基于性能的抗震設(shè)計在某超限高層中的應(yīng)用

許

1 工程概況

大連某高層建筑為塔樓帶三層地下室及兩層裙樓,塔樓主體高47層,室外地坪至主要屋面的高度為163.2 m。本工程主體結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土框架—核心筒結(jié)構(gòu)。

本工程設(shè)計使用年限為50年,結(jié)構(gòu)安全等級為二級,抗震設(shè)防烈度為7度,抗震設(shè)防類別為丙類。場地類別為Ⅱ類,設(shè)計地震分組為第一組,設(shè)計地震加速度為0.10g?？拐鸬燃?地上主體為一級,地下1層為一級,地下2層、3層為三級?；撅L(fēng)壓按100年一遇,取為0.75 kN/m2。

根據(jù)勘察報告,建筑場地類別為Ⅱ類。場地穩(wěn)定,適宜擬建建筑物。根據(jù)地震安全性評價報告,不存在產(chǎn)生地震地質(zhì)災(zāi)害的不利條件?？垢≡O(shè)計地下水位可按海拔標高2.5 m考慮?；A(chǔ)設(shè)計采用天然地基上平板式筏形基礎(chǔ),筏板厚度270 mm,持力層為中風(fēng)化石英巖。

本工程平面、立面規(guī)則,但塔樓核心筒的高寬比為21.6,超過高規(guī)不宜超過12的要求。本工程屬B級高度高層,已屬超限高層,其中高度超A級高度(130 m)25.5%;高寬比為6.94,超A級高度(6)15.6%,未超過 B級高度高寬比限值 7。

2 結(jié)構(gòu)性能目標的選定

根據(jù)本工程的超限情況,設(shè)計師通過對工程的具體把握,以及與業(yè)主溝通的結(jié)果,選定了本工程的抗震性能目標為文獻[1]中所提出的D級:小震下滿足性能水準1a要求,中震下滿足性能水準3要求,大震下滿足性能水準4要求。

結(jié)構(gòu)抗震性能水準1a,3,4的具體要求如下:1)1a—結(jié)構(gòu)在地震后完好,無損傷,一般不需修理即可繼續(xù)使用,人們不會因結(jié)構(gòu)損傷造成傷害,可安全出入和使用。2)3—地震后結(jié)構(gòu)的薄弱部位和重要部位的構(gòu)件輕微損傷,出現(xiàn)輕微裂縫,其他部位有部分選定的具有延性的構(gòu)件發(fā)生中等損壞,出現(xiàn)明顯的裂縫,進入屈服階段,需要修理并采取一些安全措施才可繼續(xù)使用。3)4—結(jié)構(gòu)在地震下發(fā)生中等程度的破壞,多數(shù)構(gòu)件輕微損壞,部分構(gòu)件中等損壞,進入屈服,有明顯的裂縫,需要采取安全措施,人們不能安全出入;經(jīng)過修理、適當加固后才可繼續(xù)使用。

3 結(jié)構(gòu)體系及結(jié)構(gòu)布置

筒體相對于整個建筑物平面來說,無論從長度和寬度上來說都顯得尺寸有限,僅有筒體的計算結(jié)果表明Y向各項指標不能滿足高規(guī)要求。由于建筑功能要求筒體 Y向尺寸不能增加,所以在Y向?qū)⑼搀w墻向外伸出共8個落地墻肢,形成了現(xiàn)有的平面結(jié)構(gòu)布置形式。綜合考慮經(jīng)濟性與合理性,在地下1層～15層采用型鋼混凝土柱,改善了結(jié)構(gòu)整體剛度,增加了柱子的延性。

4 結(jié)構(gòu)性能目標的實現(xiàn)

4.1 小震作用下性能水準1a

整體結(jié)構(gòu)計算采用SATWE高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析與設(shè)計軟件及TAT多層及高層建筑結(jié)構(gòu)三維分析與設(shè)計軟件。SATWE最后的計算結(jié)果見表1。

表1 SA TWE最后計算結(jié)果

由表1可知,該結(jié)構(gòu)各項指標均符合高規(guī)的要求,周期比和位移比均滿足規(guī)范,較好的控制了結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng);各層樓層側(cè)向剛度不小于相鄰上部樓層側(cè)向剛度的70%或其上相鄰3層側(cè)向剛度平均值的80%,結(jié)構(gòu)豎向布置規(guī)則,無薄弱層;層間位移角及結(jié)構(gòu)頂點最大加速度限值滿足規(guī)范,滿足了結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度和舒適度的要求;剛重比大于1.4,保證了高層建筑結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定;剛重比大于2.7,不考慮重力二階效應(yīng)。另外,計算中還考慮了0.2Q0調(diào)整,以此保證框架作為第二道防線的安全。

