兰州地铁控制中心框架-双核心筒结构设计与分析

袁涛涛

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安　710043)



兰州地铁控制中心框架-双核心筒结构设计与分析

袁涛涛

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安710043)

摘要：兰州地铁1～5号线控制中心主体结构为设计使用年限100年建筑，采用钢筋混凝土框架-双核心筒结构体系。介绍荷载取值、地震动参数、耐久性等参数的选取，阐明结构布置的整体构思，并采用STAWE、PMSAP、ETABS软件对主体结构进行整体计算对比分析，同时采用弹性时程分析法进行补充计算分析。通过计算分析，找出结构的关键部位，并采取针对性的抗震加强措施。分析结果表明：在地震作用下，主体结构具有很好的抗侧刚度、较好的抗震性能，是高层建筑结构中较为经济、合理的一种结构体系。

关键词：设计使用年限100年；框架-双核心筒；结构布置；结构计算分析；抗震加强措施

1工程概况

兰州地铁1 ～5号线控制中心位于兰州市东岗区，主体建筑地上23层，1～9层层高4.5 m，10～23层层高4.2 m；地下2层，层高均为5.7 m；建筑高度99.75 m；建筑面积约4.58万m2。该工程是集地下停车、地铁设备用房、地铁1～5号线指挥调度、办公的综合性建筑，建筑效果图见图1。

图1　地铁控制中心建筑效果图

该工程设计使用年限为100年，安全等级一级，结构重要性系数γ0取1.1。抗震设防烈度8度，设计地震分组第三组，建筑场地类别Ⅱ类，抗震设防类别为重点设防(乙类)。基础形式为桩筏基础，地基基础设计等级为甲级。

2设计使用年限100年设计参数

地铁控制中心主楼具有地铁行车调度、防灾指挥、设备调度、运营调度和指挥功能，为地震时使用功能不能中断的建筑，需提高设防标准并根据文献[1]第1.0.12条，确定该建筑结构设计使用年限为100年。

2.1荷载取值

《建筑结构荷载规范》(GB5009—2012)[2]中规定：荷载标准值设计基准期为50年，设计使用年限50年的建筑进行结构设计时可直接取文献[2]中荷载标准值进行计算。设计使用年限超过50年的建筑，则不能直接引用文献[2]中的荷载标准值，对于该类建筑，则应通过结构重要性系数γ0对其荷载取值进行调整，本工程设计使用年限100年的建筑，取结构重要性系数γ0=1.1对荷载值进行调整。基本风压和基本雪压按文献[2]规定，取本地区100年一遇的荷载标准值。

2.2地震动参数

对于设计使用年限超过50年的结构，其地震作用应适当放大[3-5]。根据《建筑抗震设计规范》(GB5011—2010)[6]及《建筑工程抗震性态设计通则》(CECS160：2004)可知结构设计使用年限为100年时，水平地震影响系数最大值宜取50年设计基准期下的1.3～1.4倍，即αmax=0.16×(1.3～1.4)=0.208～0.224。另根据《兰州轨道交通1号线一期工程地震安全性评价》提供该工程的水平地震影响系数最大值和特征周期分别为αmax=0.23、Tg=0.40 s，通过比较分析，取《兰州轨道交通1号线一期工程地震安全性评价》中地震参数，αmax=0.23、Tg=0.40 s。

2.3耐久性要求

混凝土耐久性要求是指在正常维护条件下结构能够使用到规定的设计使用年限[3]。《混凝土结构耐久性设计规范》(GB/T50476—2008)给出了设计使用年限100年的结构混凝土构件的耐久性一些基本要求[7-8]。该工程主体结构构件的最大水胶比取0.40、最大氯离子含量不大于0.06%、含碱量小于3.0 kg/m3、混凝土保护层厚度不小于普通结构的1.4倍。

3结构布置

本工程平面形状较为规则，标准层平面呈长方形，长61.3 m，宽30.5 m，长宽比2.01，根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3—2010)[9]第9.2.6条，建筑宜布置成框架-双核心筒结构，双筒可增强结构的扭转刚度[10-11]，减小结构在水平地震作用下的扭转效应，标准层结构平面布置见图2。单核心筒长13.7 m，宽10.4 m，高度99.3 m，高宽比99.3/10.4=9.55<12，满足文献[9]第9.2.1条中关于核心筒高宽比不宜大于12的规定。由于本建筑长宽比大于2.0，两主轴方向刚度相差较大，通过各种结构布置方案对比分析，在结构平面四角各布置一道Y向的剪力墙，以增加Y轴方向的刚度，使两方向刚度相近，保证结构第一、二自振周期为平动周期。

图2　标准层结构平面布置(单位：mm)

4结构计算分析

主体结构采用《多、高层建筑结构空间设计分析软件SATWE》、《特殊多层、高层建筑结构设计与分析软件PMSAP》、《建筑结构设计与分析软件ETABS》进行整体计算，并对计算结果进行对比分析，计算过程中考虑了偶然偏心、双向地震作用及扭转耦联效应。

4.1反应谱法分析(表1～表3)

表1　地震作用有效质量参与系数

表2　自振周期、振型

表3　位移及位移比

由表1～表3计算结果可知，3种软件分析结果有一定差异，差异均在5%以内，且均满足规范要求。具体分析如下：地震作用的有效质量参与系数见表1，由表1可知，有效质量参与系数均大于90%；自振周期、振型见表2，第一、二振型均为平动，第三振型为扭转，周期比均小于0.90；位移、位移比见表3，最大层间位移角及位移比均满足规范要求，结构平面布置较为规则，结构前三阶振型见图3。

