天津卓越大厦超限高层结构分析与设计

王湘安 孟范辉 单玉坤

1 结构概况

天津卓越大厦主体建筑由两座高层主楼、裙楼及地下室几部分组成,层数为53层,标准层层高均为2.9 m,结构主体高度为158.3 m,结构形式为钢筋混凝土剪力墙结构。工程设防烈度为7度,设计地震分组为第一组,设计基本地震加速度为0.15g,场地类别Ⅲ类,特征周期为0.52 s,建筑物抗震设防类别为丙类。本工程采用了多个软件(SATWE,MIDAS-Gen)进行常规弹性计算分析,并采用非线性版本的MIDAS-Gen,EPDA进行了Pushover和弹塑性时程分析。

2 地下室及基础设计

本工程整个建筑场地范围均为两层地下室,地下1层,2层层高分别为5.4 m,6.5 m。由于建筑物主体与裙房部分高度差异较大,因此设计过程中控制各部分基础沉降差异是比较关键的因素,同时局部裙房处的抗浮设计以及基础设计过程考虑水浮力的影响也是一个重要环节。其中主楼采用桩—筏基础形式,选用900 mm直径的钻孔灌注桩,有效桩长约为50.8 m,为进一步提高桩基承载力采用桩底后压浆工艺,单桩极限承载力标准值为11 900 k N。裙房下采用600 mm直径钻孔灌注桩,有效桩长约为25 m,单桩抗拔极限承载力标准值为1 600 kN,抗压极限承载力标准值为2 500 kN,裙房柱下设置独立承台,各承台之间以600 mm厚隔水筏板相连。

裙房部分设计时考虑抗浮水位及历史最低水位下的不同工况组合,按照最不利效应进行桩型选择及布桩设计。同时在设计过程中考虑长期稳定最低水位对基础设计的有利影响,适当减少布桩数量,提高基础设计的经济指标。

表1 振型指标

3 结构弹性分析

本工程弹性计算分析分别采用空间分析程序SATWE和MIDAS-Gen独立建模。均采用整体空间结构模型,几何模型为线、板单元,各单元由节点相连。地面标高计算至地下室顶面,与此边界连接的节点设为固定。楼面荷载、风荷载、地震作用等按本工程设计及国家规范进行设置。从表1,表2各项数据的对比来看,两软件计算的指标总体均比较吻合。

表2 变形验算

弹性时程分析分别采用两条天然地震波(US05X&US05Y,US36X&US36Y)和一条人工模拟波(S755X&S755Y)进行弹性时程分析。峰值加速度主方向为55 cm/s2,次方向为47 cm/s2。根据图1,图2中数据可以看出,时程方法能够更为有效的显示结构高振型的反应,设计过程将振型分解反应谱法的地震力适当放大,经过计算,其各层楼层剪力均大于时程分析法的楼层剪力指标。

4 结构超限情况及设防目标

本工程根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》对结构进行检查,首先本工程为高度超限,以及存在有扭转不规则、楼板不连续、局部转换这三项一般规则性超限,因此针对超限情况采取以下措施:

1)确定相应性能目标,通过小震、中震及大震计算,验证构件轴压比、抗剪、抗弯承载力,保证各项指标均符合规范要求,确保不同构件符合相应性能指标的要求。同时通过截面设计和抗震构造措施,保证构件承载能力。

2)适当加大结构高宽比指标、设置一定数量的完整长墙、开洞处适当增设连接板等措施,保证结构体系合理性。

3)通过非线性推覆分析、大震下动力弹塑性时程分析,验算结构层间位移角,满足规范大震不倒的要求。

4)在框支柱及转换梁中设置型钢,适当提高转换构件的承载力和延性。

5 静力弹塑性分析(Pushover Analysis)

