通州新北京中心项目9B楼超高层结构设计

2016-04-28束伟农张建良赵东卓

四川建筑 2016年1期

关键词：超高层建筑弹塑性剪力墙

石　异, 束伟农, 周　钢, 孙　鹏, 张建良, 赵东卓, 侯　砚

(北京市建筑设计研究院有限公司，北京 100045)

通州新北京中心项目9B楼超高层结构设计

石异, 束伟农, 周钢, 孙鹏, 张建良, 赵东卓, 侯砚

(北京市建筑设计研究院有限公司，北京 100045)

【摘要】通州新北京中心项目9B楼位于北京市通州区，高度为151.89 m的框架-剪力墙结构，属于高度超限结构。文章介绍了该公寓楼的设计要点，并通过弹塑性分析着重研究结构在罕遇地震下的受力特点和抗震性能。

【关键词】超高层建筑;剪力墙;弹塑性;外框柱

1工程概况与设计标准

工程建设地点位于北京市通州区新华北路东约100 m，通惠河北侧。9B楼长43.3 m、宽26.5 m，层数41层，高度为151.89 m。地上1～3层为商业，层高分别为6 m、5.1 m、5.1 m；4层为设备层，层高2.19 m；15层、28层为避难层，层高为4.2 m；其余为公寓，层高为3.5 m、3.7 m。9B楼建筑效果图见图1，剖面图见图2。

图1　建筑效果图

图2　建筑剖面

结构设计使用年限为50年，抗震设防烈度为8度，抗震设防类别为丙类，设计基本地震加速度值为0.20 g。建筑结构的安全等级为二级。场地类别为III类，特征周期0.42 s(剪切波速230 m/s内插值)，设计地震分组为第一组。

2结构体系及超限情况

2.1结构体系

本工程采用框架-剪力墙结构。外框架与核心筒之间的距离X向为11.05 m，Y向为10.4 m。由于Y向刚度偏弱，在Y向的核心筒东西两侧对应位置上设置了剪力墙。核心筒外墙厚度为1 000～400 mm，外框柱底层1 500 mm×800 mm，至顶层逐渐缩减为1 500 mm×500 mm，角柱为1 100 mm×1 100 mm。建筑标准层平面见图3。

图3　建筑标准层平面

2.2结构的超限情况

本工程根据建质[2010]109号《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》，对规范涉及结构不规则性的条文进行了检查，本工程属超B级高度的房屋。

3高度超限应对措施及分析结论

本工程抗震设防类别为丙类，抗震措施按8度要求。弹性分析阻尼比取值0.05，弹塑性分析阻尼比取值0.06。风荷载按重现期50年进行取值，为0.45 kN/m2(计算按1.1倍采用)；地面粗糙度为B类；风荷载体型系数和风振系数依据荷载规范取值；雪荷载按重现期50年进行取值，为0.40 kN/m2。

3.1高度超限应对措施

3.1.1分析模型及分析软件

(1)采用两个不同力学模型的空间分析程序PKPM-SATWE和MIDAS GEN进行对比校核计算，检查小震下整体结构各项指标是否满足规范要求。

(2)中震计算取GB50011-2010《建筑抗震设计规范》提供的地震动参数，验算各构件符合中震作用下的性能目标。对于中震时出现小偏心受拉的混凝土构件，拉应力超过混凝土抗拉强度标准值设置型钢承担所有拉应力。

(3)在罕遇地震作用下，拟进行静力弹塑性分析，找出结构薄弱部位，并观察结构在罕遇地震力作用下的塑性铰发展趋势。检验结构在罕遇地震下的弹塑性变形满足规范限值1/100要求，保证大震不倒的设防目标。

(4)验算在10年一遇的风荷载作用下建筑使用的舒适度，满足规范要求。

3.1.2抗震设计性能目标及加强措施

(1) 在双向水平地震作用下，底部加强部位的墙肢，偏压承载力按中震不屈服设计，受剪承载力满足中震弹性和大震下的截面剪应力控制要求。加强部位以上的主要墙肢，受剪承载力满足中震不屈服的要求。墙肢的约束边缘构件延伸至轴压比0.25的高度;底部加强部位墙肢拉应力超过ftk时，构件内设置型钢承担拉力，对拉应力较大(≥1.5ftk)的主要墙肢，其偏拉承载力按中震弹性设计。

(2) 底部加强部位的框架柱，计入多道防线，偏压和偏拉承载力按中震不屈服设计，受剪承载力满足中震弹性的要求；加强部位以上框架柱受剪承载力满足中震不屈服的要求。

3.2分析结论

3.2.1多遇地震反应谱分析结果

结构计算分析的过程中，考虑了以下的结构假定，以模拟结构的真实受力状态，分析结果见表1。

(1)本工程以地下室顶板(±0.000)作为上部结构的嵌固端；

(2)开洞楼板较大处考虑楼板平面外弹性假定；

(3)结构整体的施工模拟，依照施工顺序，逐层叠加，形成刚度和分层加载。

表1　多遇地震反应谱分析结果

两个程序的计算结果基本相符，可以认为计算模型正确有效。在后续的设计阶段中，按照多个程序结果的包络进行设计，能够保证结构的安全。

3.2.2时程分析与振型分解反应谱法计算的地震作用效应比较

本工程弹性时程计算采用PKPM-SATWE，阻尼比为0.05。计算时采用北京震泰工程有限公司提供的五条天然波和两条人工波，根据《场地地震安全性评估报告》时程曲线峰值加速度取80 gal,分析结果见表2。

表2　时程分析与振型分解反应谱法计算结果比较

从计算结果可以看出，每条时程曲线计算所得的结果底部剪力大于振型分解反应谱法求得的底部剪力的65 %，多条时程曲线计算所得的结构底部剪力的平均值也大于振型分解反应谱法求得的底部剪力的80 %，满足GB50011-2010《建筑抗震设计规范》第5.1.2的要求。

3.2.3中震反应谱分析结果

由于本工程高度超限，为保证结构的安全，设计中提高了重要结构构件的安全度水平，对于底部加强区剪力墙及框架柱受剪承载力按中震弹性设计，对于底部加强区剪力墙及框架柱受弯承载力按中震不屈服设计。

在中震作用下剪力墙受剪承载力满足中震弹性的设防目标，部分连梁、楼面梁出现超筋，剪力墙受弯承载力和外框柱经中震不屈服验算，满足中震不屈服的设防目标。

中震作用下底部部分墙肢出现拉应力，根据出现拉应力大小，施工图设计时在拉应力超过混凝土抗拉强度标准值墙肢中设置型钢，且型钢应能承担所有中震作用下产生的拉力，外框架的型钢配置也应满足中震的拉力要求需要。

3.2.4静力弹塑性计算结果

在Pushover分析曲线中，性能控制点对应的结构层间位移角小于规范规定的限值。从结构的出铰部位和顺序来看，在设防烈度地震的作用下，结构在一些连梁和剪力墙中出现了少量塑性铰；在罕遇地震作用下，结构的一部分连梁和剪力墙出现了塑性铰，且一些塑性铰屈服程度较深(图4、图5)。但从基底剪力—顶点位移相关曲线上可以看到，整体结构仍处于强化上升的工作阶段，因此结构能够经受罕遇地震的考验。