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高度超限高層建筑抗震性能化設(shè)計分析論文
1、工程概況
金融城起步區(qū)A007-1地塊項目A塔樓位于廣州市金融城的A007地塊，是金融城起步區(qū)A007-1地塊項目中集商業(yè)、辦公于一體的超高層塔樓。A塔樓包括四層地下室，地上40層，總結(jié)構(gòu)高度172m。本工程地下負(fù)四層、負(fù)三層及負(fù)二層主要為停車及設(shè)備用房，負(fù)一層及地上4層裙房為商業(yè)用房；A塔樓36層塔樓中，除16層、24層及34層為避難層外，其余均為辦公用房。
本工程抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度，基本地震加速度為0.10g，設(shè)計地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類。由于A塔樓負(fù)一層至四層為人流密集的大型的商業(yè)建筑，抗震設(shè)防類別確定為重點(diǎn)設(shè)防類（乙類），抗震措施提高一度按Ⅷ度考慮；其余均為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類（丙類）。本工程塔樓結(jié)構(gòu)高度為172m，采用鋼筋混凝土框架—核心筒結(jié)構(gòu)體系，周邊框架柱8層以下采用型鋼混凝土柱，核心筒為鋼筋混凝土剪力墻。
2、結(jié)構(gòu)體系與結(jié)構(gòu)布置
2.1、結(jié)構(gòu)體系
通過前期對結(jié)構(gòu)方案的合理性及經(jīng)濟(jì)性的比選，本工程B級高度的A塔樓確定采用鋼筋混凝土框架—核心筒結(jié)構(gòu)體系。A塔樓高寬比約為4.61，核心筒由樓梯間、電梯筒以及設(shè)備服務(wù)用房構(gòu)成，與外框架共同為超高層塔樓提供了良好的抗側(cè)力剛度。
核心筒高寬比約為13.23，大于高規(guī)建議的高寬比12，并且在25層以上取消A-2軸（Y向）的一片主要受力剪力墻，造成Y向的整體穩(wěn)定性和側(cè)向剛度較弱。為提高Y向整體穩(wěn)定性和側(cè)向剛度，剪力墻厚度取為800~500mm。
由于首層大堂建筑的要求，形成10m通高無側(cè)向約束的外框框架柱，考慮到下部樓層框架柱的截面控制要求并提高框架柱的延性，框架柱8層以下采用鋼骨混凝土柱，含鋼率約為5%；其中9層和10層為過渡層，含鋼率約為2.5%。
2.2、樓蓋體系
根據(jù)結(jié)構(gòu)體系特點(diǎn)、使用要求和施工條件，本工程均采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓蓋體系。
地下室底板采用平板結(jié)構(gòu)，板厚700mm；負(fù)三層及負(fù)二層采用無梁樓蓋，板厚300mm，其中人防區(qū)域板厚350mm；負(fù)一層及以上樓層采用梁板結(jié)構(gòu)，負(fù)一層板厚180mm，首層板厚150mm，地上部分板厚為100、120mm等。剪力墻核心筒由樓梯間、電梯筒以及設(shè)備服務(wù)用房等構(gòu)成，開洞較多，為加強(qiáng)筒體剪力墻的共同協(xié)調(diào)受力，板厚為150mm。
2.3、計算嵌固端的確定
本工程首層樓板存在大開洞的情況，設(shè)計時考慮以地下室負(fù)一層樓板做為嵌固端，此樓層采用現(xiàn)澆梁板樓蓋結(jié)構(gòu)，樓板厚為180mm，采用雙層雙向配筋，且每層每個方向的配筋率大于0.25%；同時在不考慮地下室側(cè)約束的情況下由計算得地下二層與地下一層側(cè)向剛度比大于2，故本工程嵌固部位確定為地下室負(fù)一層。
3、荷載與地震作用
3.1、樓面荷載
本項目各區(qū)域的樓面荷載（附加恒載與活荷載）按規(guī)范與實際做法而取值。
3.2、風(fēng)荷載及地震作用
根據(jù)廣東省標(biāo)準(zhǔn)的要求，結(jié)構(gòu)承載力計算時按廣州市重現(xiàn)期為50年的基本風(fēng)壓0.55kN/m2（A塔樓是對風(fēng)荷載比較敏感的高層建筑，承載力設(shè)計時按基本風(fēng)壓0.50kN/m2的1.1倍考慮）考慮，結(jié)構(gòu)位移驗算時按重現(xiàn)期為50年的基本風(fēng)壓0.50kN/m2考慮，建筑物地面粗糙度類別為B類。風(fēng)荷載的取值是基于廣東省建筑科學(xué)研究院提供的《廣州國際金融城A007-1地塊項目風(fēng)致結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析報告》（2014年5月13日）以及荷載規(guī)范。
地震作用計算以國標(biāo)GB50011-2010為標(biāo)準(zhǔn)，并參考場地地震安全性評估報告及第一次地質(zhì)詳勘報告的結(jié)果，小震計算取規(guī)范與安評報告的包絡(luò)值，中震與大震計算按規(guī)范的參數(shù)。
4、結(jié)構(gòu)超限判別及抗震性能目標(biāo)
本工程塔樓采用鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，按照《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（GDDBJ15-92-2013）的規(guī)定，框架－核心筒結(jié)構(gòu)7度（0.1g）高層建筑的A級和B級適用的最大適用高度分別為130m、180m，本工程塔樓高172m，超過規(guī)范A級高度的33%，但未超過B級高度。
