大连小平岛假日公寓超高层住宅抗震设计.pdf

建 筑 结 构 学 报 增刊 1 Journal ofBuilding Structures Supplementary Issue 1 大连小平岛假日公寓超高层住宅抗震设计 孙国红 陆道渊 于海博 华东建筑设计研究院有限公司 上海200002 摘要 大连小平岛假日公寓是由两栋超高层主楼和五层大底盘裙房组成的超高层建筑 主楼高度为26910m 是国内目前拟 建的最高住宅 工程平面由4个结构单元与核心筒组成 采用 剪力墙 核心筒 的结构体系 针对工程的特点 超限情况 进行基于性能化结构抗震设计 在设计中采用SAT WE ETABS程序 进行小震作用和中震作用下结构整体计算分析 弹性 时程分析的弹性设计 并对4个独立单元进行整体稳定分析 在中震作用下 对受力最不利墙肢进行轴力校核 确保墙肢底 部不会出现拉应力 保证竖向构件的中震弹性设计 在大震作用下 采用ABAQUS程序进行动力弹塑性时程分析 以找出大 震作用下的薄弱部位 同时 对受力复杂的连接楼板运用多种计算方法进行计算比较 并运用PMSAP程序进行有限元分 析 对以上分析结果中薄弱部位及关键部位采用相应构造措施 以保证抗震性能目标的实现 结果表明 该结构体系是安 全 可行的 关键词 超高层建筑 剪力墙 2 核心筒 抗震性能设计 动力弹塑性时程分析 中图分类号 T U973131 文献标识码 A Seis mic design of a super high2rise holiday apart ment in Dalian Xiao2Ping island SUN Guohong LU Daoyuan YU Haibo East China Architectural Design shearwall2core tube seismic performance dynamic elastic2plastic time2history analysis 作者简介 孙国红 1971 女 辽宁大连人 高级工程师 收稿日期 2008年3月 0 引言 超高层结构是目前发展较快的结构类型 被广泛应 用到各种住宅 公共建筑上 随着我国经济建设的提 高 超高层结构正逐步向复杂化发展 鉴于其结构样式 多样 造型复杂多变等问题的出现 常规的抗震设计方 法难以满足工程需要 我国多数大中城市处于地震区 对其实施有效可靠的抗震保护措施具有非常重要的意 义 为此超高层结构的抗震设计问题尤为重要 国内外 许多学者对此做出了相应的研究工作 1 文中结合大 49 更多相关资料 h t t p w w w d o c i n c o m 7 5 1 7 4 1 9 5 2 连小平岛假日公寓超限高层住宅阐述了基于性能化的 抗震设计 2 以及所采取的抗震构造措施 以期对同类 建筑的抗震设计起到借鉴作用 1 工程概况 大连小平岛假日公寓位于大连市沙河口区小平岛 滨海路以南 3号路以东地块 东侧临海 由两栋超高层 主塔楼和五层裙房 局部一层 组成 图 1 地上部分 两栋主塔楼75层 为跃层公寓式住宅 标准层层高为 315m 313m相邻组装 主要屋面高度26910m 裙房5 层 为办公用房 高度2215m 地下部分 塔楼地下3层 主要为设备用房和人防 裙房部分地下2层 主要为车 库 地下建筑面积约为65300m 2 地上每栋塔楼的建筑 面积约183500m 2 裙房建筑面积约62600m 2 总建筑面 积约494900m 2 图1 大连小平岛假日公寓全景 Fig 1 View of holiday apartment in Dalian Xiao2Ping island 结构设计使用年限为50年 结构安全等级为二级 抗震设防烈度为7度 抗震设防类别为丙类 场地类别 为 类 设计地震分组为第一组 设计地震加速度为 0110g 地震影响系数最大值采用01 08 多遇地震 结构阻尼比为0105 抗震等级 地上部分的主塔楼为特 一级 裙房为三级 地下部分的主塔楼地下1层为特一 级 地下2层和地下3层为三级 裙房的地下1层和地下 2层为三级 为进一步了解风荷载情况 在同济大学进行风洞试 验 3 并对风洞试验结果和规范的取值进行比较 取大 值进行设计 规范值 按照100年一遇的基本风压取 0175kN m 2 地面粗糙度为A类 体型系数为113 根据地质勘察报告 拟建建筑物主塔楼以中风化板 岩为桩端持力层 裙房以强风化板岩为桩端持力层 主 塔楼基础采用人工挖孔灌注桩与筏板 裙房基础采用人 工挖孔灌注桩与构造底板 两栋主塔楼与裙房间地上 设置200mm的抗震缝 将主塔楼与裙房分隔为独立的单 体进行设计 2 结构超限情况及抗震性能设计目标 结构可看作是由剪力墙和核心筒组成的结构体系 结构平面为十字形的不规则结构 由于建筑功能的要 求 核心筒周围的楼板隔层开大洞 见图2 图3 具体超 限情况见表1 抗震设计性能目标见表2 图2 标准层 2 底层平面图 Fig 2 Structural plan of standard 1st story story 图3 标准层 2 