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第40卷第4期建　筑　结　构2010年4月

某复杂高层建筑结构设计分析

张　强,　邓　文

(广东建设职业技术学院,广州510450)

[摘要]　针对某复杂高层钢框架2核心筒结构体系进行了结构设计与验算分析,介绍了工程上部结构和地基基础概

念设计的基本原则,给出了结构的抗震性能目标,分别采用ETABS和ABAQUS软件对结构进行了多遇和罕遇地震作用下的反应分析,,处理措施。分析结果表明,概念设计对于高层结构方案的合理;采取加强处理措施;;、准确地反映结构薄弱部位,。

[关键词]　2;抗震设计

designandanalysisofacomplexhigh2risebuilding

ZhangQiang,DengYiwen

(GuangdongConstructionVocationTechnologyInstitute,Guangzhou510450,China)

Abstract:Structuraldesignandcheckingcalculationofacomplexhigh2risebuildingwithsteelframe2coretubewerestudied.Thebasicprinciplesofconceptualdesignofup2structureandsub2structurewereintroduced.Performancetargetsofseismicresistantdesignwereproposed.ETABSandABAQUSwereusedtoanalyzethestructuralresponsesunderfrequentandrareearthquakes.Thedisplacementandinter2forceresponsesofthestructurewereresearchedcomparativelyunderdifferentearthquakes.Somecorrespondingultra2limitdesigninstructionswereproposedforthebuilding.Theresultshowsthattheconceptualdesignisveryimportantfortherationalandeffectiveselectionofstructuralplan.Itπsverynecessaryfordesignertotakesomestrengthenmeasuresforstructuralweakareas.Therationallocationofstrengthenstoriesisveryusefulfordecreasingstructuraldeformationandincreasingstructuralearthquake2resistanceperformance.Theweakareasofthestructurecanbefoundbydynamicelastic2plasticanalysisandthensomestrengthenmeasurescanbetakeninatargetedmanner.

Keywords:complexhigh2risebuilding;steelframe2coretube;conceptualdesign;dynamicelastic2plasticanalysis;earthquake2resistancedesign

1　工程概况1300×22,层50～57为1200×20,层58及其以上为1000×18;连接钢管混凝土柱的钢梁为H600×400×16

东莞台商会馆是集办公、住宅、商业、娱乐、餐饮为

一体的复杂超高层建筑,由主楼和裙房组成,主楼为68层,屋面标高26712m,顶部构架标高289m;裙房为10层,建筑总高64m。总建筑面积257355m2。建筑立面体型(图1)为梭形,从底部到顶部先逐渐增大,然后逐渐缩减,平面尺寸平均约为50m×40m,中间为核心筒。承重剪力墙厚度有1000,800,400,300,

200mm五种;混凝土等级:

层1～30为C60,层31～

49为C50,层50及其以上

为C40;外围钢管混凝土框架柱尺寸:层1～30为

工程剖面及三维有限元模型图1400×25,层31～49为图1　

×30,连接钢管混凝土柱和核心筒的钢梁有H500×400

×30×50,H500×400×16×25两种,钢材选用Q345钢。主体结构由型钢梁、钢管混凝土框架柱和钢筋混凝土核心筒组成,属于钢框架2核心筒混合结构体系。结合结构设备层和避难层在层23,38,54,64设置了四道加强层,沿核心筒Y向剪力墙设置了四道伸臂桁架(图1(a)),并沿外围框架柱设置一圈环带支撑构件。结构标准层平面如图2所示。

该工程设计基准期为50年,结构设计使用年限为50年。抗震设防烈度为6度,设计基本地震加速度为0105g,地震分组为一组,抗震设防类别为乙类,结构安全等级为二级。场地类别为Ⅱ类,场地持力层岩层较浅,局部岩层已凸出基坑底面,区域稳定性良好。地下室底板大部分位于中微风化及强风化岩上。

作者简介:张强,硕士,讲师,Email:[email protected]。

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图2　结构标准层平面示意图

　

