某风荷载控制超高层结构的方案优化设计_程卫红.pdf

第 53 卷 第 13 期2023 年 7 月上建 筑 结 构Building StructureVol.53 No.13Jul.2023 DOI:10.19701/j.jzjg.20201364 第第一一作作者者:程卫红,博士,高级工程师,一级注册结构工程师,主要从事复杂结构设计咨询工作、组合结构及装配式结构研究,Email:chengweihong 。某风荷载控制超高层结构的方案优化设计程卫红1,2,冯旭光1,熊羽豪1,2,陆宜倩1(1 中国建筑科学研究院有限公司,北京 100013;2 国家建筑工程技术研究中心,北京 100013)摘要:位于深圳市的某超高层办公楼地上 54 层,结构高度约 217m,平面呈扁长形。风荷载作用下短边方向的层间位移角接近规范限值,结构设计主要由风荷载控制。本项目采用抗侧刚度和经济性较好的钢筋混凝土框架-核心筒结构体系。为提高建筑品质,基于结构构件截面最优化目标,从抗侧力体系与楼面框架梁截面两方面展开优化分析。在抗侧体系优化方面,从受力性能和综合经济性角度进行分析,确定采用框架-核心筒+伸臂桁架结构方案,并通过敏感性分析确定最优化的伸臂桁架布置位置。在楼面框架梁截面优化方面,分析了型钢混凝土梁和竖向加腋混凝土梁两种方案的优化效率;并通过考虑混凝土徐变收缩影响的施工模拟分析,进一步降低框架柱和核心筒之间的竖向变形差产生的附加弯矩。通过上述系列措施及配合高强钢筋应用,实现楼面框架梁设计的经济合理。最后利用 SAUSAGE 软件对优化后的结构方案进行动力弹塑性时程分析,验证该方案结构在大震作用下具有的良好抗震性能。关键词:超高层结构;风荷载控制;优化分析;伸臂桁架;加腋混凝土梁;收缩徐变;竖向变形差 中图分类号:TU972 文献标志码:A文章编号:1002-848X(2023)13-0104-06引用本文 程卫红,冯旭光,熊羽豪,等.某风荷载控制超高层结构的方案优化设计J.建筑结构,2023,53(13):104-109.CHENG Weihong,FENG Xuguang,XIONG Yuhao,et al.Scheme optimization design of a super high-rise structure controlled by wind loadJ.Building Structure,2023,53(13):104-109.Scheme optimization design of a super high-rise structure controlled by wind load CHENG Weihong1,2,FENG Xuguang1,XIONG Yuhao1,2,LU Yiqian1(1 China Academy of Building Research,Beijing 100013,China;2 National Engineering Research Center of Building Technology,Beijing 100013,China)Abstract:The super high-rise office building located in Shenzhen city is about 217m with 54 floors above ground and the plane is rectangular.Under the action of wind load,the inter-story displacement angle of short-side was close to the specification limit,therefore the structural design is mainly controlled by wind load.Reinforced concrete frame-core tube structure system is adopted in the project,since its better lateral rigidity and less cost.In order to improve the quality of building,based on the optimization objective of structural member section,optimization analysis was carried out from two aspects:lateral resisting system and floor frame beam section.In the aspect of the optimization of lateral resisting system,the scheme of frame-core tube structure with outriggers truss was determine to adopt by mechanical performance and comprehensive economy analysis,and the most effective outrigger truss placement was determined through sensitivity analysis.In the aspect of section optimization of floor frame beams,optimized efficiency of steel reinforced concrete beam and haunched concrete beam were separately analyzed.The additional bending moment caused by the vertical deformation difference between