某超B级高度混凝土超高层结构设计浅谈

1、某超 B 级高度混凝土超高层结构设计浅谈陈东亮内蒙古建筑勘察设计研究院有限责任公司，内蒙古，010010摘要：本文以深圳某超 B 级高度钢筋混凝土超限高层公寓抗震设计为例，从弹性反应谱、弹性时程分析和弹塑性动力分析几个方面，简要阐述了在进行类似超限工程的抗震设计时，必须满足的抗震性能设计指标和设计方法，关键词：超 B 级高度，超高层，超限，弹性反应谱，弹性时程，弹塑性动力分析1、工程简介本工程位于深圳罗湖火车站西北角,西临人民南路,东南角为人民南路与建设路交叉口。南北长约 170m，东西宽约 5070m。地下为 4 层主要功能为车库及设备用房，地下 3 层、地下 4 层局部设有核 5、常 5、

2、核 6、常 6 人防地下室，平时主要功能为车库，地上 7 层裙房为商业，36.0 米；总建筑面积约 17.1 万平方米。塔楼分成 A 座、B 座两部分。A 座为办公、酒店地上 43 层，198.1 米；B 座用于商务公寓、办公地上 40 层， 163.2 米。本报告主要介绍 B 座塔楼的设计及分析情况。2、结构体系B 座高宽比为 8.54, 标准层的平面尺寸：平面长 x 宽(m)= 50.8x19.1，采用了框架-剪力墙结构体系。根据广东省高层混凝土结构技术规程(DBJ 15-92-2013,以下简称“广东省高规”)第 3.3.2 条及其条文解释，B 座属于超 B 级高度钢筋混凝土框架-剪力墙

3、结构，根据建质2010109 号超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点对其进行超限检查，判定 B 座属于超限高层建筑结构。3、弹性反应谱计算3.1 多软件整体计算分析对比根据广东省高规 5.1.14 条，“体型复杂、结构布置复杂、以及 B 级高度高层建筑结构应采用至少两个不同单位编制的结构分析软件进行整体计算，不同结构分析软件之间弹性计算结果的差异不应过大”，故本工程的整体结构弹性反应谱法计算，采用了 YJK 和ETABS 模型，分别就周期、侧向刚度、小震反应谱和 50 年风荷载下的楼层剪力和倾覆弯矩以及结构位移等多方面进行对比，主要分析结果见下图表 3.1.1：1计算结果对比说明：1根据广

4、东省高规第 3.4.4 条的规定，因本工程最大扭转位移比除个别裙房柱大于1.2 外，其余均小于 1.2,属于规则结构，满足规范要求。2根据广东省高规第 3.7.3 条的规定，楼层最大位移角 1/772 小于 1/620，满足规范要求。3. YJK 模型和 ETABS 模型第一扭转振型周期与第一平动周期的比值均为 0.70 小于规范限值 0.85.表 3.1.1类别YJKETABS总质量(不包括地下室)t94372.27294370方向XYXY基底剪力(KN)-地震11815.8812187.061204012300基底剪力(KN)-风6026.613471.6621413950基底总倾覆弯矩(

5、KN.m)1030470.57973870.0110550001002000基底总倾覆弯矩 (KN.m)-565705.71403911.8566900140400周T14.27004.39381对T24.17954.37590T32.97483.10170期比T3 / T10.70.7内X 向风1/2137 (14)/1.151/2008 (14)/1.127Y 向风1/772 (41)/1.091/740 (41)/1.127容位X 向地震1/938 (14)/1.111/1012（14）/1.089移Y 向地震1/871 (33)1.131/876 (41）/1.136角X5%向地震1/

6、955 (14)1.151/980 (14）/1.095X5%向地震1/921 (14)/1.10/比Y5%向地震1/851 (41)1.111/769（32）/1.247Y5%向地震1/786 (32)1.293.2 楼层侧向刚度比及抗剪承载力之比根据广东省高规第 3.5.2 条的规定，抗震设计的高层建筑结构，其楼层抗侧刚度不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的 90%。根据广东省高规第 3.5.3 条的规定，B 级高度高层建筑的楼层层间抗侧力结构的受剪承载力不应小于其相邻上一层受剪承载力的 75%。图 3.2.1 楼层刚度比45 层刚度比4035计30算结果对比说Ratx2明：25Raty2Flo

7、or层刚度比最小2015值10500.511.522.5图 3.2.2 楼层受剪承载力比45 层受剪承载力之比4035X向30Y向25比最小值0.75Floor受剪承载力之2021510500.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 2 2.251. 图 3.2.1 为相邻楼层刚度比曲线，可见 B 座塔楼隔层与上一层刚度比均大于 90%。2. 图 3.2.2 为楼层侧向刚度比曲线，可以看出，除 8 层(出裙房屋面)外，其他楼层未发现楼层受剪承载力有突变现象，对 8 层视为薄弱层对其地震作用标准值的剪力乘以 1.25 的增系数。3.3 楼层剪力和倾覆弯矩在 50 年一遇风荷载和多遇地震反应

8、谱分别作用下，如下图 3.3.1 所示：由图 3.3.1 可以看出，在 50 年一遇风荷载和多遇地震反应谱分别作用下，YJK 与 ETABS剪力和倾覆弯矩计算结果基本一致3.4 剪重比本工程设防烈度为 7(0.1g)度，X 向楼层规范要求最小剪重比为 1.42%，X 向最小计算剪重比为 1.252%，根据规范规定，地震作用放大 1.133 倍；Y 向楼层规范要求最小剪重比为 1.39%，Y 向最小计算剪重比为 1.291%，根据规范规定，地震作用放大 1.079 倍. 验算结果如下图 3.4.1 所示：图 3.3.1YJK 与 ETABS 小震反应谱和风荷载下的楼层水平剪力及倾覆弯矩图图 3.