楼面恒荷载为115kNΠm2,屋面恒荷载为315kNΠm2,

楼面活荷载根据《建筑结构荷载2001)取值,见表1楼层可取110kNΠm2,210kNΠm2。

楼面活荷载标准值ΠkNΠm2

楼面功能办公室　商店　　餐厅　　餐厅厨房

荷载标准值

[1**********]0

表1

荷载标准值

[1**********]10

楼面功能健身房　储藏室　消防楼梯设备间　

荷载

楼面功能

标准值

[1**********]0

电梯机房配电间　上人屋面屋顶花园

2　结构概念设计211上部结构概念设计

工程主楼立面设计成梭形,平面近似为椭圆形,中间突出,两端缩进,逐层渐变,曲线平滑优美,没有明显的突出或缩进等不规则形状。平面结构布置比较对称,中间为核心筒结构,核心筒周围均匀布置钢管混凝土柱和钢框架梁,结构的平、立面刚度和质量分布比较对称。将电梯间设计在核心筒内,避开了端角或凹凸处,用以减小楼板开洞对其产生的削弱作用以及不利影响。

综合考虑建筑主楼、裙房的平面功能布置特点,主楼采用钢管混凝土柱、钢框架梁及钢筋混凝土核心筒组成的混合框架2筒体结构,通过加强层的伸臂桁架联系外框架与核心筒。框架2核心筒与伸臂桁架共同抵抗水平力产生的倾覆力矩,外框架与筒体承担水平地震剪力,形成多重抗侧力体系。212地基基础概念设计

工程场地地质条件较好,基础均置于基岩上,实际场地基岩加速度较地面加速度偏小约22%,这对于结构的抗震设计是非常有利的。

工程地下室埋深为16165m,主楼采用大直径人工

挖孔灌注桩,桩端持力层为微风化花岗岩,最大桩直径314m,桩端承载力特征值为8000kPa。裙房采用柱下扩展基础,持力层为中、微风化花岗岩,地基承载力特征值分别为2000,5800kPa。纯地下室部分采用柱下扩展基础,持力层为强风化花岗岩,地基承载力特征值为700kPa。因场地地下水埋深较浅,裙房地下室部分需设置抗拔锚杆。

213结构抗震性能目标

(JG我国《高层建筑混凝土结构技术规程》J3—

2002)[1](简称高规)中111112条规定:钢框架2钢筋混200m。工程主,属,:多遇地震作用下保持结构为弹性工作状态,结构完好,系统和设施运行良好,功能不受影响;罕遇地震作用下结构基本完好,个别构件出现损伤(如连梁),系统和设施运行较好,局部功能受到影响,震后稍加修复即可使用。3　结构抗震分析与计算

针对结构抗震性能目标,在多遇地震作用下,采用ETABS对结构进行承载力和变形计算,验算多遇地震作用下结构是否满足既定的性能目标;在罕遇地震作用下,采用ABAQUS软件进行分析计算,以全面把握结构在大震作用下的性能,并验证是否满足性能目标的要求。

311结构动力特性分析

采用ETABS91111软件建立结构三维有限元模型(图1(b)),剪力墙采用壳单元,楼板采用膜单元,梁、柱采用空间杆单元。按照高规511113条规定,计算振型数应使振型参与质量不小于总质量的90%,对结构选取了18个振型,经计算均满足要求。结构前6阶振型的周期及质量参与系数见表2。由表可知,结构第1阶振型为Y向平动为主,第2阶振型为X向平动为主,第3阶振型以绕Z向扭转为主。结构扭转第1自振周期T3和以平动为主的第1自振周期T1之比为0135,小于0185,说明结构的抗扭刚度较大,结构扭转振动效应较小。

结构前6阶振型的周期及振型质量参与系数Π%表2

振型

123456

周期Πs

[***********]112501792

X平移Y平移RZ旋转

0110(0)62133(62)0100(62)0102(62)17116(62)0103(80)

63183(64)0110(64)0100(64)15182(80)0102(80)0100(80)

