本工程的側(cè)向剛度規(guī)則。 </p><p>　　剪力墻的最大軸壓比均小于0.5，滿足“高規(guī)”軸壓比限值要求。 </p><p>　　剛重比最小值小于2.7，但大于1.4，能滿足高層建筑結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定的要求（“高規(guī)”5.4.4條），但需要考慮P-Δ效

26、應(yīng)的影響。 </p><p>　　各樓層層間抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的受剪承載力與其上一層受剪承載力比值最小值均≥0.75，滿足《廣東省超限高層建筑工程抗震設(shè)防審查細(xì)則》中表二的要求，不屬樓層承載力突變。 </p><p>　　5.2結(jié)構(gòu)小震下的彈性時程分析補(bǔ)充驗算 </p><p>　　&#61548; 根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011-2010中5.1.2條表5

27、.1.2-1規(guī)定，采用SATWE程序?qū)Ω鳁澦墙Y(jié)構(gòu)進(jìn)行小震下的彈性時程分析的補(bǔ)充驗算。彈性時程分析采用工程場地地震安全性評價報告提供的7條地震波，其中user1、user2、user3及user5為天然波，user8、user9及user11為人工模擬的加速度時程曲線。 </p><p>　　七條地震波作用下結(jié)構(gòu)彈性時程反應(yīng)（平均反應(yīng)＝(user1＋user 2＋user 3+ user 5+ user 8+ u

28、ser 9+ user 11)/7 ）與規(guī)范反應(yīng)譜法計算結(jié)果比較如圖5.2.1所示： </p><p>　　表5.2.1時程分析計算參數(shù)和結(jié)果摘要 </p><p>　　彈性時程分析結(jié)論： </p><p>　　a. 時程分析結(jié)果滿足平均底部剪力不小于振型分解反應(yīng)譜法結(jié)果的80％，每條地震波底部剪力不小于反應(yīng)譜法結(jié)果的65％的條件； </p><

29、p>　　b. 由上述計算結(jié)果對比可見，彈性時程分析的樓層反力和位移平均值小于規(guī)范反應(yīng)譜結(jié)果，反應(yīng)譜分析結(jié)果在彈性階段對結(jié)構(gòu)起控制作用。 </p><p>　　c．樓層位移曲線下部以彎曲型為主，上部以剪切型為主，位移曲線光滑無突變，反映結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度較為均勻。 </p><p>　　d．各條時程地震波下的層間位移角曲線形狀均較相似。 </p><p>　　e. 計

30、算地震作用效應(yīng)時，時程分析結(jié)果的平均值做補(bǔ)充驗算。 </p><p>　　5.3罕遇地震（大震）作用下靜力彈塑性（Pushover）分析及結(jié)構(gòu)抗震性能評價 </p><p>　　為了解結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下由彈性到彈塑性的全過程行為；判斷該結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下是否存在薄弱區(qū)，并評價薄弱區(qū)的薄弱程度。評價本工程結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的抗震性能，從而進(jìn)一步判斷該結(jié)構(gòu)在大震作用下是否滿足不倒塌的抗震

31、性能要求。本工程采用PPUSHOVER分析評價結(jié)構(gòu)在大震作用下是否能滿足預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)性能。 </p><p>　　PUSHOVER分析中控制性參數(shù)選?。耗繕?biāo)位移為1.59m[為樓高(從地下室頂板面起算)的1/100],側(cè)向荷載模式為倒三角模式,不考慮P—△效應(yīng),考慮初始重力荷載,計算X與Y向地震作用。 </p><p>　　5.3.1 PUSHOVER分析結(jié)果 </p>&

32、lt;p>　　(1) PUSHOVER分析結(jié)果如下： </p><p>　　圖5.3.1X向大震作用下能力譜-需求譜曲線 </p><p>　　圖5.3.2Y向大震作用下能力譜-需求譜曲線 </p><p>　　圖上可以看出，結(jié)構(gòu)在X方向需求層間位移角為1/148，需求點(diǎn)對應(yīng)的總荷載步號為102；Y方向需求層間位移角為1/146, 需求點(diǎn)對應(yīng)的總荷載步號為89

33、；均滿足罕遇地震下規(guī)范規(guī)定變形要求。 </p><p>　　（2）大震性能需求點(diǎn)處的結(jié)構(gòu)性能分析。 </p><p>　　結(jié)構(gòu)的安全評估將從結(jié)構(gòu)整體性能和構(gòu)件塑性變形程度兩個方面來考察。整體性能的情況通過彈塑性層間位移角、剪重比、結(jié)構(gòu)頂部位移、底部剪力、結(jié)構(gòu)塑性發(fā)展的過程及塑性發(fā)展的區(qū)域來評估。構(gòu)件則通過構(gòu)件的塑性發(fā)展程度來評估。 </p><p>　　性能控制點(diǎn)處