彈性時程分析選用RH1TG035人工波和TH2TG035,TH4TG035兩條天然波進行計算。計算結(jié)果均滿足《高規(guī)》要求。時程分析的結(jié)果與振型分解反應(yīng)譜法在統(tǒng)計意義上相符,結(jié)構(gòu)地震作用效應(yīng)取時程計算結(jié)果的平均值與振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的較大值。

4.2 中震作用下性能水準3

該性能水準要求在設(shè)防烈度的地震作用下,結(jié)構(gòu)可進入非彈性工作階段,結(jié)構(gòu)體系的損壞控制在可修復(fù)的范圍以內(nèi),且需要確保重要的結(jié)構(gòu)構(gòu)件,如框支柱、剪力墻底部加強部位、框支梁始終保持不屈服。中震烈度比多遇地震烈度約大1.55°,采用SATWE軟件進行中震不屈服驗算,計算分析中將結(jié)構(gòu)的水平地震影響系數(shù)αmax由小震下的 0.08調(diào)整到中震時的 0.23;取消組合內(nèi)力調(diào)整(強柱弱梁,強剪弱彎,強節(jié)點弱構(gòu)件的調(diào)整);荷載作用分項系數(shù)取1.0(組合值系數(shù)不變);材料強度取標準值;抗震承載力調(diào)整系數(shù)取1.0。分析中,考慮了結(jié)構(gòu) p—Δ效應(yīng)的影響。計算結(jié)果表明框支柱、框支梁均沒有出現(xiàn)塑性鉸,落地剪力墻底部剪力和彎矩也均未超過其承載力。

4.3 大震作用下性能水準4

彈塑性時程分析使用BEPTA軟件,計算表明在罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的最大側(cè)向位移滿足規(guī)范規(guī)定的水平位移限值和舒適度要求。結(jié)構(gòu)基本上沒有扭轉(zhuǎn)效應(yīng),結(jié)構(gòu)的第一批塑性鉸出現(xiàn)在局部樓層梁上。隨著水平力的增大,底部剪力墻進入塑性,而且在此后的過程中,底層的剪力墻始終處于比較薄弱的部位,但由于四周的型鋼混凝土柱絕大部分沒有進入塑性,因此仍然能夠繼續(xù)承載。結(jié)構(gòu)的最終破壞機制為底部剪力墻達到塑性極限變形破壞。極限狀態(tài)時,筒體四周的型鋼混凝土柱基本上未進入塑性。

5 構(gòu)造措施

本工程部分柱采用型鋼混凝土柱,最高混凝土強度等級為C60,在一級抗震軸壓比的控制下,剪跨比小于1.5的柱能夠避免,但剪跨比小于2的柱仍然存在。對剪跨比小于2的柱從以下幾個方面進行了控制:1)控制軸壓比,在規(guī)范限值基礎(chǔ)上再減0.1,因為控制軸壓比可以保證柱子的延性;2)柱全高范圍內(nèi)箍筋加密,箍筋間距為100 mm,箍筋肢距小于200 mm,并采用井字復(fù)合箍,體積配箍率不小于1.2%,這樣可以提高對混凝土的約束作用,防止縱向鋼筋壓屈和保證受剪承載力,符合了強剪弱彎的原則;3)限制柱中縱向鋼筋配筋率,每側(cè)縱向鋼筋配筋率不大于1.2%。除此之外其他控制措施還要對邊柱、角柱和剪力墻端柱縱向鋼筋總面積在計算結(jié)果基礎(chǔ)上增加25%,角柱箍筋全高加密。

剪力墻作為結(jié)構(gòu)的第一道防線,要保證足夠的延性和耗能能力。對剪力墻從如下幾個方面進行了控制:剪力墻加強區(qū)取地下室頂板以上H/8范圍,同時高出裙樓一層,并延伸至地下1層,加強區(qū)設(shè)約束邊緣構(gòu)件,控制各墻肢的軸壓比在地下1層不超過0.5。約束邊緣構(gòu)件在箍筋范圍內(nèi)的縱筋配筋率不小于1.2%,體積配箍率嚴格按照高規(guī)的配箍特征值計算并控制,箍筋間距為100 mm?？刂萍袅Φ募魬?yīng)力并控制連梁的跨高比大于2小于5,連梁箍筋間距全長100 mm。本工程筒體是剪力墻中的主要部分,在筒體角部沿全高設(shè)置了約束邊緣構(gòu)件,構(gòu)件長度取墻長的1/4,在加強區(qū)內(nèi)全部采用箍筋,角部邊緣構(gòu)件中加設(shè)型鋼。

6 結(jié)語

本文采用基于性能的抗震設(shè)計方法,對大連某高度超限高層結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計。經(jīng)遼寧省超限高層建筑工程抗震設(shè)防審查專家委員會評審,肯定我們在抗震設(shè)計中選用的結(jié)構(gòu)布置合理、規(guī)則,結(jié)構(gòu)具有較強的剛度,計算結(jié)果及抗震措施滿足規(guī)范和抗震設(shè)防要求。

[1] 徐培福.復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005.