跃层平面图 Fig 3 Structural plan of standard story2skip story 3 抗震性能目标的实现 311 小震作用下结构弹性设计 小震作用下 根据构件的抗震措施等级要求 采用 荷载作用设计值 材料强度设计值和抗震承载力调整系 数 进行小震阶段的第一次设计 表 3 结果表明 在 小震作用下 结构满足弹性设计的要求 从SAT WE及ETABS的整体稳定计算结果看 结构 刚重比远大于114 满足结构整体稳定的要求 此外 对 每个结构单元进行了独立计算 每个结构单元的结构刚 59 表1 结构超限情况 Table 1 Situation of super high2rise building 结构实际情况 高规 要求超限判断 高度269100m 超限 B 级 结构规则性 十字形平面 外轮廓凹凸 楼板局部开洞 平面不规则 平面规则平面不规则 表2 抗震性能设计目标 Table 2 Target perfor m ance of seism ic design 抗震设防水准 多遇烈度 小震 设防烈度 中震 罕遇烈度 大震 抗震要求不坏可修不倒 抗侧力构件的 层间位移值 h 500 h 120 各结构单元 弹性设计满足 高规 中各项 弹性设计指标 竖向构件 弹性设计 不倒塌 允许进入塑性阶段 控制塑性变形 连梁弹性阶段 允许进入塑性阶段 控制塑性变形 允许进入塑性阶段 控制塑性变形 核心筒周围 的楼板 弹性阶段弹性阶段 允许进入塑性阶段 控制塑性变形 重比均大于114 满足稳定性的要求 同时 用SAT WE进行了时程分析的补充计算 计 算结果表明 三条地震波底部剪力平均值大于振型分解 反应谱法求得底部剪力的80 每条地震波底部剪力值 大于振型分解反应谱法求得底部剪力的65 层间位 移角均满足 高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ 3 2002 简称 高规 的要求 4 且与振型分解反应谱法 计算结果接近 地震波反应谱见图4 图5 计算结果见 表3 表4 图4 地震波反应谱曲线 Fig 4 Earthquake wave response spectra 312 中震作用下结构弹性设计 中震作用下 进行地震荷载设计值组合工况下结构 弹性设计 以满足性能化设计对于竖向构件的弹性设计 要求以及核心筒周围楼板的弹性设计要求 材料强度 采用设计值 图5 地震波平均反应谱曲线 Fig 5 Earthquake wave average response spectrum curves 31211 竖向构件的中震弹性设计 表3 SAT W E及ETABS主要计算结果 Table 3 Main results of SATW E and ETABS 主要计算指标SAT WEETABS 结构基本自振周期 T1 T2 T3 4186 4156 3130 4135 4113 3125 扭转与平动 第一自振周期之比 T3 T1 01680175 层间 相对位移 小震 风荷载 X向 Y向 1 1281 42层 1 1265 40层 1 1584 43层 1 1563 40层 小震 风荷载 X向 Y向 1 1147 42层 1 1118 40层 1 1570 41层 1 1397 39层 最小剪重比 1133 1127 1140 1130 表4 弹性动力时程分析主要计算结果 Table 4 Main results of dynam ic elastic ti m e2histo ry analysis 项目 振型分解反应谱法 X向Y向 地震波 时程分析 X向Y向 底部剪力 kN4136840311 USER0603303535588 USER2Y4076835010 USER423517528284 平均3632632961 对于竖向构件的中震弹性计算 从以下两个方面考 虑 根据计算结果判断连梁开裂前后 与其相连的墙肢 受到的影响 1 按照中震弹性计算 2 将中震弹性计算中出现超筋的连梁两侧改为铰 接 再行竖向构件的弹性计算 计算结果见表5 从表5得到 1 按照中震弹性计算时 从配筋结果看 在底部几 层墙肢的配筋大部分按照计算配筋 截面满足配筋的要 求 小部分按照配筋率配筋 内力均满足中震弹性的设 计要求 2 连梁加铰后结构周期变长 基底剪力减小 减小 了10 左右 剪重比减小 且刚重比远大于 高规 要 求的稳定系数114 满足结构整体稳定的要求 69 表5 SAT W E的计算结果 中震弹性与中震下连梁铰接的比较 Table 5 Results of SATW E elasticity and elastic2plasticity undermoderate earthquake 主要计算指标中震弹性中震加铰 结构基本 自振周期 s T141867138 T241566190 T331305155 扭转与平动 第一自振周期之比 T3 T1 01680175 层间位移角 X向1 526 42层 1 217 40 42层 Y向1 471 