廣州國際金融中心超限高層結構設計

1、第 42卷 第 7期 2012年 7月 建 筑 結 構 Building Structure Vol42No7Jul2012廣州某國際金融中心超限高層結構設計林瑤明 , 林 凡 , 方小丹 , 韋 宏(華南理工大學建筑設計研究院 , 廣州 510640摘要 廣州某國際金融中心為高度 170m 的超限高層建筑 , 采用鋼管混凝土柱框架 -混凝土筒體結構體系 。 采用 SATWE , ETABS 進行多遇 地 震 作 用 和 風 荷 載 作 用 下 結 構 的 計 算 分 析 , 采 用 SATWE 進 行 彈 性 時 程 分 析 , 采 用 PUSHEPDA進行大震下的靜力彈塑性推覆分析 (Pu

2、shover 和動力彈塑性時程分析 ; 同時用 ETABS 分析了 樓 板 在 小震 、 中震及大震作用下的應力 。 計算結果表明該結構滿足規(guī)范的各項要求 , 并采取了一些構造加強措施 , 可供同 類工程參考 。關鍵詞 超限高層建筑 ; 鋼管混凝土柱 ; 彈塑性分析 ; 時程分析 ; 加強措施 中圖分類號 :TU355文獻標識碼 :A文章編號 :1002-848X (2012 07-0017-05Structure design on ultra-limit high-rise building of an international financial center in Guangzhou

3、Lin Yaoming , Lin Fan , Fang Xiaodan , Wei Hong(Architectural Design Research Institute of South China University of Technology , Guangzhou 510640, China Abstract :An international financial center in Guangzhou is a ultra-limit high-rise building of 170meters high , with concrete filled steel tubula

4、r (CFST column-concrete corewall structure systemThe structure was analyzed by SATWE and ETABS under frequent earthquake and wind loadThe elastic time history analysis under frequent earthquake by SATWE , elastic-plastic static analysis (Pushover and elastic-plastic dynamic analysis (EPDA under rare

5、 earthquake byPUSHEPDAwere carried outThe stress of floor under several earthquake cases was analyzed by ETABSThe results meet requirements of technical codes and some strengthening measures have also been used to ensure the security of the structureIt can be a reference for other similar projectsKe

6、ywords :ultra-limit high-rise building ; concrete filled steel tubular (CFST column ; elastic-plastic analysis ; time history analysis ; strengthening measure 作者簡介 :林瑤明 , 碩士 , 高級工程師 ,Email :gzlym263net 。 1工程概況廣州某國際金融中心 (圖 1 位于廣州市珠江新城 , 由 A , B 兩座塔樓組成 。 兩座塔樓地上 38層 , 高 度 170. 3m , 屬 B 級高度 的 鋼 筋 混 凝土高層

7、建筑 , 建筑面積 13. 7萬 m 2; 地下 3層 , 底板面標高 14. 2m , 建筑面積為 3. 0萬 m 2。 采用鋼管混凝土柱框架 -混凝土筒體結構體系 , 利用電梯井 、 樓梯間 、 衛(wèi)生間和 設備間布置落地核心筒 , 核心筒承受大部分的水平 剪力和傾覆力矩 ,為主 要 的 抗 側 力構件 。 框架柱采 用鋼管混凝土柱 , 抗震 性 能 優(yōu) 良 。 樓蓋為現(xiàn)澆混凝 土梁板結構 , 整體性良好 , 鋼管混凝土柱與混凝土梁 的連接采 用 環(huán) 梁 節(jié) 點 1。 整 個 結 構 體 系 傳 力 路 線明確直接 。工程場地的地震基本烈度為 7度 , 工程的抗震 設防類別為丙類 , 可按

8、本 地 區(qū) 設 防 烈度采取抗震措 施 , 剪力墻抗震等級為一級 , 框 架 抗震等級為一級 。 因 A , B 兩座塔樓結構類型和平面相似 , 文中僅對 A 塔樓進行介紹 , 圖 2為 A 塔樓各層結構平面圖 。鋼管混凝 土 柱 最 大 直 徑 1400mm , 壁 厚 25mm , 層 6開始壁厚減為 20mm , 材質為 Q345B , 從層 12開 始每隔 5層 直 徑 縮 減 50mm , 層 36及 以 上 直 徑為圖 1效果圖1100mm 。 鋼管混 凝 土 柱 核 心 混 凝 土 強 度 等 級 :層 3及以 下 為 C70, 層 4 15為 C60, 層 16 21為 C55

