高烈度地区超高层结构方案研究

2023-10-16李博宇束伟农张连河毕鹏飞

建筑结构 2023年18期

李博宇, 曲原, 王然, 束伟农, 张连河, 毕鹏飞

(北京市建筑设计研究院有限公司，北京 100045)

0 引言

超高层建筑由于质量大、高度高,因此所承受的水平作用相对于中低层建筑更加明显。随着建筑高度的提高,结构设计的主要控制因素是以风荷载和地震作用为代表的水平荷载作用。在高烈度地区,超高层建筑的抗震设计是设计中重点需要关注的部分,整体刚度与承载力的控制在设计中显得尤为重要[1]。

按照以往工程的经验,对于250m左右的超高层建筑一般采用框架-核心筒或者筒中筒等传统结构形式。但在高烈度地区,采用常规的结构设计手段很难在满足结构抗震要求的同时满足建筑的使用要求。近年来,国内外学者对高烈度地区的建筑采用消能减震技术进行了大量的研究工作[2-4]。基于此,本工程拟采用消能减震技术,即采用屈曲约束支撑对超高层建筑进行设计。

在不影响建筑使用功能的情况下,为更有效地控制超高层结构的整体变形,采用框架-核心筒结构体系的超高层建筑中一般利用设备层作为结构加强层,在层间设置伸臂桁架和腰桁架,加强核心筒与周边框架柱,以及周边框架柱间的联系,提高整体结构刚度。加强层的设置部位对于控制整体结构的变形能力有着至关重要的作用,本文对于伸臂桁架和腰桁架的布置位置进行了效率分析,并根据专业功能需求,确定了伸臂桁架和腰桁架的布置方式。

本文从工程实例入手,对比传统结构和消能减震结构的抗震分析结果,从而选择更适合于工程的结构方案,同时根据伸臂桁架和腰桁架布置位置的效率分析,选择了相对合理的布置方式,并通过大震非线性时程分析,验证了该方案的抗震性能,以期为类似工程提供借鉴。

1 工程概况

西安万博酒店项目位于陕西省西咸新区,±0.000绝对标高为390.2m。项目用地南北宽约170m、东西长约230m,项目建筑总规模约44万m2。项目由超高层酒店、办公楼及配套商业等建筑构成,如图1所示,地下室为停车库及设备机房,地下3层部分区域兼做平战结合六级人防区。塔楼与裙房地下部分连为整体,±0.000以上通过设置变形缝脱开,形成7个结构段,本文主要探讨的是1#酒店的结构方案选型。

图1 西安万博酒店建筑布局图

初步设计阶段,1#酒店结构高度为249.2m,地上55层、地下3层,主要功能为酒店、办公,嵌固部位为地下室顶板,采用框架-核心筒结构体系,为超B级高度超高层建筑。

本工程抗震设防烈度8度(0.20g),场地类别Ⅲ类,设计地震分组第二组,特征周期0.55s。抗震设防类别为标准设防类,设计使用年限50年,结构安全等级二级[5]。1#酒店标准层平面图如图2所示。

图2 1#酒店标准层平面图

1#酒店建筑立面造型仿照中式塔楼建筑,建筑平面从底层到顶层分层收进,收进位置均在设备避难层。建筑平面尺寸由53.2m×53.2m收进至41.4m×41.4m,核心筒尺寸为21.7m×21.4m,核心筒高宽比为12.4,梁跨度由14.5m收进至11.3m。1～4层层高6.0m,5～8层层高4.2m,标准层层高4m,9、20、30、40、50层为避难层,层高5.2m,55层以上为机房层和塔冠,如图3所示。各层材料:板混凝土采用C30,框架柱及剪力墙采用C60～C40;钢筋均采用HRB400;钢材采用Q355B及Q390B。综合考虑地质情况及抗浮等因素,1#酒店塔楼采用桩筏基础。

图3 1#酒店结构剖面图

2 加强层布置情况对比

已有的分析结果表明,利用水平伸臂桁架和腰桁架使外围参与结构整体抗弯是一种有效的控制整体变形的方式。当伸臂的刚度和数量足够时,顶点侧移的减小量在90%以上。

《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)[6](简称《高规》)中对设置多个加强层的建议是:当布置2个加强层时,可分别设置在顶层和房屋高度的1/2附近;当布置多个加强层时,宜沿竖向从顶层向下均匀布置。

由于本项目中柱位均在各层建筑边界范围内,伸臂桁架及腰桁架的布置对于设备机电层的使用影响较大,因此对于结构加强层的布置不能仅以结构专业的合理性作为唯一的前置条件,应该通盘考虑全专业设计的合理性。为了使加强层的布置更有效率,分别在5个机电设备层布置伸臂桁架或腰桁架,对大震作用下整体周期、位移、地震剪力、构件受力情况分别进行了分析,以期待可以找到最有效率的加强层布置方式。各个模型中各层荷载及结构构件尺寸均相同,相关模型参数统一,具体对比情况详见表1。