5.1 单元模型和分析方法

本工程Pushover分析采用大型通用有限元程序 MIDASGen,该程序利用 ATC-40(1996年)和 FEMA-273(1997年)中提供的能力谱法(Capacity Spectrum Method,CSM)评价结构的耐震性能,计算模型使用的单元类型有三维梁—柱单元(3-dimensional beam-column element)、三维墙单元(3-dimensional wall element)。Pushover分析过程在各框架梁及连梁的梁端设置了弯矩铰(MyMz),在钢筋混凝土墙中及框架柱端部均设置了PMM铰,并按照ATC-40所建议的方法分别定义了各铰的性能骨架曲线。本工程中对X,Y两个方向分别进行了Pushover分析。注意到结构分别沿X向,Y向的第一、二振型的振型参与质量成分很大,而且结构沿竖向分布均匀,因此,我们在进行 Pushover分析时,采用的是振型进行侧推的水平目标位移的位移控制法。

5.2 分析结果

图3,图4分别为结构在沿X方向,Y方向罕遇地震作用下Pushover能力曲线及地震需求谱线共同绘制在同一坐标系(ADRS)下的分析结果。该罕遇地震性能控制点所对应的结构状态反映了结构在7度罕遇地震下的工作状态。现考察对应时刻的结构状态如下:

X向、Y向加载罕遇地震性能控制点所对应的结构顶点位移分别为0.723 5 m,0.638 0 m,此时结构基底剪力分别为60 900 k N,81 810 k N。X向最大层间位移角出现在第31层,为1/167,Y向最大层间位移角出现在33层,为1/190,均小于规范规定的层间位移角限值。

考察结构的出铰顺序和部位如下:X方向当结构顶点位移在0.103 m(约相当于小震水平)之前,除了中间层极少数中筒处连梁产生塑性铰外,整个结构基本保持弹性。当结构顶点位移在0.291 m(约相当于中震水平)时,在底部墙体及上部个别墙体出现了少量塑性铰,在中筒连梁及其外圈的剪力墙的连梁处也出现部分塑性铰。随着侧推的继续,剪力墙塑性铰出铰的区域逐渐向整个结构蔓延,梁塑性铰的数量也逐渐增多。当达到罕遇地震性能控制点时,剪力墙上出现了一定数量的塑性铰,平面位置主要集中在两侧外墙及中筒处,平面两端山墙上塑性铰集中在底部,上部也出现少许,中筒处塑性铰主要出现在结构底部,其中少部分墙体的出铰程度已经比较深;梁的塑性铰几乎遍布整个结构,除中筒连梁外其他出铰连梁大多处于B-IO阶段。Y方向情况与X方向基本相同。

6 弹塑性动力时程分析

采用EPDA弹塑性动力分析程序对本工程进行了非线性动力时程分析。采用两条天然地震波(US64X&US64Y,US78X&US78Y)和一条人工模拟波(L760X&L760Y)进行弹性时程分析。峰值加速度主方向为310 cm/s2,次方向为264 cm/s2。通过分析三条波作用下塑性铰的分布,可以看出塑性铰最先在连梁部位出现,然后是底部剪力墙出现塑性铰,墙铰和梁铰主要分布在底部和顶部,最后有一定数量的梁、柱及剪力墙连梁均出现了塑性铰。

总体来看,剪力墙底部外围墙肢出现塑性铰时间较早,比例较高,其分析规律也与静力弹塑性结果一致,可以在相应部位采取适当加强措施以保证大震下安全性的要求。

7 结语

超限高层应首先根据自身情况确定不同部位的相应性能目标,通过小震、中震及大震下的计算分析得出结构在不同阶段的反应,分析塑性铰出现规律和罕遇地震性能点时刻的状态,采取相应措施保证建筑物达到“小震不坏、中震可修、大震不倒”的要求。

[1] JGJ 3-2002,高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[2] 汪大绥,贺军利.带有剪力墙(筒体)结构静力弹塑性分析方法与应用[J].建筑结构,2006(3):45-46.

[3] 徐至钧,赵锡宏.超高层建筑土结构设计与施工[M].北京:机械工业出版社,2007.

[4] 赵 华.高层建筑结构选型的复杂性研究[J].山西建筑,2008,34(13):87-88.