南京河西CBD苏宁广场塔楼超限高层结构抗震设计.pdf

兰Q 望茎垄苎 笙 塑 璺笙 塑 南京河西C B D 苏宁广场塔楼超限高层结构抗震设计 伍智平1 赵福令2 顾羽2 1 苏宁置业集团有限公司 江苏南京2 1 0 0 0 5 2 南京市建筑设计研究院有限责任公司 江苏南京2 1 0 0 0 5 f 摘要1该工程为高度4 0 0 m 的超高层建筑 承担风载和地震荷载的横向支撑体系由钢混结构的核心筒 附加在设备层 的外伸桁架以及每层的外框架组成 采用基于性能化要求的抗震设计方法 提出合理的抗震性能目标 性能水 住及实现性能 设计的主要方法 对结构进行多遇地震作用下的弹性分析以及罕遏地震作用下动力弹塑性时程分析 分析结果表明在不同 水准的地震动作用下结构不同部位的水平和竖向构件承载力及变形能力能够满足预定的性能目标要求 形成预期的多道抗 震防线理念 关键词1超高层建筑 核心筒附加外伸臂桁架 抗震性能设计 中图分类号 T U 9 7 3 3 1 文献标i n 码lA 文章编号 1 0 0 5 6 2 7 0 2 0 1 6 0 3 0 0 3 0 0 5 S e is m icD e s ig no na nU lt r a L im itH ig h r is eB u ild in go fS u n in gN a n j in gH e r dD is t r ict C B DP la z a W U Z h i p in 9 1 Z H A OF u lin g 2G UY u 2 1S u n in gR e a lE s t a t eG r o u pC o L t d N a n j in gJ ia n g s u2 1 0 0 0 5C h in a 2N a n j in gA r ch it e ct u r a lD e s ig n R e s e a r chI n s t it u t eC o L id N a n j in gJ ia n g s u210 0 0 5C h in a A b s t r a ct T h ep r o j e ctisas u p e rh ig h r is eb u ild in g 4 0 0 m t h ela t e r a lb r a cin go ft h eb u ild in gt ow it h s t a n d w in da n ds e is m iclo a d sisa s s u r e db yt h er e in f o r ce dco n cr e t eco r es u p p o r t e db yo u t r ig g e r sint h em e ch a n ica l f lo o r sa n df r a m ea ct io nine a chs t o r y P e r f o r m a n ce b a s e ds e is m ic d e s ig nm e t h o dw a st a k e nin t h es t r u ct u r e R e a s o n a b les e is m ic p e r f o r m a n ceo b j e ct iv e p e r f o r m a n cele v e l a n dm e t h o dt or e a liz ep e r f o r m a n ce b a s e dt a r g e t w e r ep r o p o s e d E la s t ic a n a ly s isu n d e rf r e q u e n te a r t h q u a k ea n de la s t ic p la s t icd y n a m ica n a ly s isu n d e rr a r e e a r t h q u a k ew e r