表1 大震作用下分层取消桁架与保留全部桁架计算结果对比

从表1可知,在20层及以下设置加强层可以更有效地减少底层墙肢的拉力,对整体结构变形几乎没有影响。其中取消9层的伸臂桁架及腰桁架,底层墙肢拉力提高近9%,取消20层的伸臂桁架及腰桁架,底层墙肢拉力提高近5%。对其余加强层的桁架应力比的影响:取消9层的伸臂桁架及腰桁架对其余加强层的桁架应力比几乎没有影响,取消20层的伸臂桁架及腰桁架,其余加强层的桁架应力比将提高10%左右。

在30层以上设置加强层可以有效控制结构整体变形,对底层墙肢拉力几乎无影响。其中取消30层的伸臂桁架及腰桁架,结构整体变形增大了近7%;取消40层的伸臂桁架及腰桁架,变形增大了近12%;取消50层的伸臂桁架及腰桁架,变形增大了近10%。对其余加强层的桁架应力比的影响:取消30层的伸臂桁架及腰桁架对其余加强层的桁架应力比几乎没有影响;取消40层的伸臂桁架及腰桁架,其余加强层的桁架应力比将提高10%左右;取消50层的伸臂桁架及腰桁架,40层加强层的桁架应力比将提高15%左右,对其余加强层的桁架应力比几乎没有影响。通过各项对比,伸臂桁架比腰桁架对受力及变形的影响更显著。

经过对比可知,在本项目中在9层设置加强层对整体变形和杆件受力几乎无影响,仅对减少底层墙肢拉力有帮助;在50层设置加强层对减少底层墙肢拉力和其余各加强层桁架应力比几乎没有影响,对整体变形影响没有在40层设置加强层大。根据本项目实际布置分析,虽然按规范要求可将加强层布置在顶层,但由于建筑平面不断收进,实际本项目中顶层加强层所提供的刚度和抗整体变形的能力并不如想象的大。

通过经济性分析,在其余加强层不变的前提下,在9层或50层不设置加强层,为满足整体变形的要求,需要在其他层增加混凝土构件配筋及增大钢构件截面,但比较下来可以减少整体结构用钢量。但是在20、30层或40层不设置加强层,需要在其他层增加混凝土构件配筋及增大钢构件截面,会提高整体结构的用钢量,因此在20、30层或40层设置加强层的经济性更好。

因此,本项目中将20、30、40层设置为加强层是较有效率的布置方式,但由于20层及40层设备管线较多,布置伸臂桁架或腰桁架后,设备层无法满足要求,因此经过精细化分析并与建筑专业讨论后,最终采用30层设置伸臂桁架及腰桁架,40层设置伸臂桁架的方案。

3 消能减震方案对比

对超高层建筑,传统设计方法通过提高结构刚度和强度来承担水平地震作用,由此带来的问题是结构刚度增大的同时,需要承担的地震作用也较大,同时在地震作用下只能通过结构构件的塑性变形来耗散能量[2]。近年来,随着消能减震技术的发展,由于消能减震结构在抗震作用中可以起到良好的耗能作用,在超高层结构设计中采用消能减震技术成为一种新的设计思路。

3.1 传统结构方案

传统结构采用型钢混凝土柱+钢梁+混凝土核心筒+伸臂桁架结构体系进行设计。柱截面尺寸为1 200×1 800、1 300×1 300,主梁截面为H1 000×400×24×30,次梁截面为HN800×300,核心筒外圈墙体厚度为1 400mm,伸臂桁架上下弦截面为H1 000×700×26×40,腹杆截面为□800×800×30×30。

型钢混凝土柱+钢梁+混凝土核心筒+伸臂桁架结构方案的主要问题在于:1)为解决伸臂桁架腹杆的稳定问题,腹杆截面尺寸较大,影响建筑空间使用;2)由于伸臂桁架截面较大,导致加强层刚度偏大,加强层下一层形成薄弱层,整体结构刚度不均匀;3)结构整体刚度提高,地震作用较强,导致各结构构件的截面尺寸及配筋均增加。

以上是一般传统结构体系抗震设计共有的结构布置问题,在高烈度地区的超高层结构抗震设计中此类问题更加突出。

3.2 框架-核心筒+消能减震结构方案

综合传统结构方案的利弊,结构体系调整为型钢混凝土柱+钢梁+混凝土核心筒+伸臂桁架+消能减震结构(防屈曲约束支撑)结构方案(简称消能减震结构方案)进行设计。该方案在型钢混凝土柱+钢梁+混凝土核心筒+伸臂桁架体系的基础上,将两层加强层伸臂桁架的腹杆替换为防屈曲约束支撑(BRB),并且伸臂桁架上下弦截面优化为H1 000×500×26×40。伸臂桁架减震结构布置及典型楼层BRB布置图详见图4～6。