图3　结构振型

计算结果见表4、表5、表6。由表4可知，最小剪重比为5.15%>4.6%，满足规范要求、刚重比为8.04～8.42，7.68～8.10均大于规范限值、框架柱承担地震剪力与底部总地震剪力比均满足规范要求；由表5可知，底层剪力墙最大轴压比0.34，柱最大轴压比0.68，控制在规范限值范围内；由表6可知，本层受剪承载力均大于相邻上层受剪承载力的0.80倍，满足规范限值要求，结果表明:结构竖向刚度变化均匀，结构竖向布置较合理。

表4　剪重比、刚重比、柱承担剪力与总剪力比

注：V1为框架柱承担地震剪力，V0为底部总地震剪力。

表5　底层墙、柱最大轴压比(SATWE)

表6　层抗剪承载力比(SATWE) 〈PMSAP〉

4.2弹性时程分析

本工程抗震设防烈度8度，乙类高层建筑，建筑高度99.30 m，且1～2层楼板局部开洞，有必要采用PMSAP程序对该结构进行多遇地震下的弹性时程分析。

根据建筑场地类别，设计地震分组和相关规范的规定，选择了RH2TG040人工地震波、TH3TG040地震波、TH4TG040地震波，3条波的平均地震影响系数曲线与反应谱法所用的地震影响系数在结构主要振型的周期点上的相差不超过20%。通过计算分析，主要分析结果见表7。

表7　弹性时程分析结果

注：VX、VY分别为X、Y向弹性时程分析得到的基底剪力；VX1、VY1分别为X，Y向反应谱法分析得到的基底剪力。

由表7可知：3条地震波作用下所得的结构底部剪力均大于反应谱法所得底部剪力的0.65倍，其平均值也大于反应谱法的0.8倍，满足规范要求。分析表明：采用反应谱法进行的多遇地震下的计算结果正确，反应谱法的计算结果可以作为设计依据。

4.3小结

通过用SATWE、PMSAP、ETABS3种程序对本工程整体计算分析，结论表明：该结构位移比、周期比、剪重比、柱承担剪力与总剪力比均满足规范要求，结构布置合理，具有较好的抗震性能。

弹性时程分析结果表明：3条地震波计算的基底剪力均大于反应谱法的65%、平均值也大于反应谱法的80%，满足规范要求。在不同的地震波作用下，结构层间位移角也不同，均满足规范1/800要求。两主轴方向的层间位移角和各层受剪承载力的计算结果与反应谱法分析计算结果变化趋势基本一致，验证了采用反应谱法进行多遇地震下的计算结果是正确的。

5结构抗震加强措施

(1)在框架-双核心筒结构中，框架部分作为第二道防线，框架柱应具有足够的强度和刚度[12]，因此，在框架柱内设置芯柱，提高其承载力和延性，芯柱的纵向钢筋配筋量不小于框架柱全截面面积的0.5%，箍筋直径不小于12 mm，且箍筋全高加密，芯柱配筋示意见图4。

(2)跨高比小于1的连梁，梁截面宽度不小于400 mm时，设置交叉暗撑，其余连梁均设置对角斜筋，以提高其抗震性能[13]。

图4　芯柱配筋示意(单位：mm)

(3)对于框架-双核心结构，为增强两核心筒协同工作，宜加强连接两核心筒连系梁的刚度，使连系梁跨高比λ=8～10，加大梁纵向配筋及梁全长箍筋加密；加大两核心筒间板厚度，板厚h不小于130 mm，设置双层双向配筋，配筋率不小于0.3%。

6结语

(1)对于设计使用年限100年的建筑，本文通过调整荷载取值、水平地震影响系数和加强结构耐久性措施，使结构的抗震性能和耐久性有较大程度提高，以保证结构在设计使用年限内得以正常使用。

(2)对于长宽比较大(L/B>2)的高层建筑，当结构布置为框架-单核心筒时，结构抗扭刚度较弱，结构的第一周期通常为扭转周期，因此结构宜布置为框架-双核心筒结构体系，能够有效调节结构两主轴方向上的刚度，能明显增加结构扭转刚度，具有很好的抗震性能，是高层建筑比较合理、经济、可行的结构体系。

(3)除进行合理的结构布置和计算设计外，同时应重视结构的抗震措施，进而提高结构的受力性能。

参考文献：

[1]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50157—2013地铁设计规范 [S].北京：中国建筑工业出版社，2013.

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[5]蒋国旺.平面不规则的某高层建筑物结构设计[J].中外建筑，2006(2)：65-67.

[6]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50011—2010建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

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[8]中华人民共和国住房和城乡建设部.GD50010—2010混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

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Design and Analysis of Lanzhou Subway Control Center Frame-Dual Core Tube Structure

YUAN Tao-tao

(China Railway First Survey & Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi’an 710043， China)

Abstract：The control center main structure of Lanzhou subway lines 1-5 is designed for 100-year service life and constructed in reinforced concrete frame-dual-core structure system. This paper describes the load value， selected ground motion parameters， durability and other parameters and clarifies the general structural arrangement， and uses STAWE， PMSAP， ETABS software to conduct overall calculation and comparative analysis of the main structure and complementary calculation with elastic time history analysis method. Through computational analysis， key parts of the structure are identified and appropriate seismic measures are taken accordingly. The results show that the main structure has good lateral stiffness， better seismic performance and proves an economical and applicable structural system in high-rise buildings.

Key words：Designed service life of 100 years; Frame-dual core tube; Structural arrangement; Structure calculation and analysis; Seismic reinforcing measures

中图分类号：U231+.4

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.04.026

文章编号：1004-2954(2016)04-0108-03

作者简介：袁涛涛(1982—)，男，工程师，2010年毕业于长安大学结构工程专业，工学硕士，E-mail:285522786@qq.com。

收稿日期：2015-08-03； 修回日期：2015-09-08