et a k e n T h er e s u lt ss h o wt h a tt h eb e a r in gca p a cit ya n dd e f o r m a t io no fd if f e r e n tp a r t sca nm e e t t h er e q u ir e m e n to f p e r f o r m a n ce b a s e d s e is m ic d e s ig n M u lt ip le s e is m icd e f e n s iv elin e sw e r ef o r m e da s e x p e ct e d K e yw o r d s s u p e rh ig h r is eb u ild in g co r ew it ho u t r ig g e rs y s t e m p e r f o r m a n ce b a s e d s e is m ic d e s ig n 1工程概况 项目位于江苏南京河西C B D 中心地区 东临江东中路 北临河西街 总占地面积约3 3 0 0 0 m 2 场地西南面毗邻南京 新会议中心 本项目由l座塔式超高层建筑和l座多层商业 裙楼组成 地下室5 层 与地铁l号线 2 号线换乘站相连 塔 楼建筑高度4 0 0 m 主要功能为超5 A 甲级写字楼 高端酒店 式公寓 超五星酒店和顶级会所 裙楼为1 0 万m z 的高端商业 购物中心 建成后将成为南京城市的新地标 塔楼高度为4 0 0 m 地上9 0 层 底部尺寸为4 2 m x 7 6 m 平 面为椭圆形 塔楼的宽度从底部的4 2 m 逐渐变宽 到1 5 层 达到4 8 m 之后再次变窄 至顶层为3 2 m 塔楼的长度地面为 7 6 m 随着高度逐渐变窄 至顶层为6 8 m 塔楼的平面形状为 椭圆 其尺寸随着楼层不同而变化 图1 2 结构参数及体系选择 2 1 设计参数 塔楼设计使用年限为5 0 年 建筑安全等级为二级 建筑 抗震设防类别为重点设防类 高度类别为超B 级高度 基本 风压值0 4 k N m 2 5 0 年一遇1 地面粗糙类别为B 类 风载体型 系数取1 4 本地区抗震设防烈度为7 度 基本地震动加速 度 0 1 0 9 设计地震分组为第一组 场地土类别为I I I 类 多 遇地震特征周期为0 4 5 s 常遇地震阻尼比取为0 0 4 中震及 罕遇地震的阻尼比取为0 0 5 收稿日期1 2 0 1 6 0 4 2 1 作者简介 伍智平 苏宁置业集团有限公司 工程师 江苏建筑2 0 1 6 年第3 期 总第1 7 6 期 3 1 图l建筑效果图 2 2 结构体系 主楼结构总高4 0 0 m 采用钢管混凝土柱 型钢梁一钢筋 混凝土核心筒结构 在短边外框架设置型钢斜撑 抗侧力体 系由核心简 外框架和4 道外伸桁架组成 共同承担风荷载 和地震作用引起的结构倾覆力矩和剪力 核心简底层墙体 厚度1 1 0 0 m m 钢管柱中2 5 2 0 m n lx l0 0 m m 截面尺寸沿建筑高 度方向逐渐减小 外伸桁架分布在4 个设备层高度范围内 并连续贯通简体剪力墙 连接外侧的框架柱与核心简共同 组成强大的横向支撑体系 根据需要桁架高度可以跨越2 个 楼层达到7 5 m 考虑到外侧框架柱南外斜变为内斜 在最低 处的伸臂桁架处外围设计了腰式桁架 以增加此处结构的 环箍效应 使得斜柱受力得到较好的改善一 图2 图2 直观模型和有限元模型中的支撑结构 钢混结构的核心筒与外伸桁架一起构成了塔楼横向支 撑体系 同时也作为抗重力体系 承担将竖向荷载传递到基 础的作用核心筒贯穿整个塔楼高度 从底层至8 3 层的核心 筒长度为4 9 1 0 m 最大宽度为2 1 2 0 m 从4 3 层开始取消了核 心筒最外侧与短轴平行的墙体 从7 4 层开始核心筒长度进 一步缩减为2 9 2 0 m 核心筒的外围墙体构成了结构主要的 