9、4.1 楼层剪重比与剪力4、弹性时程计算根据广东省高规 4.3.4 条规定，本工程属于 7 度二类场地，高度大于 100 米的丙类建筑，需要采用弹性时程分析法进行多遇地震下的补充计算。根据建筑抗震设计规范(GB50011-2011,以下简称“抗规”)，进行时程分析时，鉴于不同地震波输入进行时程分析的结果不同，故当选用数量较多的地震波时，计算的平均地震效应更加接近实际地震作用，即 “在统计意义上相符”。正确选择输入的地震加速度时程曲线，要满足地震动三要素的要求，即频谱特性、有效峰值和持续时间均要符合规范要求，且地震波的持续时间不宜小于建筑结构基本自振周期的 5 倍和 15s，地震波的持续时间间距

10、可取 0.01s 或 0.02s，本工程选择 7 条时程波，其中 5 条天然波，2 条人工波。3图 4.1 YJK 反应谱计算和时程计算 X 向楼层剪力及楼层弯矩对比图 4.2 YJK 反应谱计算和时程计算 Y 向楼层剪力及楼层弯矩对比小结：(1) 每条时程曲线计算所得结构基底剪力均大于振型分解反应谱法的 65%，七条时程曲线计算所得结构基底剪力的平均值大于振型分解反应谱法的 80%，地震波的选择满足规范要求。楼层倾覆弯矩计算时程计算结果普遍比反应谱计算结果偏小。(2) 从主要计算结果图中可以看出，CQC 法的层间剪力曲线在结构中下大部分范围均明显大于七条地震波对应的平均层间剪力曲线，但在顶部

11、二者接近，说明在采用 CQC 法进行结构设计时，宜考虑高振型对结构顶部带来的不利影响,宜适当增加反应谱法的计算振型数。5、弹塑性动力计算5.1 分析方法、分析软件按照“抗规”5.5.2 第 1 条规定，高度超过 150m 的结构应进行弹塑性变形验算。故对上述结构进行弹塑性时程分析计算，以达到如下目的：（1）对整体结构进行大震弹塑性分析，以了解结构在罕遇地震作用下的性能；（2）研究高度超限对结构抗震性能的影响，包括罕遇地震下的最大顶点位移，最大层间位移以及最大基底剪力；目前常用的弹塑性分析方法从分析理论上分有静力弹塑性（pushover）和动力弹塑性两类，从数值积分方法上分有隐式积分和显式积分两

12、类。本工程的弹塑性分析将采用基于显式积分的动力弹塑性分析方法，这种分析方法未作任何理论的简化，直接模拟结构在地震力作用下的非线性反应。本工程采用大型通用有限元软件 ABAQUS 6.12，选择了两组天然波和一组人工波，共三组地震波来进行结构的罕遇地震弹塑性时程分析。根据建筑工程抗震性态设计通则(CECS160:2004)附录 E 的推荐，对类场地长周期结构采用 1979 年 El centro 波和 Taft波着两条波，人工波采用安评提供的人工波。45.2 各组地震波作用下结构整体计算结果汇总表 5.2.1 各组地震波作用下结构计算结果汇总地震波X 为主输入方向Y 为主输入方向Vx(kN)剪重

13、比最大定点位移(m)最大层间位移角Vy(kN)剪重比最大定点位移(m)最大层间位移角人工波419604.29%0.561/164(25)629506.44%0.641/146(25)Elcentr440604.50%0.321/241(29)525005.37%0.331/224(38)TAFT377903.86%0.201/288(37)392204.01%0.281/218(37)X 主方向层间位移角曲线Y 主方向层间位移角曲线X 主方向层剪力Y 主方向层剪力对弹塑性动力计算整体指标的综合评价：(1)在考虑重力二阶效应及大变形的条件下，结构 X 方向最大层间位移角为 1/164，Y 方向为 1/146（人工波作用下），满足广东省规范 1/125 的限值要求；(2)弹塑性剪重比为 3.86%6.44%，大震弹塑性基底剪力与小震弹性基底剪力比值为 4.26.1，处于合理范围，符合结构概念，体现出结构较好的耗能能力；6、结论本文通过对超 B 级高度钢筋混凝土结构设计，介绍了在超限抗震设计中的若干重要问题。1） 采用两种计算程序对结构整体线弹性进行对比分析,互相校核整体指标确保分析结果的准确、可靠。2）进行了弹性时程补充分析计算，各计算结果分别满足规范要求。3）对整体结构进行大震弹塑性分析，以了解结构在罕遇地震作用下的性能。参考文献：1G