杭州余政储出5 号楼结构设计

2015-03-23李松

浙江建筑 2015年8期

李松

LI Song

(浙江西城工程设计有限公司，浙江杭州310023)

1 工程概况

余政储出［2012］63 号地块位于浙江省杭州市余杭区，紧邻地铁1 号线临平站，南邻临东路，西临迎宾路，东邻八号路，交通便利，自然条件良好。其5#楼屋面结构高度162.2 m，建筑平面为矩形，结构布置比较规则对称。该楼建筑造型轻盈挺拔，建筑效果图及剖面图见图1、图2。该楼地面以上38 层(含屋顶机房层)，主要用于银行、餐饮、办公等商业功能，地面以下2 层，主要为停车场、管理用房及各类机电设备用房。该楼设计使用年限为50年，安全等级为二级，建筑抗震设防类别为丙类。

2 结构体系

杭州余政储出5#楼高度较高，采用框-筒结构。核心筒剪力墙采用现浇钢筋混凝土，具有刚度大，耐火性能好，初始造价和后期维护的费用都较低的特点。筒体一直延伸至塔楼顶部，外包尺寸为28.8 m×12.6 m。框架由混凝土柱和混凝土梁组成，外框架梁截面为400 mm ×850 mm，内部框架梁截面500 mm × 900 mm，次梁截面为300 mm ×700 mm，结构布置图见图3、图4。楼板基本无开洞，楼板削弱较少，能够协同框架与剪力墙的整体受力，门厅位置有较大洞口，存在楼板局部缺失。

图1 建筑效果图

图2 剖面图

3 主要设计参数

3.1 基本荷载取值

结构自重程序自动计算，楼面活荷载按规范［1］取值:门厅、走廊2.5 kN/m2，独立卫生间2.5 kN/m2，公共卫生间8. 0 kN/m2，楼梯3.5 kN/m2，避难层7.0 kN/m2，设备房5.0 kN/m2。

3.2 风荷载、雪荷载及地震作用

采用50年一遇基本风压0.45 kN/m2，房屋高度大于60 m 时，承载力设计时风荷载效应放大系数为1. 1，地面粗糙度按C 类考虑。基本雪压取0.45 kN/m2。根据建筑抗震设计规范［2］，杭州市抗震设防烈度为6 度，设计基本地震加速度值为0.05 g，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅲ类，场地特征周期为0.45 s。多遇地震作用下结构阻尼比取0.05。

4 结构难点及抗震性能设计

本工程为框架-核心筒结构的超限建筑，如何发挥结构核心筒与框架的空间协同能力及保证剪力墙的延性成为设计难点。通过分析研究制定了结构抗震性能目标:小震下结构处于弹性状态，控制结构的抗震承载力并使层间位移满足抗规要求;中震下底部加强区部位竖向构件按中震不屈服设计;大震下主体结构部件处于弹塑性状态，控制最大层间位移角。

5 计算模型与计算分析

利用PKPM 和Midas 两种软件进行弹性分析并作比较，另附以PKPM 弹性时程分析进行补充分析，且两种软件分析所建立的模型，在设计参数、构建材料尺寸，荷载取值等方面保持一致性。用PKPM 分析时，梁柱按杆单元、剪力墙按墙单元、楼板按板单元进行计算;用Midas 分析时，梁柱按梁单元、剪力墙和楼板按板单元进行计算。

表1 周期和振型

图3 3～9 层结构布置

图4 其他标准层结构布置

5.1 弹性分析

经验算，本工程地下1 层侧向刚度大于首层侧向刚度的2 倍，地下室顶板具备了作为嵌固层的必要条件，同时地下室顶板构造满足建筑抗震设计规范相关构造要求，据此，取地下室顶板作为上部结构的嵌固端。本工程采用考虑扭转耦联振型反应谱法，分别计算X、Y 两个方向的地震水平作用。将SATWE 与Midas 的计算结果进行比较，所得的周期比、倾覆力矩、最大位移等见表1～3。

表2 基底剪力和倾覆弯矩

表3 顶点位移与最大位移角

由表1～3 可知，结构的最大层间位移角满足抗规要求，周期比小于0.85，考虑偶然偏心作用，X 向竖向构件位移比均小于1.2，计算得出结构的刚重比均大于2.7，可不考虑二阶效应［3］。地震作用下X 向的层间位移角见图5。