frame column and core tube was reduced through the construction simulation analysis considering the effect of concrete creep and shrinkage.Through the series of measures and the application of high-strength steel bars,the design of floor frame beams is economical and reasonable.Finally,a dynamic elastoplastic time history analysis of the optimized scheme was carried out by using SAUSAGE software to verify the good seismic performance of the structural scheme under the action of large earthquakes.Keywords:super high-rise building;wind load control;optimization analysis;outrigger truss;haunched concrete beam;shrinkage and creep;vertical deformation difference 1工程概况 某拟建超高层办公楼位于深圳市,基本风压0.75kN/m2,抗震设防烈度 7 度(0.1g),特征周期0.35s。办公楼地下 4 层,地上 54 层(其中地上 4 层为裙房),共设置 3 个避难层,位于 15、26、39 层,标准层 层 高 为 4.5m 和 3.5m,主 结 构 屋 面 高 度第 53 卷 第 13 期程卫红,等.某风荷载控制超高层结构的方案优化设计216.7m。办公楼标准层平面呈扁长形,结构高宽比7.5,核心筒高宽比约21;采用钢筋混凝土框架-核心筒+伸臂桁架结构体系,下部 1/2 楼层框架柱采用叠合柱来控制构件截面尺寸;在 28 层收进一排框架柱,其他体型规则,低区(下部 1/2 楼层)和高区(上部 1/2 楼层)的标准层结构平面布置图见图 1、2,模型三维图见图 3。图 1 低区标准层结构平面布置图图 2 高区标准层结构平面布置图分析表明,结构核心筒高宽比远超过高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ 32010)1中给出的建议限值 12,且场地基本风压较高,结构在 Y 向风荷载作用下的最大层间位移角为结构设计控制指标。本文对项目设计过程中的抗侧力体系优化和楼面框架梁截面优化设计思路进行简要介绍,以供类似项目参考。图 3 结构模型2抗侧力体系优化分析 根据广东省高层建筑混凝土结构技术规程(DBJ 15-922013)2(简称广东省高规),该结构的层间位移角限值按高度插值计算为 1/543。基于受力性能和综合效益,对框架-核心筒+伸臂桁架方案(简称伸臂方案)和框架-核心筒方案(简称无伸臂方案)两种抗侧力体系进行比选分析。伸臂方案仅在 Y 向轴和轴位置布置伸臂桁架,伸臂桁架形式和构件截面如图 4 所示。结合避难层分布,伸臂桁架可设置在 15、26、39 层。为确定不同楼层设置伸臂桁架的工作效率,对以下四种布置方案进行敏感性分析:两道伸臂桁架(布置于15、26 层)、两道伸臂桁架(布置于 26、39 层)、两道伸臂桁架(布置于 15、39 层)和三道伸臂桁架(布置于 15、26、39 层)。四种方案除伸臂桁架布置不同外,其他构件截面均一致。Y 向风荷载作用下四种方案塔楼的层间位移角曲线如图 5 所示,Y 向基本周期和 Y 向最大层间位移角如表 1 所示。图 4 伸臂桁架形式和截面简图图 5 不同伸臂桁架方案的Y 向层间位移角曲线表 1 伸臂桁架敏感性分析主要结果对比指标伸臂桁架位置15、26 层26、39 层15、39 层15、26、39 层Y 向基本周期/s5.435.485.495.37Y 向最大层间位移角1/5331/5571/5111/561分析结果表明:两道伸臂桁架(布置于 26、39层)方案的最大层间位移角与三道伸臂桁架方案接近,明显优于其余方案;同时两道伸臂桁架方案的经济性和施工便捷性明显优于三道伸臂桁架方案。因此在 26 层和 39 层设置两道伸臂桁架为最优伸臂桁架布置方案,后续讨论中伸臂桁架方案均为该方案。为减小伸臂桁架连接位置剪力墙的受力集中,伸臂桁架上下弦杆延伸入核心筒剪力墙内,并在剪力墙内设置人字形腹杆,腹杆截面为 H8002004040。501建 筑 结 构2023 年伸臂方案和无伸臂方案的主要构件截面如表 2所示,除表 2 中的构件截面外,其他楼面框架梁截面一致,周圈框架梁截面为 5001 200,27 层及以下的楼面框架梁 KL2 截面为 5001 000,27 层以上的楼面框架梁 KL2 截面为 500800。由表可知在满足同样层间位移角指标要求时,无伸臂方案的墙柱和框架梁截面均明显大于伸臂方案。分析表明与核心筒端部剪力墙(轴和轴位置)相连的楼面框架梁 KL1 对结构抗侧刚度的贡献明显高于楼面框架梁 KL2,因此无伸臂方案在 4.5m 层高标准层充分利用楼面框架梁 KL1 提供的抗侧刚度。表 2 两种方案主要构件截面/mm楼层伸臂方案无伸臂方案框架柱框架梁KL1剪力墙框架柱框架梁KL1剪力墙14层 1 4001 600 5008001 0001 4001 800 5001 0001 100511层 1 3001 500 5001 2001 0001 4001 600 5001 5001 0001220层 1 3001 400 5001 2008001 3001 500 5001 5009002127层 1 2001 400 5001 20