0100(0)0108(0)59186(60)0100(60)0101(60)17143(77)

　　注:括号内表示质量参与系数的累加求和Π%。

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312多遇地震反应谱分析

反应谱分析的基础是模态(振型)分析,在选取了上述18个振型后,结构的阻尼比选取为0105,采用CQC法进行振型组合,这种方法考虑了振型阻尼引起的邻近振型间的静态耦合,方向组合采用修正的SRSS方法。

图3,4为结构在反应谱作用下X,Y向的层间位移角和楼层位移对比。由图可知,结构层间侧移角沿高度方向先增大后减小,结构X和Y两个方向的层间侧移角均在层36出现峰值,分别为01000679和01000829;结构X向的层间侧移角小于Y向的,说明结构X向为强轴方向,Y向为弱轴方向;结构层间位移角在加强层处均出现明显的突变现象,要相对大于X,伸臂桁架,收现象较X向的明显,X向,还是Y向,其突变程度都较小。

图5,6分别为结构X,Y向沿高度的剪力和弯矩对比图,可知,结构剪力和弯矩沿高度方向均匀变化,由上到下基本均匀增大,

没有突变现象产生。

其在加强层处的突变程度相对大于X向的;X向和Y向地震作用下柱的剪力在加强层处相对相邻层均产生明显的突变,且Y向地震作用下的突变程度更为显著,但由于柱所承担的剪力值很小,且远远小于柱轴力值,因此,虽然其突变程度较大,但对于柱的设计计算影响不大

。

　

　

图8　外围框架柱剪力对比

313弹性动力时程分析

图3　层间位移角对比

　

　

图4　楼层位移对比

分别选取ElCentro,Taft波和场地人工波三条地震

(G波,依据《建筑抗震设计规范》B50011—2001)[2](简

称抗震规范)要求将各条地震波的峰值调整到多遇地震动作用的峰值,并将其输入到结构中进行弹性动力时程分析

。

由图9可见,不同地震波作用下,结构X,Y向层间侧移角沿高度方向的变化均呈现不同的变化趋势,其原因在于不同地震波的频谱特性不同而导致其对结构地震动作用的差异;不同地震波作用下,结构的层间侧移角均满足抗震规范的要求,说明结构在多遇地震作用下处于弹性工作状态,实现了既定的性能目标;ElCentro波和Taft波作用下,结构X,Y向层间侧移角沿高度的变化趋势基本相同,但与场地人工波作用下的相差较大,场地人工波作用下结构的层间侧移角在结构中上部明显增大;不论何种地震波作用下,X或Y向的层间侧移角在结构中上部均大于结构下部,说明结

图5　结构剪力对比

　

　

图6　结构弯矩对比

外围的钢管混凝土框架柱是承受结构竖向荷载的主要构件,加强层结构伸臂桁架的设置有效地加强了核心筒和框架柱的联系,通过框架柱正负方向一对轴力形成的弯矩有效地分担了核心筒承担的一部分弯矩,因此对比分析框架柱的内力尤为重要。

ΠB右图7,8分别给出了结构在X向地震作用下轴1○

1Π3下方柱的轴力和剪力对侧柱和Y向地震作用下轴○

比。由图可知,X向和Y向地震作用下柱的轴力由上而下逐渐增大,并在加强层处出现较小程度的突变,其中Y向地震作用下的轴力由于伸臂桁架的作用使得56

图9　各地震波作用下结构层间位移角对比

构中上部的地震作用较大,为结构的薄弱层,在结构设计中应予以注意,并采取加强措施。

由图10可见,不同地震波作用下结构基底剪力时程存在显著的差异,结构基底剪力的峰值及其出现的时刻也相差较大,其中以场地人工波作用下结构峰值基底剪力最大,其次是ElCentro波,最后是Taft波。314弹塑性动力时程分析