9、, 層 22 33為 C50, 層 34及 以 上 為 C45。 核 心 筒 剪 力 墻 在 軸 、軸 ? 處 為 700mm 厚 , 其 他 地 方 基 本 為 400mm 厚 。 剪 力 墻 混 凝 土強 度 等 級 :層 3及 以 下 為 C70, 層 4 9為C65, 層 10 15為 C60, 層 16 21為 C55, 層 22 26為 C50, 層 27 33為 C45, 層 34及以上為 C40。根據(jù)工程場地地震安全性評價報告2(簡稱安評報告 和 建筑抗震設計規(guī)范 (GB 50011 2001 (簡稱抗震規(guī)范 提供的標準反應譜曲線 , 作出在第 一 、三設防水準階段 安評報告

10、和 規(guī) 范 反應譜曲線對 比圖 , 見圖 3。建 筑 結 構 2012年 圖 2A 塔樓各層結構平面圖由圖 3可見 , 對應于本工程 X 向第 1周期 和 Y 向第 1周期 , 按規(guī)范 標準反 應 譜 計 算所得的地震影 響系數(shù) 均 大 于 按 安 評 報 告 提 供 的 工 程 場 地 反 應 譜計算的結 果 ,因 而 認 為 在 第 一 設 防 水 準 階 段 (小 震 , 可按抗震規(guī)范提供的設防烈度 7度 、 設計地震 分組第一組 、 類場地 的 反 應 譜 參 數(shù)進行地震作用 計算 。 在長周期段 , 安評報告的地震 影響系數(shù) 小 于按規(guī)范大震標準反應譜的 計算值 , 因而在采用靜 力

11、彈塑性分析方法對建筑物在罕遇地震作用下進行 彈塑性變形驗算時 , 為 偏于 安 全 采 用規(guī)范大震標準 反應譜作為等效單自由度體系的彈性需求譜 。 圖 3安評報告和規(guī)范反應譜曲線對比圖2超限情況參照抗震 規(guī) 范 、 高 層 建 筑 混 凝 土 結 構 技 術 規(guī) 程 (JGJ 3 2002 (簡稱高 規(guī) 及 廣 東 省 實 施 高 層建筑混凝土結構技術規(guī)程 (JGJ 3 2002 補充規(guī) 定 (簡稱廣東 補 充 規(guī) 定 , 根 據(jù) 結 構 平 面 布 置 及 試 算結果 , 工程屬超限高層建筑 , 超限內容有 :1 塔樓 高度均為 170. 3m , 超過了規(guī)范 A 級高度的限值 , 屬 B

12、級高度的高層建筑 ; 2 塔樓為 L 形平面 , 有較長的 樓板外伸段 。 A 塔樓的 l /B max =0. 43(l 為平面突出 的部分 , B max 為平面的最大寬度 , 超過規(guī)范限值 , 屬 平面凹凸不規(guī)則 ; 3 扭轉不規(guī)則 ,A 塔樓屬扭轉不規(guī) 則 類 ; 4 Y 向質心與剛心偏置較大 。 因 核 心 筒 在 Y 向偏置 , 標準 層 X 向 偏 心 距 為 0. 07, 而 Y 向 偏 心 距則達到 0. 29, 偏心較大 。 3結構整體分析3. 1計算模型采用 SATWE 和 ETABS 兩個不同力學模型的三 維空間分析軟件進行了多遇地震作用和風荷載作用 下結構的內力和位移

13、計算 。 由于塔樓均屬于平面凹 凸不規(guī)則 , 周期折減系數(shù)取 0. 9, 中梁剛度放大系數(shù) 取 2, 采用剛性樓蓋模型 , 考慮雙向地震及扭轉耦聯(lián) 振動影響 。 圖 4為 A 塔樓的計算模型和前 3階振型 圖 。 SATWE 和 ETABS 主要計算結果見表 1。81第 42卷 第 7期 林瑤明 , 等 廣州某國際金融中心超限高層結構設計A 塔樓計算結果表 1計算軟件SATWEETABS周期T 1/s5. 52505. 1266T 2/s 4. 49184. 4166T 3/s 3. 33583. 1963T t /T 10. 6040. 611地震作用樓層豎向構件最大水平位移 平均水平位移X

