狭长平面超高层结构设计及抗震性能分析_周泽宇.pdf

广东土木与建筑GUANGDONG ARCHITECTURE CIVIL ENGINEERING2023年2月第30卷 第2期FEB 2023Vol.30 No.2DOI:10.19731/j.gdtmyjz.2023.02.010作者简介：周泽宇（1992-），男，硕士，工程师，主要从事高层及超高层结构设计工作。E-mail：1工程概况某项目位于广东省佛山市禅城区，总建筑面积约为 42 万 m2，首层均为架空层，层高 9 m；标准层层高3.15 m，结构顶部均为复式住宅，层高分别为3.15 m、3.1 m；地面以下设两层地下室，负一、负二层为车库，层高分别为3.9 m、3.8 m。本项目结构高度超过 高层建筑混凝土结构技术规程：JGJ 320102表3.3.1-1中A级框架-核心筒的最大适用高度H=120 m，为B级高度的超高层建筑；项目效果如图1所示。结构设计工作年限为 50年，结构安全等级为二级；抗震设防烈度为7度，类场地，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度值为 0.05g，特征周期0.45 s，地基基础设计等级为甲级；风荷载地面粗糙度C类，体型系数综合考虑取1.4，且考虑受扰建筑高度范围内的建筑物的干扰影响。2结构难点及特点本项目结构高度近140 m，平面存在狭长、细腰情况，如图2所示，结构设计存在难点及特点如下：狭长平面超高层结构设计及抗震性能分析周泽宇1，梁子彪1，林瑶明2，刘婉筠2，吴伟建2（1、上海天华建筑设计有限公司广州分公司广州510660；2、深圳市华阳国际工程设计股份有限公司广州分公司广州510640）摘要：项目位于佛山市禅城区，采用剪力墙结构，高度超限且存在扭转不规则、凹凸不规则、抗扭刚度弱等不规则项。采用高层建筑混凝土结构技术规程：广东省标准DBJ/T 15-9220211，结构抗震性能目标定为C级，采用多软件多计算方法进行设防地震作用下的等效弹性分析以及罕遇地震动力弹塑性分析等，针对狭长平面进行温度应力分析；结果表明：结构整体及构件抗震性能均达到预期目标，提出合理有效加强措施，确保结构安全可行；关键词：超高层建筑；性能设计；弹塑性时程分析；温度应力分析中图分类号：TU318+.2文献标志码：A文章编号：1671-4563（2023）02-040-04Design and Seismic Performance Analysis of Long and Narrow Plane Super High-rise StructuresDesign and Seismic Performance Analysis of Long and Narrow Plane Super High-rise StructuresZHOU Zeyu1，LIANG Zibiao1，LIN Yaoming2，LIU Wanjun2，WU Weijian2（1、THAPE Architecture Planning&Engineering Co.Ltd.，Guangzhou BranchGuangzhou 510660，China）2、CAPOL International&Associates Group，Guangzhou BranchGuangzhou 510640，China）AbstractAbstract：The project is located in Chancheng District，Foshan City.The shear wall structure is adopted.The height exceeds the limitand there are irregular items such as torsion irregularity，concave convex irregularity and weak torsional rigidity.According to the technicalspecification for concrete structures of high rise buildings1DBJ/T 15-922021 of new Guangdong Province，the seismic performance target of the structure is determined as Grade C，and the equivalent elastic analysis under the action of fortification earthquake and the dynamic elastic-plastic analysis under rare earthquake are carried out with multi software and multi calculation methods，and the temperature stressanalysis is carried out for the long and narrow plane；The results show that the seismic performance of the whole structure and its components have reached the expected target，and reasonable and effective strengthening measures are put forward to ensure the safety and feasibility of the structure；Key wordsKey words：super-high rise building；performance design；elastoplastic time history analysis；temperature stress analysis图1项目效果Fig.1Rendering of Project图2典型层建筑平面布置Fig.2Typical Floor Building Layout Plan（mm）57700200001030040周泽宇，等：狭长平面超高层结构设计及抗震性能分析FEB 2023 Vol.30 No.22023年2月 第30卷 第2期 结构高度高，高宽比大3。