本工程結(jié)構(gòu)類型符合現(xiàn)行規(guī)范的適用范圍，僅存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、樓板不連續(xù)等1.5項不規(guī)則類別，本工程屬B級高度的超限高層建筑。針對結(jié)構(gòu)高度及不規(guī)則情況，設(shè)計采用結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計方法進(jìn)行分析和論證。設(shè)計根據(jù)結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的薄弱部位及需要加強(qiáng)的關(guān)鍵部位。
5、結(jié)構(gòu)計算與分析
5.1、小震及風(fēng)荷載作用分析
本工程多遇地震作用分析采用了振型分解反應(yīng)譜法和彈性時程分析法，使用軟件為SATWE與GSSAP。
本工程為B級高度高層結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度，根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第4.3.4條第2、3款和第5.1.13條的規(guī)定，需進(jìn)行彈性時程分析法進(jìn)行多遇地震下的補(bǔ)充計算。
采用SATWE進(jìn)行彈性動力時程分析，輸入地震波為兩組實際地震記錄（SATWE軟件選波），并再由《廣州國際金融城A007-1地塊項目工程場地地震安全性評價報告》提供的地震波中選取一條場地合成人工波USER2（tt63%-2）輸入SATWE進(jìn)行彈性動力時程分析。進(jìn)行彈性動力分析時按Ⅶ度地震2類土，50年時限內(nèi)超越概率為63.2%（小震），阻尼比為0.05考慮。
5.2、中震作用分析
對設(shè)防烈度地震（中震）作用下，除普通樓板、次梁以外所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力，根據(jù)其抗震性能目標(biāo)要求，按最不利荷載組合進(jìn)行驗算，分別進(jìn)行了中震彈性和中震不屈服的受力分析。計算中震作用時，水平最大地震影響系數(shù)αmax按規(guī)范取值為0.23，阻尼比為0.05。
采用中震彈性方法和中震不屈服方法對結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行計算，并將計算得到的內(nèi)力對各關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行了詳細(xì)的構(gòu)件驗算。結(jié)果顯示：關(guān)鍵部位剪力墻核心筒墻體、跨層柱滿足抗彎不屈服、抗剪彈性的要求，懸臂梁滿足彈性要求；框架柱滿足抗彎、抗剪不屈服；框架梁滿足抗彎、抗剪不屈服，Y向外框圈梁局部出現(xiàn)抗彎屈服；部分內(nèi)外筒Y向連系框架梁出現(xiàn)抗彎屈服，部分樓層的連梁出來超筋的情況，但其均滿足抗剪截面驗算的要求。整體屬輕度損壞。
5.3、罕遇地震下的彈塑性時程分析
本工程的罕遇地震作用下的彈塑性時程分析采用了PER－FORM-3D以及通用有限元程序SATWE進(jìn)行對比分析驗證。根據(jù)規(guī)范的要求，分析中使用不少于7組地震波輸入，其中要有五組真實地震記錄和兩組人工地震記錄。七組地震波均按照三向輸入。其加速度最大值按照1（水平1）：0.85（水平2）：0.65（豎向）的比例調(diào)整。在復(fù)雜彈塑性計算開始之前，將大震彈性反應(yīng)譜和大震彈性時程分析基底反力進(jìn)行了比較，以確保地震波的選取正確。
本工程采用彈塑性時程分析技術(shù)方法進(jìn)行驗算，底部加強(qiáng)區(qū)核心筒（負(fù)1~4層）存在1%的墻鋼筋進(jìn)入屈服，處于直接居住極限狀態(tài)以下，部分剪力墻出現(xiàn)出現(xiàn)輕微到中度損傷，滿足最小截面驗算要求；非底部加強(qiáng)區(qū)核心筒墻體混凝土輕微至輕度損傷，鋼筋未出現(xiàn)塑性應(yīng)變，滿足最小截面驗算要求；跨層柱、懸臂梁滿足不屈服；2層和頂層部分框架柱出現(xiàn)屈服，滿足最小抗剪截面驗算；個別位置外框梁屈服；大部分連梁和普通框架梁出現(xiàn)塑性，小部分連梁和普通框架梁出現(xiàn)抗彎損壞，但其均滿足抗剪截面驗算的要求。整體結(jié)構(gòu)屬輕度損壞，滿足罕遇地震作用下抗震性能目標(biāo)。
6、結(jié)論
（1）本工程塔樓結(jié)構(gòu)高度172.8m，存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、樓板不連續(xù)等多項不規(guī)則，結(jié)構(gòu)設(shè)計通過概念設(shè)計、方案優(yōu)選、詳細(xì)的分析及合理的設(shè)計構(gòu)造，采用的局部樓層框架柱為鋼骨混凝土柱的鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，滿足設(shè)定的性能目標(biāo)要求，結(jié)構(gòu)方案經(jīng)濟(jì)合理，抗震性能良好。
（2）本工程A塔樓在25層以上取消A-2軸（Y向）的一片主要受力剪力墻，造成Y向的整體穩(wěn)定性和側(cè)向剛度較弱。在罕遇地震作用下收進(jìn)樓層以上的剪力墻出現(xiàn)輕度損傷，應(yīng)增大此處的剪力墻鋼筋，提高剪力墻的延性，增強(qiáng)Y向整體穩(wěn)定性和側(cè)向剛度。
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