14、 向Y 向 130126129120最大層間位移角X 向 Y 向 1/9831/8461/8921/83450年一遇風荷載作用下最大層間位移角X 向 Y 向1/21001/7701/21601/920 圖 4計算模型及前 3階振型的三維圖3. 2結果分析通過 2個程序的計算對比可以看出 ,SATWE 和 ETABS 兩個程 序 的 主 要 計 算 結 果 比 較 接 近 。 對 結 果分析如下 :(1 根據(jù)高 規(guī) 4. 3. 5條 規(guī) 定 , 對 于 B 級 高 度 高 層建筑 , 在考慮偶然偏心影響的地震作用下 , 樓層的 豎向構件的最大水平位移和層間位移不應大于該層 平均值的 1. 4倍

15、。 計算結 果 顯 示 , 在考 慮偶然 偏 心 影響的地震作用下 ,工 程兩 座 塔 樓 該比值均滿足規(guī) 程要求 。 根據(jù)廣東補充規(guī)定 , A 塔 樓屬扭 轉 不 規(guī) 則 類 。 (2 根據(jù)高 規(guī) 4. 3. 5條 規(guī) 定 , 對 于 B 級 高 度 高 層建筑 , 結構扭轉為主的第 1自振 周期與平動為主 的第 1自振 周 期 的 比 值 不 應 大 于 0. 85。 工 程 兩 座 塔樓該比值滿足規(guī)程要求 。(3 根據(jù) 高 規(guī) 4. 4. 2條 規(guī) 定 , 抗 震 設 計 的 高 層 建筑結構 , 其樓層側 向剛度 不 宜 小 于相鄰上部樓層 側向剛度的 70%或 其 上 相 鄰 三 層

16、 側 向 剛 度 平 均 值 的 80%。 經(jīng)驗算 , 工程該項指標滿足規(guī)程要求 。(4 根據(jù)高規(guī) 4. 4. 3條規(guī)定 , B 級高度高層建筑 的樓層層間抗側力結構的受剪承載力不宜小于其上 一層受剪承載力的 80%, 不應小于其上一層受剪承 載力 的 75%。 經(jīng) 驗 算 , 工 程 該 項 指 標 滿 足 規(guī) 程 要求 。(5 根據(jù)高規(guī) 5. 4. 4條 規(guī) 定 , 框 架 -筒 體 結 構 應滿足 EJ d 1. 4H 2 ni =1G i 。 經(jīng)驗算 , 工程兩座塔樓 該 項指標符合要求 , 能夠通過結構整體穩(wěn)定性驗算 。(6 根據(jù)高規(guī) 5. 4. 1條規(guī)定 , 在水平力作用下 , 當

17、框架 -筒 體 結 構 不 能 滿 足 EJ d 2. 7H 2 ni =1G i 時 , 應考慮重力二階效應的不利影響 。 工程兩座塔樓在計 算中均已考慮 P-效 應 (重 力 二 階 效 應 對 水 平 力 作用下結構內力和位移的不利影響 。(7 根據(jù)高規(guī) 4. 6. 3條 規(guī) 定 , 框 架 -核 心 筒 結 構 樓層層間最大位移與層高之比 u /h 限值為 1/715, 經(jīng)驗算 , 工程該項指標滿足規(guī)程的要求。(8 根據(jù)高規(guī) 7. 2. 14條規(guī)定 , 底 部加強部位的 剪力墻在重力荷載代表值作用下的軸壓比在抗震等 級一級時不 宜 超 過 0. 5。 經(jīng) 驗 算 , 工 程 該 項 指

