置信廣場(chǎng)超高層結(jié)構(gòu)Pushover推覆分析

周建榮,溫正慧,周增柱,張俊杰

(1.溫州設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,浙江 溫州 325000；2.溫州融地置業(yè)有限公司,浙江 溫州 325000)

置信廣場(chǎng)超高層結(jié)構(gòu)Pushover推覆分析

周建榮1,溫正慧2,周增柱1,張俊杰1

(1.溫州設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,浙江 溫州 325000；2.溫州融地置業(yè)有限公司,浙江 溫州 325000)

溫州置信廣場(chǎng)主塔樓結(jié)構(gòu)高度220 m,為超B級(jí)高度超限高層,采用框架核心筒抗側(cè)力體系。其外圍框架柱為型鋼混凝土柱,其余為鋼筋混凝土構(gòu)件。在此，簡(jiǎn)要介紹該工程的結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)整體計(jì)算指標(biāo)，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析；同時(shí)，對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行大震下的靜力推覆分析,以考察結(jié)構(gòu)在大震下的變形和力學(xué)性能以及結(jié)構(gòu)損傷情況。

靜力彈塑性；時(shí)程分析；midas building；罕遇地震；墻纖維

1 工程概況

溫州置信廣場(chǎng)地處溫州市鹿城區(qū)錦繡路和飛霞南路交叉口,主要規(guī)劃有超高層辦公樓、商業(yè)樓及住宅樓,地上建筑面積89 963 m2,地下室總建筑面積69 546 m2,建筑效果圖見圖1。

主塔樓地上主體52層,高度220 m,地下室2層,屬于B級(jí)高度高層建筑。34層及以上樓層為酒店,34層以下為辦公樓,11層及26層為避難兼機(jī)電設(shè)備層。酒店與辦公區(qū)在33層進(jìn)行轉(zhuǎn)換。該工程抗震設(shè)防烈度為6度,場(chǎng)地類別為Ⅵ類,設(shè)計(jì)地震分組為第一組,設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.05 g,設(shè)計(jì)特征周期為0.65 s。建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí),設(shè)計(jì)使用年限為50年,結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.0。100年重現(xiàn)期基本風(fēng)壓為0.70 kPa,地面粗糙度為B類,基本雪壓為0.35 kPa。

2 結(jié)構(gòu)體系和超限情況

2.1 結(jié)構(gòu)體系

置信廣場(chǎng)主塔樓采用框架核心筒結(jié)構(gòu)體系。為保證地下室頂板的嵌固作用,塔樓地下室頂板厚度均≥200 mm,地下1層的剪切剛度大于地上1層剪切剛度的2倍,滿足嵌固條件。

圖3 酒店區(qū)標(biāo)準(zhǔn)層

圖4 功能轉(zhuǎn)換區(qū)剖面圖

結(jié)構(gòu)平面尺寸為44.5 m×44.5 m,高寬比約為5,核心筒平面基本呈方形,位置居中。核心筒混凝土強(qiáng)度等級(jí)從低到高為C60～C40,核心筒剪力墻厚度從下到上為800～400 mm。圖2為下部辦公區(qū)部位的典型樓層,圖3為上部酒店區(qū)部位的典型樓層。將圖2和圖3對(duì)比可以看出酒店區(qū)部位剪力墻核心筒進(jìn)行了擴(kuò)大,需要結(jié)構(gòu)在33層進(jìn)行功能區(qū)的轉(zhuǎn)換和剪力墻核心筒的外擴(kuò)。其轉(zhuǎn)換情況見圖4。結(jié)構(gòu)外圍框架柱均采用SRC截面柱,鋼骨的含鋼率為4%～5.5%。采用SRC柱是由于其具有較高的承載能力和良好的延性耗能能力,并且也利于建筑防火。塔樓典型框架SRC柱截面尺寸從下到上為φ1600～φ1100,SRC柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)從下到上為C60～C40。

樓蓋體系為鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu)。標(biāo)準(zhǔn)層樓板厚度一般為120 mm,在功能轉(zhuǎn)換區(qū)及上下樓層板厚加厚為200 mm及150 mm,同時(shí)配筋進(jìn)行加強(qiáng)。

置信廣場(chǎng)主塔樓雖然屬于B級(jí)高度的超限高層結(jié)構(gòu),但是由于其高寬比較小,具有足夠的抗側(cè)向力剛度,因此本工程并未采用伸臂桁架加強(qiáng)其剛度。若結(jié)構(gòu)超高,且其高寬比較大,則可采用加強(qiáng)層部位設(shè)置伸臂桁架和外圍桁架提高其抗側(cè)剛度。

