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學術科研丨《建筑结构》:苏州月亮湾建屋广场E座超限高层结构设计要点解析

學術科研
作者 曾 欣,邓继明等 2019.01.10

  《苏州月亮湾建屋广场E座超限高层结构设计》一文发表在《建筑结构》2019年第一期(第49卷第1期)尊龙d88人生就是博設計集團股份有限公司论文专辑中。该项目及项目研究成果由尊龙d88人生就是博设计集团年轻的设计骨干担当完成,见证了青年设计师快速成长的力量。

  文章内容发表在《建筑结构》2019年1月上(第49卷 第1期),“建筑结构”微信公众号授权转载

  摘要:蘇州月亮灣B3地塊建屋廣場E座建築高度爲222.80m,采用型鋼混凝土框架-核心筒結構體系,超B級高度,平面呈矩形,核心筒高寬比達22.27。設計中進行了腰桁架使用與否的多方案比較分析,結果表明不采用腰桁架方案較優;針對核心筒高寬比過大的特點,結合抗震規範對本工程進行性能化設計;並采用SAUSAGE與ABAQUS兩種軟件對結構進行大震動力彈塑性時程分析,針對薄弱部位采取加強措施,確保結構具有較好的抗震和抗風性能。

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  1項目概況

  月亮灣B3地塊建屋廣場E座工程位于蘇州市工業園區崇文路以北,八達街以東。E座建築總高度222.80m,地下3層,地上50層(不包含出屋面設備及構架層),總建築面積72154m2,其中地上建築面積60088m2,地下建築面積約爲12066m2,建築效果圖及剖面如圖1,2所示。E座地下1~3層爲車庫,地上1~3層爲物業辦公配套用房,4層爲健身房(含小型6m×25m遊泳池),5~50層爲公寓標准層,標准層層高3.8m,其中含3個避難層(12,25,38層),層高4.4~4.7m。結構大屋面高度爲202.70m,結構大屋面以上爲兩個設備層(51,52層,局部有樓板)和3個構架層(無樓板),構架層頂標高222.8m。

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图1 建筑效果图

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图2 建筑剖面图

  結構設計基准期和設計使用年限均爲50年,結構安全性等級爲二級,基礎設計安全等級爲二級?拐鹪O防類別爲標准設防類,抗震設防烈度爲7度(0.10g,第一組),建築場地類別爲Ⅲ類,特征周期爲0.53s,地面粗糙度類別爲B類,基本風壓爲0.45kPa。結構嵌固層設在地下室頂板,框架抗震等級爲一級,底部加強區剪力牆抗震等級提高爲特一級,其余剪力牆抗震等級均爲一級,剪力牆軸壓比均按0.5控制。

  2結構體系

  E座采用型鋼混凝土框架-鋼筋混凝土核心筒體系,核心筒和框架組成雙重抗側力結構體系。

  建築平面呈矩形,平面尺寸爲43.1m×26.2m,結構高寬比爲7.74;外圍柱距爲7.4~8.8m,核心筒平面尺寸爲25.7m×9.1m,核心筒高寬比爲22.27,遠超規範限值12。由于核心筒平面亦呈矩形,長寬比爲2.82,爲保證結構兩個方向動力特性相近,結構布置上需加強Y向剪力牆,減弱X向剪力牆,上部標准樓層結構平面布置如圖3所示。在D~G軸布置4片Y向雙肢剪力牆,牆厚從底層900mm逐漸收至頂層300mm;並在核心筒內樓梯處布置兩片Y向剪力牆,牆厚從底層550mm逐漸收至頂層200mm。在5,6軸布置X向剪力牆,牆厚從底層750mm逐漸收至頂層250mm,並對剪力牆大開洞處理;同時加大Y向框架梁和框架柱的截面尺寸來提高結構Y向抗側剛度,標准層Y向框架梁截面爲700×750,而X向框架梁截面爲500×700,25層以上樓層外框柱沿Y向呈矩形布置,其Y向截面尺寸比X向截面尺寸大100~200mm。經上述處理後,X,Y向周期分別爲5.7,5.1s,結構兩方向剛度基本接近。

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圖3標准層結構平面布置圖

  框架柱采用型鋼混凝土柱,利用柱內高強型鋼來減小柱截面尺寸並提高延性,並通過提高外圍框架柱剛度控制整體結構層間位移角滿足規範要求。底層柱截面爲1450×1450(型鋼混凝土柱),頂層爲700×900(鋼筋混凝土柱),根據高度分段收進。型鋼混凝土柱延伸至32層,32~34層爲型鋼混凝土柱過渡層,過渡層柱內型鋼同下部樓層,過渡層柱內縱向鋼筋按鋼筋混凝土柱計算配置。34層以上采用普通鋼筋混凝土柱並延伸至頂層。底部框架柱軸壓比控制在0.70以內(短柱控制在0.65以內);A頂~22層樓面核心筒和框架柱混凝土強度等級爲C60,22層樓面~頂層樓面逐漸遞減至C40?蚣芰航孛鏍500×700,700×750,次梁截面爲250×550。地下室室內頂板厚180mm,室外頂板厚250mm,其他樓層樓板厚一般爲120mm,局部100mm。