18、 標 滿 足規(guī)程的要求 。 4多遇地震作用下的彈性時程分析根據(jù)高規(guī) 5. 1. 13條規(guī)定 , 采用 SATWE 程序中 的彈性時程分析法對建筑物在多遇地震作用下的情 況進行 補 充 驗 算 。 采 用 兩 組 實 際 記 錄 的 地 震 波TH2TG035和 TH3TG035及一組安評報告提供的人 工地震波 wave1進行彈性時程分析 。安評報告提供 的 人 工 地 震 波 wave1波 形 、 頻 譜 特性 及 地 震 影 響 系 數(shù) 曲 線 見 圖 5。 可 見 人 工 波 wave1的頻譜 特 性 符 合 建 筑 場 地 類 別 為 類 的 要 求 , 其地震影響系數(shù) 曲線與抗 震 規(guī)

19、 范 提供的標準反 應譜曲線在統(tǒng)計意義上相符 。圖 5wave1波形 、 頻譜特性及地震影響系數(shù)曲線彈性時程分析所采用的地震波和計算所得的基 底剪力值見表 2。 彈性時程分析所得的最大樓層剪 力見圖 6。計算結果表明 :1 彈性時程分析時每組地震波 計算所得的結構底部剪力均不小于振型分解反應譜91建 筑結 構 2012年A 塔樓彈性時程分析結果 /kN表 2地震波名稱 TH2TG035TH3TG035wave1 底部剪力 X 向 9507929110305Y 向 8877838212750底部剪力 平均值 X 向 Y 向 9701. 210003. 2CQC 法X 向 Y 向11909. 71

20、2017. 3 圖 6A 塔樓彈性時程分析計算結果法的 65%, 三組地震波計算所得的結構底部剪力的 平均值不小于振型分解反應譜法的 80%, 分析結果 符合高規(guī) 3. 3. 5條的要求 ; 2 結構位移及內力曲線比 較均勻 , 無突變 ; 3 除最大樓層剪力和最大樓層彎矩 在層 36以上由彈性時程分析結果的平均值控制外 , 其他各層均由振型分解反應譜法的計算結果控制 。 在施工圖設計時 , 層 33以上的結構構件按彈性動力 時程分析結果的平均值與振型分解反應譜法的計算 結果的比值將地震作用放大后進行配筋設計 。 5靜力彈塑性推覆分析 (Pushover 為量化規(guī)范 要 求 的 “ 大 震 不

21、 倒 ” 的 抗 震 設 防 目 標 , 采用 PUSHEPDA程序對建 筑物在罕遇 地 震 作 用下進行靜力彈塑性推覆分 析 。 為簡化模型 , 采用 剛性樓板的假定 。 分兩步進 行加載 :第一步為施加 重力荷載代表值 , 并在 后 續(xù) 施 加 水 平荷載過程中保 持恒定 ; 第二步為逐步施 加 豎 向 分 布模式為倒三角 形的水平荷載 。A 塔樓大震下靜力彈塑性分析所得的性能點處 相關指標如表 3所示 。 在大震作用下靜力彈塑性分 析所得的各種性能曲線見圖 7。計算結果 表 明 :1 在 罕 遇 地 震 作 用 下 , 塔 樓 各 層 彈塑性位移角的最大值 均小于 1/100, 符 合

22、高 規(guī)A塔樓靜力彈塑性分析結果表 3方向X 向 Y 向 頂點位移 /mm1004. 6091291. 674最大層間位移角 (層號 1/123(16 1/102(28 塔樓基底剪力 /kN62735. 2460327. 98剪重比 /%6. 105. 90圖 7A 塔樓大震下靜力彈塑性分析4. 6. 5條的規(guī)定 , 即建筑物可實現(xiàn) “ 大 震 不 倒 ” 的 抗 震設防目標 ; 2 在 性 能 點 處 , 連 梁 普 遍 發(fā) 生 彎 曲 破 壞 , 剪力墻主要在底部出現(xiàn)彎曲破壞 ,僅在局部極少 數(shù)高斯積分點處出現(xiàn)剪 切 破 壞 ,但 未 有連續(xù)發(fā)展的 情況出現(xiàn) ; 3 考慮到建筑物基底已落在中

