基于性能的抗震设计在某超限高层中的应用

2010-07-17许

山西建筑 2010年16期

许

1 工程概况

大连某高层建筑为塔楼带三层地下室及两层裙楼,塔楼主体高47层,室外地坪至主要屋面的高度为163.2 m。本工程主体结构形式为钢筋混凝土框架—核心筒结构。

本工程设计使用年限为50年,结构安全等级为二级,抗震设防烈度为7度,抗震设防类别为丙类。场地类别为Ⅱ类,设计地震分组为第一组,设计地震加速度为0.10g。抗震等级:地上主体为一级,地下1层为一级,地下2层、3层为三级。基本风压按100年一遇,取为0.75 kN/m2。

根据勘察报告,建筑场地类别为Ⅱ类。场地稳定,适宜拟建建筑物。根据地震安全性评价报告,不存在产生地震地质灾害的不利条件。抗浮设计地下水位可按海拔标高2.5 m考虑。基础设计采用天然地基上平板式筏形基础,筏板厚度270 mm,持力层为中风化石英岩。

本工程平面、立面规则,但塔楼核心筒的高宽比为21.6,超过高规不宜超过12的要求。本工程属B级高度高层,已属超限高层,其中高度超A级高度(130 m)25.5%;高宽比为6.94,超A级高度(6)15.6%,未超过 B级高度高宽比限值 7。

2 结构性能目标的选定

根据本工程的超限情况,设计师通过对工程的具体把握,以及与业主沟通的结果,选定了本工程的抗震性能目标为文献[1]中所提出的D级:小震下满足性能水准1a要求,中震下满足性能水准3要求,大震下满足性能水准4要求。

结构抗震性能水准1a,3,4的具体要求如下:1)1a—结构在地震后完好,无损伤,一般不需修理即可继续使用,人们不会因结构损伤造成伤害,可安全出入和使用。2)3—地震后结构的薄弱部位和重要部位的构件轻微损伤,出现轻微裂缝,其他部位有部分选定的具有延性的构件发生中等损坏,出现明显的裂缝,进入屈服阶段,需要修理并采取一些安全措施才可继续使用。3)4—结构在地震下发生中等程度的破坏,多数构件轻微损坏,部分构件中等损坏,进入屈服,有明显的裂缝,需要采取安全措施,人们不能安全出入;经过修理、适当加固后才可继续使用。

3 结构体系及结构布置

筒体相对于整个建筑物平面来说,无论从长度和宽度上来说都显得尺寸有限,仅有筒体的计算结果表明Y向各项指标不能满足高规要求。由于建筑功能要求筒体 Y向尺寸不能增加,所以在Y向将筒体墙向外伸出共8个落地墙肢,形成了现有的平面结构布置形式。综合考虑经济性与合理性,在地下1层～15层采用型钢混凝土柱,改善了结构整体刚度,增加了柱子的延性。

4 结构性能目标的实现

4.1 小震作用下性能水准1a

整体结构计算采用SATWE高层建筑结构空间有限元分析与设计软件及TAT多层及高层建筑结构三维分析与设计软件。SATWE最后的计算结果见表1。

表1 SA TWE最后计算结果

由表1可知,该结构各项指标均符合高规的要求,周期比和位移比均满足规范,较好的控制了结构的扭转效应;各层楼层侧向刚度不小于相邻上部楼层侧向刚度的70%或其上相邻3层侧向刚度平均值的80%,结构竖向布置规则,无薄弱层;层间位移角及结构顶点最大加速度限值满足规范,满足了结构侧向刚度和舒适度的要求;刚重比大于1.4,保证了高层建筑结构的整体稳定;刚重比大于2.7,不考虑重力二阶效应。另外,计算中还考虑了0.2Q0调整,以此保证框架作为第二道防线的安全。

弹性时程分析选用RH1TG035人工波和TH2TG035,TH4TG035两条天然波进行计算。计算结果均满足《高规》要求。时程分析的结果与振型分解反应谱法在统计意义上相符,结构地震作用效应取时程计算结果的平均值与振型分解反应谱法计算结果的较大值。

4.2 中震作用下性能水准3

该性能水准要求在设防烈度的地震作用下,结构可进入非弹性工作阶段,结构体系的损坏控制在可修复的范围以内,且需要确保重要的结构构件,如框支柱、剪力墙底部加强部位、框支梁始终保持不屈服。中震烈度比多遇地震烈度约大1.55°,采用SATWE软件进行中震不屈服验算,计算分析中将结构的水平地震影响系数αmax由小震下的 0.08调整到中震时的 0.23;取消组合内力调整(强柱弱梁,强剪弱弯,强节点弱构件的调整);荷载作用分项系数取1.0(组合值系数不变);材料强度取标准值;抗震承载力调整系数取1.0。分析中,考虑了结构 p—Δ效应的影响。计算结果表明框支柱、框支梁均没有出现塑性铰,落地剪力墙底部剪力和弯矩也均未超过其承载力。

4.3 大震作用下性能水准4

弹塑性时程分析使用BEPTA软件,计算表明在罕遇地震作用下结构的最大侧向位移满足规范规定的水平位移限值和舒适度要求。结构基本上没有扭转效应,结构的第一批塑性铰出现在局部楼层梁上。随着水平力的增大,底部剪力墙进入塑性,而且在此后的过程中,底层的剪力墙始终处于比较薄弱的部位,但由于四周的型钢混凝土柱绝大部分没有进入塑性,因此仍然能够继续承载。结构的最终破坏机制为底部剪力墙达到塑性极限变形破坏。极限状态时,筒体四周的型钢混凝土柱基本上未进入塑性。

5 构造措施

本工程部分柱采用型钢混凝土柱,最高混凝土强度等级为C60,在一级抗震轴压比的控制下,剪跨比小于1.5的柱能够避免,但剪跨比小于2的柱仍然存在。对剪跨比小于2的柱从以下几个方面进行了控制:1)控制轴压比,在规范限值基础上再减0.1,因为控制轴压比可以保证柱子的延性;2)柱全高范围内箍筋加密,箍筋间距为100 mm,箍筋肢距小于200 mm,并采用井字复合箍,体积配箍率不小于1.2%,这样可以提高对混凝土的约束作用,防止纵向钢筋压屈和保证受剪承载力,符合了强剪弱弯的原则;3)限制柱中纵向钢筋配筋率,每侧纵向钢筋配筋率不大于1.2%。除此之外其他控制措施还要对边柱、角柱和剪力墙端柱纵向钢筋总面积在计算结果基础上增加25%,角柱箍筋全高加密。

剪力墙作为结构的第一道防线,要保证足够的延性和耗能能力。对剪力墙从如下几个方面进行了控制:剪力墙加强区取地下室顶板以上H/8范围,同时高出裙楼一层,并延伸至地下1层,加强区设约束边缘构件,控制各墙肢的轴压比在地下1层不超过0.5。约束边缘构件在箍筋范围内的纵筋配筋率不小于1.2%,体积配箍率严格按照高规的配箍特征值计算并控制,箍筋间距为100 mm。控制剪力墙的剪应力并控制连梁的跨高比大于2小于5,连梁箍筋间距全长100 mm。本工程筒体是剪力墙中的主要部分,在筒体角部沿全高设置了约束边缘构件,构件长度取墙长的1/4,在加强区内全部采用箍筋,角部边缘构件中加设型钢。