强框架弱核心筒超限高层结构设计

刘 庆 伟

(上海智英化工技术有限公司，上海 200333)



强框架弱核心筒超限高层结构设计

刘 庆 伟

(上海智英化工技术有限公司，上海 200333)

以某超限高层工程为例，从结构计算和性能化设计等方面，对强框架弱核心筒结构实例进行了分析论证，结果表明，强框架弱核心筒超限结构能够满足规范规定的抗震设防目标。

强框架弱核心筒，超限高层，地震，剪力

1 概述

普通框架—核心筒结构，在规定的水平力作用下结构底层框架部分承担的倾覆弯矩比一般为10%～40%。某工程为B级高度超限高层，底层框架承担的倾覆弯矩比为48%左右，接近规范限值50%。对于超限高层从严控制的指导原则，工程被判定为强框架弱核心筒超限高层。根据超限审查要求，结构做了小震、中震、大震分析和性能化设计，最终通过超限审查要求。

2 结构总体分析

2.1 结构体系概述

工程结构高度147.500 m，属于B类高层。标准层平面长向60.900 m，短向最大26.300 m，高宽比5.61，长宽比为2.32。采用框架—核心筒结构，嵌固端为地下室顶板，框架和筒体抗震等级均为一级。地下室与其他塔楼地下室连成整体，塔楼外区域地下室结构采用框架结构。地下1层主楼及周围相关范围内结构抗震等级同上部结构，地下2层、3层主楼及周围相关范围内结构抗震等级分别为二级、三级。

主楼楼盖均采用现浇钢筋混凝土梁板体系。核心筒内板厚取150 mm，核心筒外板厚以120 mm为主局部150 mm。主要框架梁尺寸为400 mm×650 mm，主要剪力墙厚度由下至上由700 mm逐级递减至300 mm，主要框架柱尺寸自下至上由1 400 mm×1 400 mm逐级变化至700 mm×700 mm。竖向构件混凝土强度等级自下至上由C60逐级变化至C30，主楼梁板混凝土强度等级均采用C30。

2.2 地震动参数

根据《地震安全性评价报告》《建筑抗震设计规范》《岩土工程勘察报告》及南通地方规定，地震参数取值如下：

抗震设防类别：丙类；

抗震设防烈度：7度0.10g；

设计地震第二组：场地类别Ⅲ类；

场地特征周期:0.60 s(计算罕遇地震时，增加0.05 s)。

水平地震影响系数最大值：小震0.08,大震0.50。

2.3 结构超限分析

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》以及《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》，结构具体超限条款情况为：

1)对于7度设防地区，框架—核心筒结构高度超过130 m，属于B级高度高层建筑，高度超限。

2)经计算分析结果表明，楼层最大弹性水平位移大于楼层两端弹性水平位移平均值的1.2倍，小于1.4倍，属于平面扭转不规则。

3)底层框架承担的倾覆弯矩比为48%左右，接近规范限值50%，为强框架弱核心筒结构。

2.4 结构抗震性能目标

按照JGJ 3—2010高层建筑混凝土结构设计规范3.11.1条，该超限高层结构抗震性能目标为C等级，建筑物预期的抗震性能目标具体要求见表1。

表1 建筑物预期抗震性能目标表

2.5 小震作用结构计算

2.5.1 SATWE与MIDAS主要分析结果对比

1)结构自振周期见表2。

表2 结构自振周期表

2)水平荷载作用下的结构响应见表3。

从表2，表3结果可以看出，两个程序结构质量基本相同，自振周期相差不大，大部分指标基本接近，可以互相验证，两个程序计算结果都能满足规范要求。PKPM内力计算结果略大于MIDAS计算结果，用于结构设计是偏安全的。

2.5.2 SATWE小震弹性时程分析

小震弹性时程分析计算时，根据设计地震分组第二组，场地类别Ⅲ类，共选用7组地震加速度时程曲线。其中5组为实际强震记录，2组为人工模拟。所选用的地震加速度时程曲线均符合该工程场地地震动的频谱特性、有效峰值和持续时间等要求。加速度时程曲线在主方向输入的峰值为35 cm/s2，在次方向输入的峰值为29.75 cm/s2。

