某超限高层住宅结构设计.docx

the structure design of some transfinite high-rise residence鲁 智 lu zhi摘 要：长沙市某超限高层住宅建筑高度为 159.8米， 采 用 钢 筋 混 凝 土 剪 力 墙 结 构 体 系。 小 震 采 用pkpm、midas 系列软件进行弹性计算分析，大震 采用 midas 系列软件进行静力弹塑性时程分析， 计算分析结果表明，该结构能满足现行规范规定的 各项指标要求及预先制定的的各项性能目标要求。关键词：超限高层住宅；性能设计；剪力墙结构中图分类号：tu972文献标识码：b文章编号：1008-0422（2014）07-0204-031工程概况长沙市某超高层住宅项目位于星沙经济开发区，北临捞刀河，东西南三面由松雅河环绕。 由 1 栋超高层住宅和 3 栋高层住宅组成。本栋 超高层住宅地下 2 层，地面以上 47 层。建筑 总高度为 159.8m（室外地面至大屋面高度）。 地下二层层高分别为 3.6m 和 3.9m，功能为停 车场和设备用房；一层层高 4.6m，为入户大堂； 二层、三层层高分别为 4.0m 和 3.6m，功能为 会所，4 17 层、1932 层，3445 层为标准层， 层高 3.3m，为普通住宅；4647 层高 3.58m， 为复式住宅；避难层设置在 18 和 33 层，层高 均为 3.3m。工程设计使用年限为 50 年，建筑结构安 全等级为二级，地基基础设计等级为甲级，地 下室顶板做为上部结构的嵌固端。根据抗震规 范， 设 防 烈 度 为 6 度， 设 计 基 本 地 震 加 速 度 为 0.05g，建筑场地类别为类，设计地震分 组为一组，场地特征周期为 0.35s，抗震设防 类别为丙类；风荷载取 50 年一遇的基本风压0.35kn/m2（ 承 载 力 设 计 放 大 系 数 1.1）， 地 面粗糙度类别 b 类，结构体型规则，无突变， 风荷载体形系数取 1.4。2结构体系及布置本工程塔楼东西长 37.8m，南北长 24.6m，采用钢筋混凝土剪力墙结构体系。剪力墙作为 主要的抗侧力体系，能够有效的抵抗水平方向 的地震力和风荷载。根据高层建筑混凝土结 构技术规程（jgj3-2010）的要求，建筑高 度超过了规范规定的剪力墙结构 a 级高度的限 值 140m，为超 a 级的高层建筑。高宽比为 6.0， 结构在顶部两层立面缩进 25%，建筑物的平 面边缘无凹凸，无平面不规则和竖向构件不连 续，刚度和承载力分布均匀，楼盖整体性较好。图 1- 三维模型示意图图 2- 立面示意图经 判 定 本 工 程 为 一 般 不 规 则 的 超 高 层 结构。结构三维模型示意见图 1、立面示意见图 2、 标准层结构布置见图 3。根 据 b 级 高 度 丙 类 建 筑 抗 震 等 级 表， 剪 力 墙 抗 震 等 级 为 二 级， 墙 厚 根 据 高 度 取500mm200mm；框架梁采用钢筋混凝土梁，梁高根据跨度选取，为了提高结构整体刚度，所有周边框架梁梁高均取到 800mm；核心筒 内楼板采用 130mm 厚的现浇钢筋混凝土楼板， 双层双向拉通配筋，核心筒外围采用普通钢筋 混凝土现浇楼板。作者简介：鲁智（ 1978-），女，湖南岳阳人，中航规划建设长沙设计研究院有限公司工程师，从事工作结构审核。204表 1- 不同地震水准下的结构抗震性能水准结构构件第一类结构构件第二类结构构件性能目标地震水准cd多遇地震设防烈度地震1314预估的罕遇地震 4 5 件）：剪力墙（非底部加强区），框架柱、框架梁、连梁、楼板； 两类结构构件的抗震性能目标及其在不同地震水准下的结构抗震性能水准见表 1。4.2 抗震性能设计实现方法4.2.1 多遇地震作用下结构达到抗震性能 水准 1（结构完好无损），结构设计按照规范 规定的性能目标。主要通过利用振型分解反应 谱法进行小震弹性计算分析，同时采用小震弹 性时程分析进行复核。