图5 X 向的层间位移角

5.2 弹性时程分析

采用弹性时程分析法进行多遇地震补充验算时，当取三组加速度时程曲线输入时，计算结果宜取时程法包络值和振型分解法的较大值。选取2 组天然波和1 组人工合成的加速度时程波进行弹性时程分析，每组时程波均按3 个方向输入，加速度有效峰值为18 cm/s2，三向输入比例为:水平主向：水平次向：竖向=1.00：0.85：0.65。计算所得到结构底部剪力及其与规范反应谱作用下底部剪力比见表4。

表4 弹性时程分析法基底剪力

由表4 可知，各时程波基底剪力满足不小于反应谱剪力65%的要求，其平均值也满足不小于反应谱80%的要求。

6 罕遇地震作用下结构弹塑性动力分析

罕遇地震作用下的结构弹塑性动力分析采用Computer and Structures，Inc 的三维非线性结构分析软件Perform 3D，得到结构反应的时间历程，判断抗侧力体系的损伤程度和达到的性能水平，考察结构顶点位移、层间位移角、基底剪力等整体性能，并考察应力和变形的集中情况以及结构的屈服机制、薄弱环节及可能破坏类型，提出可供设计参考的加强措施来保证结构在罕遇地震作用下具有较好的承载能力和延性，保证结构满足罕遇地震作用下的抗震性能目标［4］。

6.1 构件物理模型

在Perform-3D 中建立空间三维非线性分析模型中，墙单元截面采用含钢筋纤维和混凝土纤维的纤维截面及非弹性剪切纤维来模拟，连梁采用跨中设置剪切铰的纤维截面杆单元模拟，框架梁柱采用纤维截面杆件单元模拟，在保证构造措施的前提下，不考虑钢筋的滑移，钢筋和混凝土之间完好粘接且变形协调。

表5 地震波主要特性参数

6.2 计算结果及分析

本工程选取三组地震波来进行弹塑性时程分析，其主要特性参数见表5，水平地震影响系数最大值为0.28，特征周期0.45 s，各地震作用有效持续时间为结构基本周期的4.8～7.4 倍。得到的层间位移角最大值包络曲线见图6。当DZ2 以Y 方向为主方向输入时，在结构32 层处的层间位移角最大，三条地震波输入都出现最大层间位移角的楼层为30层附近，结构的层间位移角均小于规范规定弹塑性层间位移角限制1/100。

图6 层间位移角最大值包络曲线

通过观察结构的整体塑性发展过程可知:初始阶段，结构整体无任何损伤，整体处于弹性状态;随着地震波幅值增大，少量连梁和框架开始进入塑性状态，框架柱和剪力墙依然保持弹性;接近地震波最大峰值时，底部剪力墙和上部局部墙肢混凝土开裂，框架梁开始进入塑性状态;达到峰值后的一段时间，上部剪力墙逐步进入塑性状态，但框架柱依然保持弹性状态;地震将结束时，剪力墙进一步开裂，部分连梁受剪屈服，部分框架梁受弯屈服，框架柱仍然保持弹性，直至地震波结束，整体塑性不再继续发展，结构宏观损坏程度为“中度损坏”。

7 工程技术措施

为保证结构具有足够的强度和延性，加强外部框架与内筒的联系及协同受力能力，对结构重要部位采取如下加强措施。

(1)剪力墙底部加强部位抗震构造措施提高至一级。底部加强区框柱轴压比控制在0.75 以内，设计时将底部加强区墙身水平和竖向分布筋最小配筋率提高到0.4%，其他部位剪力墙最小配筋率提高到0.3%;对于个别剪切屈服应变等级超过5 级的，其边缘构件纵筋配筋率为约束边缘构件时不小于1.5%，为构造边缘构件时改为约束边缘构件。

(2)设置约束边缘构件上两层为过渡层，适当加强过渡层配筋。

(3)按照规范、计算和构造要求，适当提高连梁配箍率及腰筋，对高跨比较大的连梁，适当设置斜向交叉暗撑。

(4)对楼板应力较大部位选取合适的楼板厚度，并采用双层双向配筋，局部应力较大位置根据计算结果加大配筋，并控制钢筋应力。