  3結構方案比選

  本工程結構高寬比達到7.74,核心筒高寬比達到22.27,爲此,首先考慮通過在加強層設置腰桁架或伸臂構件來加強結構整體性以提高結構剛度,但通過多種方案的比較分析發現,無論是設置腰桁架還是伸臂構件,都對結構整體剛度的提高不明顯,反而易造成加強層剛度突變,對結構抗震不利。而通過常規沿豎向均勻提高外圍框架柱的剛度,也能將結構層間位移角控制到規範限值以內。

  選取其中兩個結構設計方案進行介紹,如圖4所示。方案A不采用腰桁架,計算上型鋼混凝土柱延伸至32層;方案B在25,38層分別設置兩道腰桁架,25層腰桁架鋼構件截面爲H500×350×20×30,38層腰桁架鋼構件截面爲H450×350×20×30,型鋼柱按軸壓比控制設置到19層截止。對兩種方案的主要整體計算指標加以對比分析,框架剪力分擔率和結構整體指標對比分別見圖5及表1。

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图4 方案对比图

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圖5框架剪力分擔率

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  通過兩種方案的對比可知:1)宏觀指標方面(表1),方案B相對方案A有一定的變化,但大部分指標差異值在5%以內,從表1中的指標判斷可不設置腰桁架。2)外框架剪力分擔率方面(圖5),方案B在腰桁架層及其相關樓層存在一定的內力突變,對結構抗震不利;且從含鋼率上來講,方案A略優于方案B,故最終采用方案A。

  腰桁架的作用是使各框架柱承受的軸力均勻變化,減小框架-核心筒結構的剪力滯後效應,提高外框架抗傾覆力矩的能力並減小結構的側移。由于本工程核心筒偏小,爲提高整體結構的抗側剛度,已加大了外框柱截面,從外框架和內核心筒的剪力分擔率及傾覆力矩比可以看出本工程外框架剛度已滿足要求,設置腰桁架的作用較弱。且腰桁架會造成結構豎向剛度不均勻,腰桁架層及上下相鄰層構件的內力會出現較大突變,在地震作用下産生薄弱層效應。故針對此核心筒過小的結構類型,采用提高外框柱剛度的方法更合理。

  4結構超限判別及性能目標

  本工程結構高度爲202.7m,超過規範[2]中7度區框架-核心筒B級最大適用高度限值180m,屬高度超限的高層建築。本工程Y向考慮偶然偏心,水平力下樓層最大彈性水平位移爲該樓層兩端彈性水平位移平均值的1.25倍,大于1.2且小于1.4,爲一般平面不規則。此外,本工程4層樓層層高6.7m,其以上各層層高3.8m,4層X向剛度與其上層剛度1.1倍的比值爲0.87,小于1.0,存在軟弱層,爲一般豎向不規則。綜上,本工程結構高度超B級,存在一項平面一般不規則,一項豎向一般不規則,屬于超限不規則高層建築。根據結構內各構件重要程度,結合整體結構抗震性能目標,確定結構不同部位構件的抗震性能目標,見表2。

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  5結構抗震性能化設計

  E座結構核心筒高寬比達到22.27,故需對牆肢進行中震下拉應力驗算。中震作用下拉應力驗算結果見圖6,由于核心筒呈矩形,Y向剪力牆較長且數量多,故Y向牆肢在中震下仍處于受壓狀態,不出現拉應力。雖然核心筒高寬比很大,但5,6軸兩片X向剪力牆靠近結構中心(位于結構中心兩側1/3處),其整體受拉相對較小,只有底部X向牆肢出現拉應力。牆肢最大拉應力出現在外核心筒右上角,爲C60混凝土抗拉強度標准值ftk的0.85倍,接近混凝土抗拉強度標准值。故設計時在結構底部出現拉應力的外核心筒四角及X向剪力牆內增設型鋼構造加強,提高其抗拉能力。同時結合本工程的抗震性能目標,采用等效線性方法,對E座結構進行大震作用下結構分析,複核大震下牆肢剪壓比。E座首層牆肢在大震作用下的剪壓比驗算(不考慮牆內型鋼作用)結果如圖7所示,計算時連梁剛度折減系數取0.3,阻尼比取0.06。計算結果表明,大震作用下E座結構核心筒剪力牆剪壓比最大值爲0.5,滿足大震下牆肢剪壓比要求。

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图6  中震作用下首层墙肢偏拉验算结果

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图7 大震作用下墙肢剪压比验算结果

  6罕遇地震作用下動力彈塑性分析

  由于本工程核心筒高寬比較大,遠超規範[2]限值,爲了更准確真實地模擬結構大震作用下的動力特性,判斷結構的非線性行爲,本工程同時采用彈塑性分析軟件SAUSAGE和通用有限元軟件ABAQUS進行了動力彈塑性時程對比分析[4]。兩者在地震動過程中的模擬方法都基于顯式算法,並采用相似的材料和構件模型,但在阻尼模型的選擇和性能評定標准等方面有一定的差異。圖8爲兩者頂點位移計算結果對比,由圖13可見兩者具有較好的統一性,一定程度上可互相驗證彈塑性模擬的准確性。