23、微風化基巖上 , 而進行 Pushover 分析時仍采用地面波 , 因此可 認為所得結果是偏于安全的 。 6動力彈塑性時程分析采用 PUSHEPDA程序對建筑物在罕遇地震作 用下進行動力彈塑性時程分析 。 采用的地震波與彈 性時程分析的波一致 , 圖 8為 罕 遇 地 震作用的最大 層間位移角 (圖中曲線 1,2, 3分別表示實際地震波 TH2TG035, TH3TG035及人工地震波 wave1作 用 下 的位移角曲線 。圖 8罕遇地震作用的最大層間位移角分析結果 表 明 :1 罕 遇 地 震 作 用 下 , 各 層 彈 塑 性層間位移 角 均 小 于 1/100,滿 足 高 規(guī) 4. 6.

24、 5條 的 規(guī)定 ; 2 在推覆過程中 , 塑性鉸首先在連梁出現(xiàn) , 然 后是局部剪力墻壓壞 , 最后是 部 分 框 架梁在柱 端出 現(xiàn)塑性鉸 ; 3 底部局部剪力墻出現(xiàn)少量水平裂縫而 非剪切斜裂縫 , 為拉壞或壓壞退出工作 , 表明剪力墻 具有較大抗剪承載力 , 在罕遇 地 震 作 用下不發(fā) 生剪 切破壞 ; 4 鋼 管 混 凝 土 柱 一 直 保 持 不 屈 服 狀 態(tài) , 表 明框架能形成第二道抗 震 防 線 , 很 好 地保證了結構2第 42卷 第 7期 林瑤明 , 等 廣州某國際金融中心超限高層結構設計 圖 9Y 向地震作用下層 2樓板 Y 向正應力 /N /mm 2在大震作用下的整

25、體延性 。PUSH EPDA 分析結果表明 , 結構具有較大的 承載力及較好的延性 , 能夠滿足 “ 大震不倒 ” 的抗震 設防目標 。 7地震作用下樓板應力分析A 塔樓具有較 長 的樓 板 外 伸 段 , 屬 于 平 面 凹 凸 不規(guī)則 。 塔樓的層 2,3樓板局部不連續(xù)而且 Y 向質 心與剛心偏置較大 。 為更好地分析地震作用下樓板 凹凸部位的應力狀況 , 采用 ETABS 程序進行了樓板 應力分 析 。 圖 9為 A 塔 樓 在 小 震 、 中 震 、 大 震 下 Y 向地震作用下層 2樓板 Y 向正應力 。計算表明 :1 塔樓的層 2樓板局部開洞口后 , 在 小震作用下 , 洞口和核心

26、筒之間的樓板在靠近軸 和 軸 處出現(xiàn)了較大的拉應力 , 除去應 力集中的影響 后 ,最大拉應力約為 0. 8MPa ; 2 在中震作用下 , 除去 應力集中的影響后 ,最大拉應力約為 2. 4MPa ; 3 在大 震作用下 , 除去應力集中的影響后 , 最大拉應力約為 4. 2MPa ; 4 在大震作用下 , 樓板應力大于 1. 5MPa 的 范圍較大 ; 5 對出現(xiàn)較大應力的部位 , 配筋采用雙層 雙向并按應力計算的結果進行配筋 。 8抗震加強措施工程屬于 B 級高度的高層建筑 , 超限的主要內 容為平面凹凸不規(guī)則和扭轉不規(guī)則 。 工程于 2008年 通過了廣州市超限高層建筑抗震設防專項審查 。 中 震作用下的結構性能目標確定為 :底部加強區(qū)的剪力 墻不屈服 ,剪力墻連梁抗剪不屈服且保證強剪弱彎 。 經(jīng)分析 , 對結構構件進行合理配筋后 , 可實現(xiàn)上述中 震作用下的結構性能目標 。 為增強結構的抗震能力 , 除按規(guī)范要求進行設計外 , 采取以下加強措施 :(1 加強落 地 剪 力 墻 , 適 當 提 高 剪 力 墻 底 部 加 強部位的配筋率 。 控制落地剪力墻在罕遇地震作用 下的彈性剪 應 力 水 平 不 大 于 0. 2f ck (f ck 為 混 凝 土 抗 壓強度標準 值 。 罕 遇 地 震 的 水 平 剪 力 取 Pus