按回转半径计算高宽比为8.88，结构细腰处最小平面尺寸为10.3 m，最大高宽比达到13.6，远超过文献 2 表3.3.2中7度剪力墙结构高宽比不宜超过6的要求。Y向在地震以及风荷载作用下，侧向刚度偏弱4；建筑空间布局决定了剪力墙左右错位，无法通过形成连肢墙增加抗弯刚度，势必影响结构经济性指标，增加造价成本5。体型近似槽型且存在平面不规则，凹凸尺寸较大；标准层平面外包尺寸为20.0 m57.7 m，长宽比L/B=0.56，L/Bmax=0.42，l/b=0.48，超过文献 2 表 3.3.2的要求，属于凹凸不规则结构，不利于水平力的传递；由于建筑对层高有所限制，梁高难以增加，削弱了周边框架刚度，抗扭刚度弱。因本项目特点，建筑首层存在架空层，层高9 m，标准层层高3.15 m，需对首层墙加厚满足剪力墙稳定性要求；除加厚首层剪力墙外，需加大二层楼面梁高度，增加首层剪力墙之间的连接，使该楼层满足刚度比要求。结构X向长度近58 m且不设结构缝，在升降温工况下楼板及楼面梁存在拉压应力，容易造成应力集中，增大楼面混凝土开裂的风险。3结构布置本项目采用剪力墙结构体系，根据建筑体型与使用功能结构方案做了对比：方案1：平面设缝作为两栋单体单独计算；根据文献 1 要求计算缝宽600 mm，左右两栋塔楼单独进行计算。优点：平面尺寸在文献 2 规定范围内，塔楼平面长度不超40 m，塔楼温度应力不大。缺点：通过计算，由于分缝两侧的平面进深较小，刚度较弱，不利于扭转控制，导致单体在水平力作用下位移较大，需加大剪力墙厚度增加抗侧刚度，如图3所示。方案2：本方案取消塔楼中间设缝，使塔楼从两个单体合并为一个单体分析，塔楼平面长度在58 m左右，超出文献 1 设缝间距要求。优点：合并为一个单体后，塔楼平面抗扭刚度大大提高，使塔楼在水平力作用下位移更趋于均匀，有利于各项指标的控制。剪力墙墙厚可控制在一定范围，提高建筑使用空间，经济性更好。缺点：平面长度在 58 m 左右，超出文献 1 设缝间距，需考虑温度应力对塔楼的影响。结合建筑使用功能要求、工程经济性、结构平面合理性等因素，选用方案 2平面如图 4所示，取消设缝，并补充塔楼温度应力分析，考虑混凝土浇筑后降温对塔楼受力的影响；由于Y向高宽比较小抗侧力较弱，Y向剪力墙在隔墙间尽量纵向对齐，并在端部设置端柱提高整体抗弯刚度，结构竖向构件截面如表1所示。塔楼楼面采用普通钢筋混凝土楼盖体系，除了满足竖向荷载传递以及建筑立面构造要求外，为了提高剪力墙之间的联系作用，剪力墙连梁也作相应加强，具体楼面梁尺寸如下：外圈框架梁：（200300）mm700 mm、300 mm600 mm；剪力墙连梁：墙宽（500550）mm；其余楼面梁：200 mm（400500）mm。首层板采用现浇钢筋混凝土楼板，楼板板厚取180 mm，标准层核心筒电梯厅：楼板厚度为150 mm；客厅（跨度8 m）：楼板厚度为200 mm；标准层角部楼板，中部收窄处楼板：楼板厚度为120 mm。4超限情况及抗震性能目标本项目高度超限，并具有（扭转不规则、凹凸不规则）共2项一般不规则，（抗扭刚度弱）1项特别不规则，如表2所示，应进行超限高层抗震设防专项审查6。针对结构不规则情况，采用结构抗震性能设计方法进行分析和论证。设计根据结构可能出现的薄弱图3结构平面方案1Fig.3Structural Plane Scheme 1设抗震缝图4结构平面方案2Fig.4Structural Plan 2表1竖向构件尺寸Tab.1Vertical Member Size楼层12141542构件尺寸/mmY向剪力墙350500300350200250X向剪力墙200500200250200250角柱1 4501 1001 4501 1001 2501 100表2工程超限情况Tab.2Engineering Characteristics beyond Code Limits不规则类型房屋高度扭转不规则凹凸不规则抗扭刚度弱判断A级：139.20 m120.0 m最大扭转位移比1.271.28.320=0.420.3扭转周期比为0.890.8541广东土木与建筑FEB 2023 Vol.30 No.22023年2月 第30卷 第2期部位及需要加强的关键部位，根据文献 1 要求，结构抗震性能目标为C级，性能水准、构件在各地震水准下的损坏程度如表3所示。5结构抗震性能分析5.1中震等效弹性分析本项目采用YJK与ETABS两种不同力学模型软件进行对比中震等效弹性分析，采用振型分解反应谱计算，考虑偶然偏心，双向地震作用，扭转耦联，结构阻尼比取值 5.5%，中梁刚度放大系数分别为 1.2（边梁）、1.5（中梁），连梁刚度系数分别是0.5（地震）、1.0（风）；主要整体指标如表4所示；计算结果显示：设防地震及风荷载作用下，周期比合理、位移角、扭转位移比、刚度比等计算指标均满足文献 1 限值要求。地震作用采用设防烈度地震，经过文献 1 关于剪重比的调整，地震作用下的基底剪力及倾覆力矩均大于风荷载，塔楼基本为中震起控制作用，由于结构体型为一字长条形状，Y向水平力及倾覆力矩大于X向。风荷载作用下，由于Y向迎风面宽度远大于X向，因此Y向风荷载顶点位移比X向大，各方向均满足文献 1 顶点位移的要求，说明结构具备足够的侧向刚度。5.2中震弹性时程分析采用YJK程序进行了设防地震下的弹性时程分析，按地震波选取三要素（频谱特性，有效峰值和持续时间），选取类场地上5组实际强震记录以及2组人工模拟的场地波进行弹性时程分析；在时程分析中，地震动峰值加速度取值110gal，主方向和次方向的峰