2.2 結(jié)構(gòu)超限情況

結(jié)構(gòu)高度220 m,超過A級(jí)高度限值150 m和B級(jí)高度限值200 m,屬于略超B級(jí)高度的超限高層?？紤]偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比超過1.2,但是小于1.4；首層高度9.75 m,層高為辦公區(qū)標(biāo)準(zhǔn)層的2倍。酒店區(qū)中部開大洞,且酒店區(qū)底部3層層高6.6 m,酒店區(qū)其余樓層高度3.5 m。結(jié)構(gòu)在33層進(jìn)行功能區(qū)的轉(zhuǎn)換和剪力墻核心筒的外擴(kuò),且存在局部轉(zhuǎn)換。雖然工程高度220 m超過200 m,但是其高寬比較小,因此采用靜力彈塑性分析方法(Pushover推覆)進(jìn)行彈塑性分析。

2.3 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防性能目標(biāo)

本工程為超B級(jí)高度的超高層建筑。為了確保安全,對(duì)本建筑采用了性能化設(shè)計(jì),抗震性能目標(biāo)設(shè)為D級(jí),主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能目標(biāo)見表1。

表1 抗震設(shè)防性能目標(biāo)D級(jí)

3 多遇地震及風(fēng)荷載作用分析

3.1 彈性靜力分析

本工程采用PKPM SATWE和MIDAS Building軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體彈性計(jì)算分析,計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 主要分析結(jié)果

比較兩種軟件計(jì)算結(jié)果可知,PKPM算得的整體質(zhì)量及基底剪力比Building略微偏大,其他基本一致。兩種軟件的計(jì)算結(jié)果基本是一致的。因此計(jì)算結(jié)果是可靠和可信的。本工程各項(xiàng)整體指標(biāo)均滿足抗震規(guī)范及高層規(guī)范的有關(guān)要求,墻柱軸壓比及構(gòu)件強(qiáng)度和變形均能滿足相關(guān)規(guī)范要求。

3.2 多遇地震作用下彈性時(shí)程分析

采用2組天然波和1組人工波對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性時(shí)程分析。在地震波計(jì)算下,底部剪力均滿足大于CQC法的65%,三組地震波分析所得底部剪力平均值大于CQC法的80%,滿足規(guī)范要求。抗震設(shè)計(jì)時(shí)宜采用三組時(shí)程分析結(jié)果的包絡(luò)值與振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的較大值。在結(jié)構(gòu)低區(qū)反應(yīng)譜法結(jié)果要大于時(shí)程分析法包絡(luò)值結(jié)果;在高區(qū)局部樓層,時(shí)程分析法的包絡(luò)值要大于反應(yīng)譜法結(jié)果。

4 結(jié)構(gòu)大震靜力彈塑性(Pushover)分析

本工程采用MIDAS Building通用有限元軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行Pushover分析。Pushover方法是一種計(jì)算非線性地震反應(yīng)的簡(jiǎn)化方法,因?yàn)楹?jiǎn)便和易操作被認(rèn)為是基于性能分析方法的重要工具[1]。該方法基本原理為對(duì)結(jié)構(gòu)施加沿高度呈某種分布(均勻分布、倒三角、拋物線)的遞增荷載來將結(jié)構(gòu)推覆至位移限值或形成倒塌機(jī)制,了解結(jié)構(gòu)的彈塑性性能以及結(jié)構(gòu)薄弱部位,從而對(duì)結(jié)構(gòu)的薄弱部分進(jìn)行評(píng)估[2]。本工程高度較高,為考慮超高層結(jié)構(gòu)高階振型的影響,因此，本文采用振型分解法得到的沿樓層分布的層剪力作為側(cè)向加載模式來考慮高階陣型的影響。

4.1 材料本構(gòu)關(guān)系

梁柱單元的骨架曲線均采用三折線,計(jì)算時(shí)采用MM相關(guān)曲線來模擬梁彎矩彈塑性本構(gòu)關(guān)系,采用PMM相關(guān)曲面來模擬柱的三維彈塑性本構(gòu)關(guān)系。剪力墻則采用纖維模型來模擬,墻纖維數(shù)量水平和豎向均劃分為4個(gè)。采用纖維模型可以獲得墻體具體部位的變形和受力情況,方便我們判斷墻體的破壞程度?；炷良颁摬臏啬Ｐ偷谋緲?gòu)關(guān)系按規(guī)范取用,見圖5、圖6。

圖5 混凝土單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖6 雙折線鋼筋本構(gòu)關(guān)系