34、結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形數(shù)據(jù)見下表。 </p><p>　　5.4 其它分析內(nèi)容 </p><p>　　本工程還進(jìn)行如下分析計算： </p><p>　　利用satwe對結(jié)構(gòu)進(jìn)行中震不屈服驗算；計算結(jié)果得知，剪力墻加強(qiáng)部位、標(biāo)準(zhǔn)層豎向構(gòu)件及主要框架梁均能滿足要求，除部分較短連梁外，大部分抗震構(gòu)件能達(dá)到不屈服的抗震性能目標(biāo)。 </p><p>　　2）

35、小震及中震下的標(biāo)準(zhǔn)層樓板應(yīng)力分析；利用PMSAP進(jìn)行樓板應(yīng)力分析結(jié)果表明，在小震作用和中震作用下，標(biāo)準(zhǔn)層樓板薄弱部位處剪力最大值為20KN/m，偏于安全的以小震作用下最大剪應(yīng)力乘上放大系數(shù)0.50/0.08＝6.25作為罕遇地震作用下的剪應(yīng)力，薄弱部位處樓板剪力積分為125kN/m,樓板配Φ10@150雙層板筋(該段樓板抗剪承載力為193 kN/m)，即能滿足樓板的抗剪承載力要求。 </p><p>　　6 結(jié)構(gòu)

36、超限的主要措施 </p><p>　　1、本工程的剪力墻是主要的抗側(cè)力構(gòu)件，提高剪力墻墻肢的延性，可以有效的提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。針對提高剪力墻的延性，采取了以下措施： </p><p>　　(1)底部加強(qiáng)區(qū)抗震等級提高至特一級，底部加強(qiáng)部位的墻身水平和豎向分布筋配筋最小配筋率0.5%；約束邊緣構(gòu)件豎筋最小配筋率為1.5％，體積配箍率不小于1.5%； </p><p>

37、;　　(2)按中震正截面、剪切均不屈服的性能目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計； </p><p>　　(3)根據(jù)罕遇地震下的pushover的計算結(jié)果，對薄弱處的剪力墻進(jìn)行加強(qiáng)，避免其出現(xiàn)剪切特征的破壞。 </p><p>　　2、采用抗震性能化設(shè)計，根據(jù)實際需要，針對整個結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)的局部部位或關(guān)鍵部位、結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件、重要構(gòu)件、次要構(gòu)件采取不同的性能目標(biāo)。 </p><p>　　3、

38、提高樓板薄弱處在地震作用下的承載力：各棟細(xì)腰處及電梯井洞周邊的板均為160mm厚，雙層雙向Φ10@150配筋；并適當(dāng)參考小震及中震下樓板的應(yīng)力分析結(jié)果，對樓板應(yīng)力較大處進(jìn)行加強(qiáng)。 </p><p>　　4、結(jié)合豎向地震的計算結(jié)果，并適當(dāng)加強(qiáng)大懸挑處（懸挑達(dá)4m）的懸挑梁的端部鋼筋，提高此處結(jié)構(gòu)的安全富余度，同時加強(qiáng)與懸臂梁相連處的剪力墻配筋（含分布鋼筋及端部暗柱的鋼筋），提高此處剪力墻在地震作用下的延性。 <

39、;/p><p><b>　　結(jié)論 </b></p><p>　　綜上所述，本工程雖然為超B級高層建筑適用高度，結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，存在多項不規(guī)則，但在設(shè)計中采用概念設(shè)計方法，根據(jù)抗震原則及建筑特點(diǎn)，首先對整體結(jié)構(gòu)體系及布置進(jìn)行仔細(xì)的考慮并作優(yōu)化，使之具有良好的結(jié)構(gòu)抗震性能。在抗震設(shè)計中，除保證結(jié)構(gòu)在小震下完全處于彈性階段外，還補(bǔ)充了主要構(gòu)件在中震下表現(xiàn)的性能要求，再采取多種計算

40、程序進(jìn)行了彈性、彈塑性的計算，計算結(jié)果表明，多項指標(biāo)均表現(xiàn)得較為良好,基本滿足規(guī)范的有關(guān)要求；使可控制的不規(guī)則程度得到基本有效控制。同時又通過概念設(shè)計及各階段的計算程序分析結(jié)果，對關(guān)鍵和重要構(gòu)件作了適當(dāng)加強(qiáng)，在構(gòu)造措施方面亦相應(yīng)作了處理?？偟膩碚f，可以認(rèn)為本工程除能夠滿足豎向荷載和風(fēng)荷載作用下的有關(guān)指標(biāo)外，亦滿足小震不壞，中震下主要構(gòu)件不屈服、震后可以修復(fù)，大震不倒塌的抗震設(shè)防目標(biāo)，因此認(rèn)為結(jié)構(gòu)是可行且安全的。 </p>