4.2.2 设防烈度地震作用下，第一类结构 构件达到第 3 性能水准，主要通过等效弹性计 算方法得到结构构件内力进行设计，同时通过 中震弹性计算关键构件的抗剪承载力及中震不 屈服对正截面承载力进行校核；第二类结构构 件 达 到 第 4 性 能 水 准， 主 要 通 过 中 震 不 屈 服 计算连梁和框架梁的抗剪截面及承载力进行校图 3- 标准层结构布置图表 2- 塔楼的抗震设防性能目标细化表地震烈度( 参考级别 )l1 = 小震（频遇地震）l2 = 中震（设防烈度地震）l3 = 大震（罕遇地震）性能水平定性描述不损坏可修复损坏无倒塌重要部位弹性，大部分构件不屈服，允许少数局部次要构件屈服结构工作特性弹性允许进入塑性，控制薄弱层位移层间位移限值1/9101/120剪力墙（底部加强区）构件受剪承载力保持弹性地震荷载标准值组合工况下构件受弯不屈服按规范要求设计，保持弹性抗震承载力不屈服构件受剪承载力保持弹性地震荷载标准值组合工况下构件不屈服允许进入塑性，即截面弯曲屈服；抗剪截面满足：剪力墙按规范要求设计，保持弹性（非底部加强区） 抗剪截面满足规范要求。 vk/ fckbh0 0.15 构件性能抗弯允许构件进入塑性即截面弯曲屈服，吸收部分地震能量。抗剪截面满足规范要求。允许进入塑性，控制塑性变形，不得脱落连梁按规范要求设计，保持弹性楼板按规范要求设计，保持弹性允许开裂，控制裂缝宽度和刚度退化允许开裂，但不得开裂过度或脱落抗弯允许部分构件进入塑性即截面弯曲屈服，吸收部分地震能量。抗剪截面满足规范要求。框架梁按规范要求设计，保持弹性允许进入塑性，控制塑性变形3地基基础设计根据地勘报告，本工程基础采用平板式筏板基础，塔楼和地下室持力层均为中风化砾岩， 地基承载力特征值 fak=2500kpa。筏板布置范 围为塔楼及其周边外伸 2.7m 范围，筏板厚度 为 2.7m。筏板混凝土强度等级采用 c35。塔 楼与地下室之间设计沉降后浇带以减小塔楼和 地下室之间的沉降差。经过 jccad 计算，在正常使用极限状态 下荷载效应的标准组合下，筏板底基岩反力最 大值为 980kpa 左右，地基承载力能满足要求； 筏板厚度满足墙、柱的冲切及剪切要求，且满 足地基反力的冲切要求；基础最大沉降量仅为4.0mm 左右，沉降和整体倾斜都能满足规范规定的地基变形要求；大震下基础底部的零应 力区为 0，整体倾覆验算满足要求。核。对于框架梁以及连梁，在设防烈度下的性能水准为 4，且为了满足强柱弱梁、强剪弱弯 的设计理念，允许框架梁及连梁的抗弯部分进 入塑性，但是不能太早。4.2.3 预估的罕遇地震作用下，第一类结 构 构 件 达 到 第 4 性 能 水 准， 第 二 类 结 构 构 件 达 到 第 5 性 能 水 准， 主 要 通 过 等 效 弹 性 计 算 方 法 得 到 结 构 构 件 的 内 力 来 验 算 剪 力 墙 底 部 加强部位的抗剪截面。结构的弹塑性变形及薄 弱部位主要通过静力弹塑性分析（pushover） 进行校核。塔 楼 的 抗 震 设 防 性 能 目 标 细 化 表 如 表 2 所示。2054结构的抗震性能目标4.1 性能目标参 考 高 层 建 筑 混 凝 土 结 构 技 术 规 程（jgj3-2010）3.11 节条文说明中的举例及相 关说明，根据结构构件的重要性将整体结构构 件分为两大类：第一类结构构件（关键构件）：剪力墙（底 部加强区）；第二类结构构件（普通竖向构件和耗能构图 4-push-x 工况下能力曲线图 5-push-x 工况下塑性铰分布图表 3- 不同软件的前三阶周期计算结果对比表表 4与 cqc 相比所占比例周期第一周期第二周期第三周期t3/t1qox (kn)qoy (kn)计算软件qox (%) (%)qoy (%)pkpm3.78133.63682.51350.66586.0297.5985.4789.6983.7885.9487.1585.62ds1-sds3-3rh4tg035平均值454251534513473644444558.54622.84541.77 midas 3.668 3.4586 2.5039 0.683 cqc 5279.85 5304.16 5 多遇地震作用下弹性计算结果5.1 多遇地震作用下振型分解反应谱法结果结 构 的 小 震 弹 性 计 算 用 pkpm 和 midas 系列软件进行计算和比较。