总体刚度 墙体厚度为7 0 cm 1 3 5 cm 内部墙体的厚度为 5 0 cm 8 0 cm 核心简墙厚度变小的位置均在伸臂桁架层以 上2 层 这样可以保证伸臂桁架的弯矩有效传递至核心筒 此外 在底层和伸臂桁架及其上下各一层 在墙体内设置了 型钢 核心筒采用C 6 0 高强度混凝土 并在底部加强区设置 钢板剪力墙 减小构件截面尺寸 优化基础设计 图3 图3 典型的伸臂桁架层 3 结构超限情况及抗震性能目标 表l显示出塔楼特性与规范要求的比较 规范没有要求 的内容还需要进行充分的计算论证 在预定水准地震作用下 为了保证结构具有较高延性 从而达到预期的性能目标 确保结构在预定地震作用下的 性能表现 故设定塔楼抗震性能目标如表2 所示 4 结构分析 4 1多遇地震弹性分析 结构计算分析采用S A 唧E 2 0 1 0v 2 2 版 和E T A B S9 7 4 进行结构整体分析 分析时阻尼比取0 0 4 采用振型分解反 表1 塔楼的特性与规范要求的比较 3 2 江苏建筑 2 0 1 6 年第3 期 总第1 7 6 期 表2 塔楼抗震性能目标 应谱法计算地震作用 考虑偶然偏心影响及双向地震作用 采用C Q C 法进行振型组合 结构的前3 阶振型周期计算结果见表3 图4 为前三阶振 型图 结构的第一振型和第二振型皆为斜向平动 第 三振型 为扭转振型 第一扭转周期与第一平动周期之比小于0 8 5 满足 高规 要求 表3 主要振型周期 图4 前三阶振型图 结构在地震作用及风荷载作用下最大层问位移角 位 移比及基底剪力计算结果见表4 表中可见最大层间位移 角 位移比及剪重比均满足 高规 限值要求 由图6 中可见两方向层间位移角满足规范要求 结构楼 层竖向刚度比分布见图5 从图中看出 塔楼6 7 4 0 1 4 1 层出 现了薄弱层 依 高规 J G J 3 2 0 1 0 中5 1 1 4 要求 该层对应 于地震作用标准值的地震剪力应乘以1 2 5 的增大系数 并 对薄弱层采取有效的抗震构造措施 4 2 弹性时程分析 采用1 0 条天然波与4 条人工波进行弹性时程补充分析 并与振型分解反应谱法进行对比 场地特征周期值r g 0 4 5 最大加速度为3 5 cm s 地震波持续时间均大于结构 基本周期的5 倍 弹性时程分析时 每条时程曲线计算所得结构底部剪 S 毫 两 j j 柏 i m 脚 表4小震下结构设计指标 图5X Y 向竖向刚度比分布 霸溪J 胡翮 qJ懑引 豳 爨一一 婶 一 t I 拍 目b H q t lllllt I t t 0 S Iq 憎 h H 却 d O h 日 k h 一 一 t H n 一 q t o M U M 一q n 一 b t q 刀 一J I 岫H 一日 t n H n m n b L p 日 t 舢 一o lm lb C f t g t U 日 t 曲 叫 t I M 时q I L a 常遇地震作用下 方向底部剪力 舢 5 0 m m I 啊 珥l童 x E 0 囊 摹Y t 量t t T 4 F s 7 4 5 1 l 由r t 蕾叶 s 7 t 咐 咐7 1 2 I 啦 重 肆 7 2T 辅 m s 7 I r h lj i口t s 7 y 量k 柚 m f v 4 岫 训 却f 7 4 5 5 喇 t 麓 一 自嚣h 湍 b 常遇地震作用下Y 方向底部剪力 图7 常遇地震作用下X Y 方向底部剪力 天然波 力不应小于振型分解反应谱法计算结果的6 5 多条时程 曲线计算所得结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反 应谱法计算结果的8 0 弹性时程分析计算结果表明所选 地震波满足规范要求 由于本T 程为超高层建筑 弹性动力 时程反应较大 建筑物的上部由地震波产生的部分楼层剪 力略大于南C Q C 法计算的层间剪力 在施T 图设计过程中 计算分析应参考动力分析的结果 按比例调整放大此部分 楼层剪力 