图4 伸臂桁架消能减震结构示意

图5 30层BRB平面布置图

图6 40层BRB平面布置图

采用BRB的主要作用:1)可以解决桁架腹杆的稳定问题;2)对BRB的刚度进行控制,解决加强层下一层的刚度突变问题,使得整体结构刚度更加均匀;3)中大震作用下BRB有一定的耗能能力,保证结构有一定的安全储备,最终达到提高结构抗震性能的目的。

BRB支撑采用“V”字撑或“人”字撑,屈服承载力主要为11 000kN,屈服位移为6.5mm,原则上保证小震作用下BRB不屈服,中震及大震作用下BRB发挥耗能作用。BRB参数详见表2。

表2 BRB参数

3.3 抗震性能目标

针对本工程的超限项及重要部位,采用《高规》中抗震性能化设计的手段对结构中的关键部位进行加强。本工程高度超限,并存在楼板不连续、局部不规则、构件间断三项一般不规则项,综合考虑建筑的功能规模和不规则程度,设定的性能目标详见表3。

表3 1#酒店抗震性能目标[5]

3.4 基于反应谱理论的弹性及弹塑性分析

传统结构体系由于结构构件尺寸较大,结构刚度较大,自振周期略小于设置消能减震结构体系。两种方案的自振周期结果见表4。

表4 自振周期结果/s

在大震作用下,采用消能减震技术的结构地震作用比传统结构要更小,且由于BRB可以作为一道抗震防线,提高了结构整体的抗震性能。从结构整体刚度方面来看,传统结构体系为达到抗震性能目标,导致加强层部位构件尺寸较大,结构刚度存在突变情况,加强层以下楼层形成了薄弱层;而消能减震结构体系则由于BRB在大震作用下发挥了耗能作用,使得结构整体刚度较为均匀,结构体系更为合理。大震作用下两种方案的地震作用结果见表5。采用消能减震技术的结构层间位移角均小于1/504,说明整体结构刚度良好,可以满足《高规》要求。

表5 地震作用结果

小震作用下两种方案的整体变形结果见表6。通过两种结构方案整体指标的对比,可知传统结构采用“抗”的办法承担水平地震作用,带来的问题主要体现在结构构件尺寸较大和加强层刚度过大。在本项目中,采用BRB后加强层伸臂桁架上下弦杆件截面明显减小,采用传统结构考虑抗震性能目标下的钢构件稳定要求,需截面尺寸为800×800×30×30的杆件,影响建筑使用空间,不能满足使用需求。采用BRB杆件,直径仅为400mm,有效节省了建筑空间,且使得使用功能更加合理。

表6 层间位移角结果

采用消能减震技术的结构体系,小震作用下可以通过BRB的刚度调节主体结构刚度,在解决加强层构件稳定的基础上,使整体结构刚度更加均匀,同时在大震作用下BRB作为耗能构件可以耗散地震能量,使得结构原本应该承受的地震作用减小。从结果来看,消能减震结构体系整体抗震性能更好。

4 大震弹塑性时程分析

4.1 有限元建模

为了验证结构能否实现“大震不倒”的设防要求,本项目采用结构动力弹塑性计算软件SAUSAGE,对结构进行大震弹塑性动力时程分析。

在非线性地震反应分析模型中,钢材的非线性材料模型采用双线性随动硬化模型,混凝土本构模型采用弹塑性损伤模型,杆件非线性模型采用纤维束模型,BRB单元采用非线性单元Plastic(Wen)模拟。

4.2 地震波输入

根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)[7](简称《抗规》)第5.1.2条的规定,选择3组波(两向)取包络的方式进行时程分析,分别是2组天然波(TH038TG055和TH093TG065)和1组按抗震规范反应谱合成的人工波(RH1TG055),3组地震波的波形曲线见图7、8。

图7 地震波波形图

图8 地震波时程反应谱与规范反应谱比较

根据选波分析结果,3组地震波的地震影响系数曲线与反应谱在统计意义上相符,计算所得的结构底部剪力均满足《抗规》第5.1.2条要求[7]。

4.3 弹塑性分析结果

4.3.1 位移结果

弹塑性时程分析的最大层间位移角结果见表7。从结果来看,采用传统结构的整体结构变形均大于消能减震结构的整体结构变形,说明消能减震结构在大震作用下可以起到耗能作用,控制整体结构变形的能力。

表7 各组地震动作用下大震弹塑性最大层间位移角

4.3.2 加强层伸臂桁架及腰桁架的性能评估

计算结果显示,采用消能减震结构方案时,腰桁架及伸臂桁架在时程波作用下,均处于无损伤～轻微损伤状态,与BRB连接部位的墙柱,基本处于轻微损伤状态,见图9,说明在大震作用下伸臂桁架和腰桁架基本完好。采用传统结构方案时,部分核心筒墙体及框架柱出现轻度损坏,甚至重度损坏,在大震作用下部分关键构件出现了较为严重的破坏,见图10,说明在罕遇地震作用下BRB有效消耗了能量,可以保护关键构件处于正常工作状态。采用消能减震技术的结构方案可满足预设的性能目标要求。