由于地下一层的剪 切刚度大于地上一层的两倍，故计算时均取地 下室顶板作为结构的嵌固端。5.1.1 两个程序计算得到的周期值比较接 近，前三阶周期计算结果对比见表 3，计算结 果差距在 5% 以内。5.1.2 在风及地震作用下楼层最大层间位 移角满足规范要求。本栋楼位移和变形由 y 方 向由风荷载（50 年风压）控制，x 方向由地震 力控制，两个程序计算得到的最大层间位移角 分别为 1/1913 和 1/2159，满足规范剪力墙的 限值 1/910。5.1.3 结构扭转规则性验算显示各层扭转 位移比均小于 1.2，满足规范要求。5.1.4 两个程序计算得到的楼层抗侧力结 构的受剪承载力均不小于其上一层受剪承载力 的 75，满足规范要求。5.1.5 侧移刚度比满足规范要求。5.1.6 两个程序计算得出结构的整体稳定 验算满足规范要求； x、y 向刚重比均大于 2.7。5.1.7 舒适度验算满足规范要求。 分析结果表明，本工程所有单体各项整体指标均满足规范要求，构件的配筋率均在经济、 合理范围之内。5.2 多遇地震作用下结构弹性时程计算结果 采用 satwe 进行弹性时程计算，共输入三条地震波，结果如表 4。 地震波的特性及计算结果满足相关规范要求，结构无明显薄弱层。2066罕遇地震作用下计算结果结构的弹塑性计算采用 midas 系列软件进行静力弹塑性动力时程分析计算，根据计算 结果可知，6.1 能力谱曲线较为平滑，位移与基底剪 力基本呈线性递增；曲线在设定位移范围内未 出现下降段，表明在抗倒塌能力上有较大余地。 push-x 工况下能力曲线图见图 4。6.2 在各工况下能力谱曲线均能与需求谱 相交得到性能点，大震下大部分工况结果进入 塑性。6.3 从得到的能力谱与需求谱交点来看，x 方向和 y 方向弹塑性结果无明显差别。6.4 实际得到性能点时结构顶点位移均不 大， 反 映 出 剪 力 墙 体 系 刚 度 大， 变 形 小 的 特 点。大震性能点处，模态 1（push-y）和模态2（push-x）工况下，结构最大层间位移角分 别为 1/385（29 层），1/369（20 层），结构 弹塑性层间位移均小于规范限值 1/120，结构 无明显薄弱层，且底部各层（110 层）层间 位移小于 1/300，满足大震抗震性能目标的设 防要求。6.5 结构竖向规则，刚度均匀变化。在罕 遇地震性能点处，两种分析工况结构均进入塑 性，塑性铰主要分布于局部连梁及框架梁，剪 力墙未出现塑性铰，满足强柱弱梁的概念设计 原则。并且两种工况下出现铰程度都较浅，均 处于安全极限状态之内，不影响结构整体承载 能力。push-x 工况下塑性铰分布图见图 5。6.6 剪力墙的混凝土纤维受压，钢筋纤维 受压受拉均为弹性反应，纤维轴向应力小于 0.6倍材料强度标准值。7结构加强措施7.1 结构抗震等级按 b 级高度结构抗震等级选取。7.2 底部加强部位高度：按高规 7.1.4 条可取 墙肢总高度的 1/10 和底部二层的较大值。故底 部加强部位为 5 层（高于 1/10h=15.98m）。7.3 轴压比控制：对剪力墙在底部加强区 部位控制在 0.55 以内。7.4 采取措施加强底部加强区剪力墙的抗 弯抗剪承载能力，墙体配筋均采用三级钢，加 大约束边缘构件的纵筋配筋率，同时增大墙体 的配筋，增加墙体的延性。7.5 对于出现塑性铰的连梁，应严格控制 配筋率，提高连梁延性，并同时满足强剪弱弯 的要求。7.6 对于开洞较大的楼板处采取构造加强 措施，增加板厚，采用双向双层