表3 水平荷载作用下的结构响应表

小震弹性时程分析计算结果表明：7条时程曲线所计算的结构底部剪力均分别大于振型分解反应谱法计算结果的65%，7条时程曲线所得结构底部剪力的平均值大于振型分解反应谱法计算结果的80%。从最大楼层剪力曲线图来看，时程分析平均值较反应谱法小。反应谱法计算的结构响应(层间位移角)结果大于时程分析的平均值。可见采用反应谱法来进行结构抗震设计是偏安全的。

2.6 中震作用结构计算

2.6.1 中震弹性计算

中震弹性验算在SATWE中的实现：按中震输入αmax(0.23)，构件抗震等级指定为4级(不考虑地震组合内力调整)。

计算结果表明，框架柱、底部加强区墙体剪压比满足规范要求，柱箍筋、墙水平筋较小震结果大。施工图设计中应按中震弹性复核框架柱、底部加强区墙体水平配筋。

2.6.2 中震不屈服计算

中震不屈服验算在SATWE中的实现：按中震输入αmax(0.23)，构件抗震等级指定为4级(不考虑地震组合内力调整)，并选择按中震不屈服做结构设计。中震不屈服设计不考虑荷载分项系数，材料强度采用标准值，地震组合内力和抗震调整系数均不考虑调整。

计算结果表明，墙、柱纵筋均较小震结果大。施工图设计时应按中震不屈服复核框架柱、底部加强区墙体竖向配筋。

底部加强区墙体约束边缘构件配筋率接近4%，为增强墙体延性，将约束边缘构件部分纵筋按拉力相等的原则替换成型钢配置在边缘构件内。

2.7 大震作用结构计算

该工程大震弹塑性时程分析求解器采用ABAQUS/STANDARD和ABAQUS/EXPLICIT，采用基于显式积分的动力弹塑性分析方法。根据实际情况，大震弹塑性时程分析过程分为三个部分，分别为：施工加载计算、附加恒载+0.5活加载计算、地震波时程计算。地震波由地震工程研究所根据结构特征周期及场地地震动参数提供，时程峰值加速度为220 cm/s2。计算采用了2组天然波，1组人工波。

在3组地震波作用下，该结构的弹塑性计算结果整体如下：

1)整个时间历程的动力弹塑性计算，每组波均能顺利完成，且数值收敛性较好。

2)大震计算结果表明，该结构在地震波计算完成后处于稳定状态，满足规范要求的大震不倒的抗震设防目标。

3)结构在X方向基底剪力最大值为56 481.20 kN，对应的剪重比为6.05%；在Y方向基底剪力最大值为69 244.40 kN，对应的剪重比为7.42%。

4)结构在X方向的层间位移角最大值为1/138，发生在第26层；结构在Y方向的层间位移角最大值为1/110，发生在第42层。均满足钢筋混凝土框架—核心筒层间位移角不大于1/100的规范要求。

5)结构在X,Y2个主方向柱顶最大位移分别为709 mm，755 mm，分别为结构高度的1/216和1/202。

6)计算结果表明大震下本项目整体响应指标满足设计要求。

大震地震波作用下结构的基底剪力值见表4。

表4 大震地震波作用下结构的基底剪力值

3 结语

通过对结构小震反应谱分析、小震弹性时程分析，大震弹塑性性能分析，对核心筒底部加强区剪力墙按抗剪中震弹性、抗弯中震不屈服进行性能化设计，对框架柱全高按抗弯中震不屈服、抗剪中震弹性进行性能化设计。该强框架弱核心筒结构能够满足“小震不坏，中震可修，大震不倒”的抗震设防目标。

參考文献：

[1] JGJ 3—2010,高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[2] GB 50011—2010,建筑抗震设计规范[S].

Design of super high-rise building structure with strong frame and weak core tube

Liu Qingwei

(ShanghaiZhiyingChemicalTechnologyCo.,Ltd,Shanghai200333,China)

Taking the super high-rise building engineering as an example, starting from aspects of structural computation and performance design, the paper carries out analysis and discussion for the structure with strong frame and weak core tube. Results show that: the super high-rise structure with strong frame and weak core tube can meet seismic preventing demands.

strong frame and weak core tube, super high-rise building, earthquake, shearing force

1009-6825(2017)15-0035-02

2017-03-13

刘庆伟(1976- )，男，工程师，一级注册结构师

TU318

A