采用ABAQUS软件对结构进行动力弹塑性时程分析,框架柱、梁采用三维梁单元,楼板及剪力墙采用三维壳单元。钢筋混凝土构件单元参照弹性计算结果及规范要求配置钢筋,混凝土采用塑性损伤破坏模型,钢材采用等向强化二折线模型[3,4]。弹塑性计算模型总单元数约16万,密;,图11为ElY向顶点位移曲线,表3为Centro波和人工波作用下结构层间位移角、顶点最大位移及主要构件最大应力的计算结果。由图表可知,在罕遇地震作用下,结构层间位移角小于规范限值要求,最大层间侧移角为1Π357(结构X向ElCentro波作用下),可见结构主要构件基本处于弹性工作状态,少数单元进入塑性工作状态。部分楼层楼板和连梁出现了明显的混凝土受压损伤,核心筒剪力墙混凝土局部出现了开裂,但钢筋未达到屈服,实现了罕遇地震作用下结构抗震的性能目标

。

提高核心筒剪力墙的延性和抗弯能力。

(2)增加加强层上下楼板的厚度,将其设置为180mm,相邻上下层楼板厚度设置为150mm,同时采用双向双层拉通配筋方式,以使加强层具有传递巨大剪力的作用。

(3)根据动力分析结果,结构中上部层间位移角相

图10　结构X向基底

剪力时程变化

　

　

图11　结构Y向顶点位移

时程曲线

弹塑性计算结果

地震波

ElCentro

表3

人工波

X向Y向X向Y向

弹性　　　　1Π35331Π39211Π30211Π1855

最大层间位移角

弹塑性　　　1Π3571Π3621Π6821Π370伸臂桁架腹杆[1**********]3

应力ΠMPa

剪力墙钢筋　[1**********]7

顶点最大位移Πmm[1**********]4

对较大,基于安全性考虑,将核心筒剪力墙在结构上部

保持800mm的厚度和C40的混凝土强度等级,不再减小,同时于层53～68内设置约束边缘构件。

(4),加强电梯两侧连梁的,2的连梁设置交叉暗,,并经。

(5)加强层伸臂桁架内的腹杆采用Q235钢材,以使其在大震作用下首先进入屈服状态,实现加强层有限刚度的目标。

(6)加强层为刚度突变的楼层,按照高规的规定楼层总剪力放大112倍。5　结论

(1)概念设计对于高层结构方案的合理、经济及有效选取非常重要,不仅能考虑结构设计的合理性,而且还能充分考虑建筑的使用要求,进而满足建筑物的安全性、适用性和耐久性的要求。

(2)对于该超限高层结构体系,结构的地震响应与一般结构有所不同,结构中上部层间位移角相对较大,在设计中应予以注意,并采取相应加强措施。

(3)加强层的布置力求合理,保证其刚度适宜,尽量减小其对整体结构的不利影响,并提高结构的抗震性能,减小结构变形,有效改善结构的安全可靠性能。

(4)对多遇及罕遇地震作用的计算分析结果表明,该工程能达到预定的性能设计目标,有效保证了结构在地震作用下的安全使用性能。

(5)动力弹塑性分析有利于设计人员准确找出结构薄弱部位,有针对性地采取相应的抗震加强措施,而不是盲目依据规范要求对加强区进行加强,从而在保证安全可靠的前提下实现经济效益。

参

考

文

献

[1]JGJ3—2002高层建筑结构混凝土技术规程[S].北京:中国建筑

4　超限处理措施

工业出版社,2002.

[2]GB50011—2001建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出

根据以上分析,在结构设计中相应采取以下措施

提高结构的抗震性能:

(1)核心筒剪力墙的角部和楼面主梁搁置处核心筒墙肢中均设置型钢或配筋芯柱,核心筒底部加强区边缘构件及层52～54短肢剪力墙内设置密排型钢,以

版社,2001.

[3]徐培福.复杂高层建筑结构设计[M].北京:中国建筑工业出版

社,2005.

[4]张劲,王庆扬,胡守营,等.ABAQUS混凝土损伤塑性模型参数

验证[J].建筑结构,2008,38(8):1272130.

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