42层 1 228 40 42层 地震作用 基底剪力 kN X向10138788632 871 4 Y向9840791200 921 7 连梁两侧加铰前 连梁在第5层开始出现超筋现 象 到18层时 大部分连梁都已超筋 在第5层外墙局 部部位剪力墙的约束边缘构件超筋 第5层层高517m 第6层开始为标准层 层高31 5m 连梁两侧加铰后 墙肢也仅在第5层同样位置的约 束边缘构件出现超筋现象 表现为轴向刚度和剪切刚 度不够 为此 在这些部位的竖向构件中采用型钢混凝 土对关键部位进行加强 以提高竖向构件的轴向刚度和 剪切刚度 中震作用下 还对受力最不利的4片墙肢进行轴力 拉压 的校核 确保底部墙肢不会出现拉应力 以保证 刚度不褪化 计算结果表明 在小震作用 中震作用下 底部墙肢均没有出现拉应力 没有裂缝的出现 从而保 证了竖向构件的中震弹性设计 墙肢编号见图6 具体 的计算结果见表6 图6 墙肢标号示意图 Fig 6 Grade of shearwalls 31212 对于核心筒周围楼板的中震弹性设计 由于结构是4个结构单元通过楼板分别与核心筒 表6 小震 中震作用下墙肢轴力计算 Table 6 Axial2fo rce of shearwalls under frequent and moderate earthquake 墙体 编号 地震 方向 F kN N1 kNF1 kNN2 kNF2 kN 墙12a Y 1188594022811 78631119801314 2084516 墙22a X 1455263458412 110942128426214 6126316 墙32a X 1220694159316 8047518 10134013 2072817 墙42a Y 1005642735919 73203176666018 3390312 注 X Y方向见图7所示 F为110恒 015活 F1为110恒 015活 110小震 F2为110恒 015活 110中震 N1为小震拉力 N2为 中震拉力 联系在一起的 且楼板又隔层开316m 716m的大洞 故 为保证结构设计的安全可靠 保证这些楼板的抗剪强度 尤为重要 对各结构单元与核心筒相连部位的楼板进 行了小震作用 中震作用 大震作用下的弹性抗剪计算 在大震作用下 取标准值 配筋也是标准值 以确保在地 震作用下楼板的抗剪强度满足弹性设计的要求 采用SAT WE的计算结果 进行三种方法的计算比 较 然后用PMSAP进行弹性楼板的复核计算 从计算结 果直接读取弹性楼板的剪应力 与手算方法进行校核 SAT WE的三种计算方法是 1 按照水平加速度估算楼 板剪力 2 按照剪重比估算楼板剪力 3 按照楼层刚 度 楼层层间位移差值的方法估算楼板剪力 三种方 法中 第三种方法的估算值与PMSAP的计算结果较为 接近 此处仅列举第三种方法 以单元4为例 首先 由整体计算结果可以得到结 构第i层的层间位移 将结构切割成5个结构单元 对 单元1 单元4分别计算 得到各单元第i层层间位移 第i层X方向的层间位移为 4 iX 这个 4 iX为单元4自身 刚度承受自身重量产生的地震力的变形 但结构是一 个整体 在整体工作时单元4与结构整体保持平动工作 状态 结构第i层层间位移为 整体 iX 二者有位移差 由 位移差 4 iX 整体 iX 乘以第i层的楼层侧移刚度 即为连 接板中的剪力 由图8可以看到 结构底部各层连接楼 板中的剪应力很大 从第8层开始 剪应力趋于平稳 在两个避难层位置 剪应力有突变 8 75层连接板中剪 应力峰值发生在28层 小震下最大剪应力01523N mm 2 满足剪应力要求 换算成罕遇地震下楼板承受的 剪应力为31828N mm 2 满足大震的要求 但是第5层 楼板的剪应力在大震时不满足容许剪应力限值的要求 需要采取措施加强楼板的抗剪能力 具体计算数据见 表7 表8和图7 从以上数据得到 核心筒周围的楼板在小震 中震 作用下剪应力均小于容许剪应力 即满足楼板抗剪强度 的要求 满足弹性设计的要求 大震作用下 采用材料强 度的标准值进行计算 除第5层外 也均满足容许剪应 力的要求 79 表7 连接板4剪应力计算 Table 7 Shearing stress calculation for slab 4 楼层范围最大剪力楼层 位移差 mm 该楼层刚度 kN m 1 楼板承担剪力值 kN 板面积 m2 小震 平均剪应力 N mm 2 容许剪应力值 N mm 2 1 7层 8 75层 5层 28层 0187 2119 3422400 969600 297715 212314 4146 01668 01476 3137 注 容许剪力值为0115 cfc RE 表8 连接板4在地震作用下的剪应力计算汇总 Table 8 Shearing stress calculation for slab 4 under earthquake 楼层范围 最大剪力 楼层 小震中震大震 平均剪应力 N mm 2 容许剪应力 N mm 2 平均剪应力 N mm 2 容许剪应力 N mm 