4.2 結(jié)構(gòu)模型的建立及參數(shù)設(shè)置

本工程采用PKPM-SATWE及MIDAS Building軟件完成結(jié)構(gòu)在多遇地震下的彈性計(jì)算。其中MIDAS模型的構(gòu)件截面、材料信息、荷載信息均從PKPM導(dǎo)入并修正,在檢查無誤的基礎(chǔ)上采用MIDAS Building進(jìn)行結(jié)構(gòu)的靜力彈塑性分析。

4.3 靜力彈塑性計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算分析后根據(jù)ATC-40方法確定性能點(diǎn)的位置,性能控制點(diǎn)在一定程度上反映了結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的性能特點(diǎn)。在加載過程中,控制屋頂水平位移超過限值時(shí)結(jié)束推覆分析,從而得到X向及Y向的能力譜和需求譜曲線,他們的交點(diǎn)為性能點(diǎn),見圖7、圖8。從圖中可知X向性能點(diǎn)對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)最大層間位移角1/419,頂點(diǎn)位移為367 mm；Y向性能點(diǎn)對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)的最大層間位移角1/458,頂點(diǎn)位移為373 mm。在罕遇地震作用下,結(jié)構(gòu)無薄弱層,豎向構(gòu)件最大層間位移角滿足規(guī)范1/100的要求且有較大余地。其性能點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果匯總見表3。

表3 性能點(diǎn)處相關(guān)指標(biāo)

圖7 X向 Pushover分析大震下性能點(diǎn)

圖8 Y向 Pushover分析大震下性能點(diǎn)

圖9 Pushover分析大震下層間位移角分布

圖10 Pushover分析大震下樓層剪力分布

圖11 Pushover分析大震下框架鉸狀態(tài)(17層)

圖12 Pushover分析大震下剪力墻鉸狀態(tài)(17層)

大震彈塑性相關(guān)計(jì)算結(jié)果圖形見圖9～12。根據(jù)計(jì)算分析可知,結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下未出現(xiàn)較大不可恢復(fù)的變形和破壞,滿足“大震不倒”的抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)。在性能點(diǎn)處,底部加強(qiáng)部位的剪力墻及框架柱均未出現(xiàn)較大的變形和破壞,連梁及框架梁部位有塑性鉸出現(xiàn)。上部的塑性變形主要集中在功能轉(zhuǎn)換區(qū)部位,但是塑性變形區(qū)域不多。推覆分析下X向的基底剪力為49 360 kN,為反應(yīng)譜法的4.35倍；Y向基底剪力為50 190 kN,為基底剪力法的4.39倍。結(jié)構(gòu)兩個(gè)方向的剛度幾乎一樣,因此兩個(gè)方向的基底剪力及樓層剪力分布也基本一致。一般情況下,性能點(diǎn)處的基底剪力約為反應(yīng)譜法分析得出的基底剪力的3～5倍。由此可知基底剪力計(jì)算結(jié)果還是非常一致的。該結(jié)構(gòu)塑性變形區(qū)域并不多,而且最大位移角為1/419(X向)和1/458(Y向),同規(guī)范的1/100相比留有較大余地。這是由于該建筑高寬比較小,且核心筒尺寸較大,整體剛度較大,因此,具有較好的抗震性能。

5 結(jié) 語

本文對(duì)置信廣場(chǎng)超高層結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行了分析。在多遇地震作用下,其周期比、側(cè)向剛度、豎向規(guī)則性等指標(biāo)均符合現(xiàn)行規(guī)范的要求；在罕遇地震作用下,結(jié)構(gòu)能滿足變形要求與重要構(gòu)件不發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞的設(shè)防要求。剪力墻底部加強(qiáng)部位軸壓比較小,只有連梁部位出現(xiàn)了極少部位的塑性變形；整體結(jié)構(gòu)框架部分也只有少量框架梁產(chǎn)生了塑性鉸。因此該結(jié)構(gòu)在遭遇罕遇地震作用下時(shí),能滿足“小震不壞,中震可修,大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo),是安全可靠的。

[1] 傅學(xué)怡.實(shí)用高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2010.

[2] 扶長生,張小勇.推覆分析的原理和實(shí)施[J].建筑結(jié)構(gòu),2012,42(11):1-10.

Pushover Analysis on the Super High-Rise Structure of Zhixin Square

ZHOUJianrong1,WENZhenghui2,ZHOUZengzhu1,ZHANGJunjie1

2017-02-24

周建榮(1985—)，男，浙江樂清人，工程師，從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及研究工作。

TU973+.2;TU311.3

B

1008-3707(2017)03-0009-05