根据规范要求取时程法的包络值和振型分解反 应谱法的较大值 4 3 中震弹性分析 采用S A T W E 软件对结构进行巾震弹性分析 地震作用 影响系数取0 2 4 结构抗震等级取四级 作用分项系数 材 料分项系数均与小震分析相同 材料强度取设计值二经计 算 中震作用下底部加强区剪力墙满足抗剪弹性 框架柱在 底部加强区 保持中震弹性工作状态 并未出现超筋及轴压 图8 部分墙体增设型钢 4 4 结构动力弹塑性分析 由于篇幅所限 本文仅以L 2 5 6Y 为例 运用A B A Q U S 软 件对罕遇地震作用下塔楼的非线性反应进行计算与分析 在此基础上对塔楼在罕遇地震作用下的抗震性能进行评 价 以论证塔楼能够达到 大震不倒 这一预定抗震性能目 标 并根据结构在罕遇地震下的受力特性及损伤情况 提出 相应的设计建议 采用弹塑性时程分析分析方法 考虑结构以下因素 1 几何非线性 结构的动力平衡方程建立在结构变形后的 几何状态上 考虑结构变形对结构整体承载能力的影响 2 材料非线性 结构单元直接在材料的应力一应变关系水 平上模拟 如图9 所示 3 考虑施T 顺序 并以此初始应力 为基础 进行弹塑性分析 出一 一 A A o t t 中采用的混凝土簟轴受压和受拉模型 一 t llln E 8 呻 2 钢筋的应力应变曲线 图9A B A Q U S 中采用的混凝土和钢筋应力应变曲线 分析模型包含了核心简墙体 墙体开洞 伸臂桁架 柱 楼板 梁等构件 结构构件考虑到了其在可能出现的过大荷 载下出现的分线性特性具体的结构计算考虑到了混凝土 的开裂和钢筋的屈服 为了优化计算速度 地下室结构被理 想化为线性弹性单元 并考虑到其平移和扭转刚度 通过时程分析计算 结构在罕遇地震作用下的X 向最 大层间位移角为l 3 1 2 Y 向最大层间位移角为1 1 2 1 2 如图 1 0 所示 能够满足 大震不倒 第三性能水准要求 江苏建筑2 0 1 6 年第3 期 总第1 7 6 期 蚺 城 啪 互 i瑚 t 啪 l U 掺 Dl I 一 夕 i夕 图1 0 时程分析计算X Y 向层间位移角 动力弹塑性计算过程中 连粱最先出现塑性铰 然后连 梁损伤迅速发展 直至几乎整栋建筑的连梁都基本进入屈 服耗能阶段 经历大震作用后 柱脚未出现塑性铰 剪力墙 墙柱底部加强区剪切应变局部出现屈服 竖向钢筋和混凝 土竖向应变基本处于弹性阶段 剪力墙连梁基本进入屈服 阶段 部分框架梁梁端也出现了塑性铰 结构整体呈现了梁 铰破坏机制 达到了 强柱弱梁 的延性设计要求 整个外框架在在罕遇地震作用下基本保持弹性工作状 态 部分框架梁的塑性损伤超过开裂强度水准 极少数超过 屈服强度水准 由于高振型作用 仅顶部部分框架柱进入开 裂阶段 其余部分框架柱处于弹性阶段 结构外框架作为第 二道设防体系具有足够的富裕度 5 关键问题分析 5 1 底层薄弱层问题 底层层高为1 8 m 计算结果表明此层为薄弱层 为了增 加其侧向刚度 对标高1 8 m 处的框架进行了加强 截面为高 2 m 宽lm 同时在高度9 m 处增加了双向框架梁 如图1 l所 示 采用此措施后 底层和上层刚度比值满足规范要求 一 图ll底层平面图 附加周边梁 5 2 带斜柱框架核心筒结构框架部分剪力统计问题 塔楼的剪力分布于核心筒和柱 为了对钢管混凝土柱 和梁形成的框架效应进行评价 需要将柱的剪力分为二部 分 一部分是框架效应产生的剪力 一部分是柱的倾斜产生 的剪力 剪力的分离需要通过另外一个有限元模型完成 此模 型的梁末端与柱设置为铰接 可以有效避免框架效应的产 生 从而此模型中的柱剪力纯粹来自于柱的倾斜 将2 个模 型的框架部分剪力结果进行比较之后 刚接模型和铰接模 型 就可以将柱轴力产生的剪力从框架部分总剪力中分离 出来 从而获得每个楼层纯粹由框架效应产生的剪力占基 地剪力的比值 5 3 框架部分剪力占基底剪力不足8 的问题 为了增加框架部分承担的剪力比例 使大多数楼层的 框架剪力比例达到8 的要求