2 平均剪应力 N mm 2 容许剪应力 N mm 2 1 7层 8 75层 5层 28层 01668 01476 3137 3137 11603 11142 3137 3137 41142 21951 4102 4102 注 小震 中震容许剪应力值为0115 cfc RE 大震容许剪应力值为0115 cfck RE 图7 连接板4在小震作用下剪力 剪应力随楼层变化曲线 Fig 7 Curve of the shearing force and shearing stress for slab 4 under s mall earthquake 313 大震作用下关键部位强度验算 大震作用下应用SAT WE的计算结果 进行截面的 抗剪计算 以单元4和核心筒 单元 5 为例 具体的计算 结果见表9 表9 大震作用下各单元受剪计算表 Table 9 The shear resistance under severe earthquake 地震 方向 单元 编号 总剪力 kN 墙体面积 m2 剪应力 N mm 2 受剪承载力 N mm 2 X 4415791518114212909 5224101515170114274 Y 4481271517101218294 5201871215170112858 51377 注 受剪承载力值为0115 cfck RE 结果表明 各单元剪力墙的在大震作用下均满足截 面抗剪承载力要求 314 大震作用下弹塑性动力时程分析 采用ABAQUS进行了罕遇地震作用下弹塑性动力 时程分析 5 以找出大震作用下的薄弱部位 对其采取 加强措施 保证抗震性能目标的实现 从结构弹塑性整 体计算结果看 在大震作用下 各单元与核心筒之间的 连接部位 连梁 的钢筋首先屈服 出现塑性铰 连梁发 生一定程度的破坏 从而消耗地震能量 结构由开始的 共同受力变形逐渐转化为相对独立的受力和运动 有效 实现了预期的设计思路 2 连梁作为薄弱部位 消耗地震能 量 起到了作为抗震另一道防线的作用 4 结论 大连小平岛假日公寓由于平面形状不规则 建筑高 度较高 隔层开较大的洞口 给结构设计带来一定的难 度 通过该工程的设计研究 可以得到以下结论 1 结构采用 剪力墙 核心筒 的结构体系是合 适的 其抗侧刚度及抗扭刚度均较强 有利于结构抗震 下转第128页 89 设计轴压比低于017 2 相同用钢量条件下 SRC中长柱的受弯承载力 高于STRC柱 而其变形能力 延性和耗能能力低于 STRC柱 3 SRC超短柱 剪跨比 11 5 的变形能力不满 足现行抗震规范要求 应避免在抗震工程中采用 相同 用钢量条件下 SRC超短柱的受剪承载力高于STRC超 短柱 而其变形能力 延性和耗能能力却远低于STRC超 短柱 4 随剪跨比的增大 SRC柱的变形能力 延性和耗 能性能明显增加 剪跨比对STRC柱的变形能力和延性 无明显影响 但随剪跨比增大 STRC柱的耗能性能明显 增加 5 外包钢管不能有效提高STRC超短柱的受剪承 载力 但外包钢管对核心混凝土的约束作用有效提高了 短柱的延性 变形能力和耗能能力 STRC超短柱中峰 值荷载点处钢管不屈服 因此在工程实践中采用Q235 钢材即可保证超短柱具有良好的变形能力和延性 6 建议的STRC柱的斜截面受剪承载力公式与试 验结果吻合较好 可为工程实践提供参考 参 考 文 献 1 ZHANG Sumei L I UJiepeng Seismicbehaviorand strengthofsquaretubeconfinedreinforced2concrete STRC columns J Journal of Constructional Steel Research 2007 63 9 119421207 2 张国军 吕西林 白国良 周期反复荷载作用下高轴压 比框架柱抗震性能的试验研究 J 地震工程与工程振 动 2005 25 6 70275 3 姜维山 白国良 配复合箍 螺旋箍 X形筋钢筋砼短柱 的抗震性能及抗震设计 J 建筑结构学报 1994 15 1 2216 4 张国军 吕西林 高轴压比高强混凝土短柱力学性能的 试验研究 J 工业建筑 2005 35 3 20223 5 刘界鹏 钢管约束钢筋混凝土和型钢混凝土构件静动 力性能研究 D 哈尔滨 哈尔滨工业大学 2006 6 李俊华 王新堂 薛建阳 等 低周反复荷载下型钢高强 混凝土柱受力性能试验研究 J 土木工程学报 2007 40 7 11218 7 赵鸿铁 张素梅 组合结构设计原理 M 北京 高等 教育出版社 2005 8 TomiiM Sakino K Xiao Y Watanabe K Earthquake resisting hysteretic behavior of reinforced concrete short columns confined by steel tube C Proceeding of the International Speciality Conference on Concrete Fil