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图8 结构顶点位移时程

  部分彈塑性分析結果見表4,表4表明SAUSAGE與ABAQUS計算的宏觀指標和構件損傷較爲接近;結構最大層間位移角約爲1/129,變形滿足性能目標要求。圖9爲結構耗能時程,由圖9可知結構塑性耗能約占總能量的25%。圖10,11分別爲ABAQUS和SAUSAGE軟件計算的核心筒損傷分布情況,其中,圖11核心筒平面示意同圖10。由圖10,11可知:SAUSAGE與ABAQUS軟件計算的構件損傷分布情況較爲接近;1/6的剪力牆牆肢達到了輕度損壞程度;個別牆肢發生中度損壞,但其範圍較小,結構的整體性依然保持較好;大部分連梁達到了嚴重損壞的程度,連梁作爲結構抗震第一道防線,在地震作用下迅速進入損傷階段,並在整個地震過程中保持耗能作用,達到耗能設計意圖,其屈服耗能有效地保護了主體牆肢不被嚴重損壞。

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图9  结构耗能时程(ABAQUS计算结果)

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图10  核心筒损伤分布情况一(ABAQUS计算结果)

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图11  核心筒损伤分布情况二(SAUSAGE计算结果)

  動力彈塑性分析最終結果表明:結構在考慮重力二階效應及大變形的條件下,兩種軟件在1組人工波和2組天然波共計6個工況下(每組波分別以X,Y向做爲主方向輸入三向地震作用)順利計算完成,並最終仍能保持直立,滿足“大震不倒”的設防要求;梁、柱、樓板及牆構件層次的破壞狀態基本符合地震工程學原理,結構第一道抗震防線爲連梁,破壞較爲明顯,達到了耗能與延性設計目的;豎向構件在輕度破壞以內,具有適宜的安全度?傮w而言,7度罕遇地震下,結構抗震性能優于不倒塌,可修複後使用。

  7結構加強措施

  針對上述結構超限狀況,尤其是核心筒高寬比過大的特點,基于小震、中震、大震彈性分析結果以及彈塑性分析所發現的薄弱環節,結構設計主要考慮以下加強措施:

 。1)核心筒底部加強區及相應樓層框架柱,正截面按中震不屈服設計,斜截面按中震彈性設計。

 。2)核心筒高寬比較大,結構Y向剛度略弱,設計時加大Y向框架梁和框架柱截面尺寸,以提高結構Y向抗側剛度;爲提高外圍框架柱的剛度與延性,外圍框架柱從基礎至33層采用型鋼混凝土柱。

 。3)中震雙向地震作用下,底部部分牆肢偏心受拉,設計時在結構底部出現拉應力的外核心筒四角及X向剪力牆內增設型鋼構造加強,並對底部加強區範圍內筒體結構抗震構造措施提高爲特一級。

 。4)針對動力彈塑性分析發現的結構薄弱部位,采取針對性加強措施,以進一步提高結構抗震性能。如連梁作爲耗能構件出現了嚴重損壞,對Y向跨高比小于1且牆肢厚度不小于500mm的連梁,設置交叉暗撐,以增加連梁在大震作用下的耗能與延性能力。

  8結語

  本工程屬于核心筒狹長且高寬比很大的超B級高層建築,針對核心筒高寬比過大的特點,對結構進行了多方案及多軟件對比分析。發現適當增加外圍框架柱的剛度與延性的設計方案,效果優于設置腰桁架或伸臂構件形成加強層的設計方案。通過分析結果優化了結構布置,針對關鍵構件進行性能化設計,對薄弱環節進行重點加強,保證結構安全,提高經濟性。

  參考文獻

  [1]苏州中岩勘察有限公司.月亮湾B3地块建屋广场E座工程岩土工程勘察报告[R]. 苏州,2016.

  [2] 高层建筑混凝土结构技术规程:JGJ3—2010 [S]. 北京:中国建筑工业出版社,2010.

  [3]湖南大學風工程試驗研究中心·.蘇州建屋廣場E座風荷載試驗研究報告及蘇州建屋廣場E座風致響應及等效靜力風荷載研究報告[R].長沙,2016.

  [4] 张谨,段小廿,杨律磊,等.动力弹塑性分析方法及其在结构设计中的应用[J]. 建筑结构,2016,46(20):1-9.

  本文来自《建筑结构》杂志文章:2019年第1期,题目:《苏州月亮湾建屋广场 E 座超限高层结构设计》,作者:曾 欣, 邓继明, 谈丽华, 杨律磊(单位:1 尊龙d88人生就是博設計集團股份有限公司;2 江苏省生态建筑与复杂结构工程技术研究中心)。文章还详细介绍了结构在地震作用下的整体性能,基础设计等内容,更多精彩内容请查阅杂志!