02泰州中心超高层结构设计敏强

1、第 45 卷 第 8 期2015 年 4 月下结构Building StructureVol 45 No 8Apr 2015泰州华润中心超哈敏强， 李蔚， 潘浩浩，结构设计陆陈英， 李学涛，时磊，( 上海三益王自琨，设计阳， 李丁瑞，上海 200050)摘要 泰州华润中心由两栋高度近 200m 的超塔楼和大型商业裙楼组成。超塔楼采用钢筋混凝筒结构体系。底部框架柱采用新型混凝土叠合柱，对叠合柱内埋土框架的箍筋进行了优化以提高其承载力和延性。筒南侧剪力墙在高区收进，转化为 5 根框架柱，并对相应位置的剪力墙进行了抗震加强。在初步设计阶段的前期对结构进行了罕遇作用下的弹塑性时程分析，从而找到结构薄弱

2、部位并予以优化。系统介绍了该工程地础设计、结构体系特点、抗震性能化设计原则和方法以及新型叠合柱的分析和设计。 超结构; 弹塑性时程分析; 体型收进;混凝土叠合柱; 角部加强箍筋号: TU398文献标识码: A文章编号: 1002 848X( 2015) 08 0001 07Super high-rise structural design of Taizhou China esources CenterHa Minqiang，Li Wei，Pan Haohao，Lu Chenying，Li Xuetao，Shi Lei，Wang Zikun，Ding Yang，Li ui( Shanghai

3、Sunyat Architecture Design Co，Shanghai 200050，China)Abstract: Taizhou China esources Center is comprised of two super high rise buildings with nearly 200m height and shopping mall einforced concrete frame corewall structural system was used in the super high rise buildings A new type of steel tube r

4、einforced concrete column was used in the low zone，of which the exterior stirrups around the steel tube were optimized to enhance the bearing capacity and ductility The south side of the corewall had setback in the high zone and was converted to five dispersal columns and seismic reinforcement measu

5、res were taken to the relevant shearwall The elasto plastic time history analysis under the rare earthquake was carried out in the early stage of draft design phase to find out and optimize the weak parts of the buildings The foundation design，structural characteristics，principles and methods of per

6、formance based seismic design were described systematically as well as the analysis and design of the new type steel tube reinforced concrete columnKeywords: super high rise structure; elasto plastic time history analysis; setback; steel tube reinforced concrete column; corner reinforced stirrup1工程概

7、况泰州华润中心工程位于江苏省泰州市海陵区，由两栋超塔楼和大型商业裙楼组成。其中办公塔楼地上 47 层( 标准层层高 4 0m) ，公寓塔楼地上 54 层( 标准层层高 3 4m) ，裙楼地上 4 层，均有 2 层室，且总高度接近，其中公寓塔楼最大为 199. 750m，结构高度为 192. 250m。高度效果图、结构分析模型见图 1。 ± 0. 000m 以下部分室连为整体，地上部分办公塔楼、公寓塔楼、裙楼分别设防震缝。结构设计使用年限为 50 年，抗震设防烈度为 7度，场地类别为类，特征周期 Tg = 0. 45s。基本风图 1效果图和分析模型压 w = 0. 40kN/ m2 ，

8、地面粗糙度类别为 B 类。由上0灌注桩，以第瑏瑤层粉砂层作为桩基持力层，桩长77m，桩身混凝土强度等级为 C45，采用桩端后注浆海三益完成结构初步设计和施工图设计，于 2014 年11 月通过抗震超限。基础设计塔楼采用平板桩筏基础，桩基采用 1 000 钻孔2作者简介: 哈敏强h m q sina com。，一级结构工程师，高级工程师:结 构2015 年2工艺，单桩承载力特征值为 10 300kN。桩平面布置见图 2。基础中心最大计算沉降量为 90mm，工程桩基承载力特征值 fak = 150kPa。抗浮采用机械连接预应力混凝土竹节桩2，最大外径为 500mm，单桩抗拔承载力特征值为 500k

9、N。桩身压缩量约为 20mm。主楼筒下按梅花形布框架柱采用柱下承台的布桩形式，办公塔楼桩3结构体系办公塔楼、公寓塔楼均采用钢筋混凝土框架-核和公寓塔楼基础板厚分别为 2 950mm 和 3 300mm。室部分连为一体，办公塔楼和公寓塔楼与裙房塔楼周边设置沉降后浇带。心筒结构体系，图 3 是公寓塔楼典型楼层平面布置图。结构高度超过混凝土结构技术规程( JGJ 32010) 3( 简称高规) 中 B 级高度限值裙楼以及纯室区域采用筏板基础，承压采用平板式筏基，以第层粉质黏土层作为持力层，地180m，为超 B 级高度超限。框架柱底部采用钢图 2 桩平面布置图图 3 公寓塔楼典型楼层平面布置图哈敏强，

10、等 泰州华润中心超第 45 卷 第 8 期结构设计3管混凝土叠合柱。1 层和地上部分结构抗震等级为框架一级筒特一级2 层相应结构抗震等级均降低一级。办公塔楼、公寓塔楼结构平面布置相似、总高度接近，仅层数、层高不同，下面以层 数较多的公寓塔楼为例进行介绍。公寓塔楼中、低区筒平面呈梯形，平面位置居中; 高区筒在南侧收进。筒混凝土强度等级主要采用 C60，C50，C40，地上筒典型外墙厚度从下到上为 1000，900，750，600，500，400mm，典型内墙厚度为 400，300mm。剪力墙变薄和框架柱截面变小的楼层尽量错开，同时竖向构件截面变化与混凝土强度等级变化尽量错开。图 4诱导缝构造详图

11、作用根据安评报告6提供的35gal; 设计中多遇框架柱在底部加强区采用混凝土叠合度峰值和抗规的反应谱形状来综合确定，小震柱，叠合柱材质为Q390B，过渡层采用带芯柱的影响系数 取 44 ( 安评报告小震度峰max混凝土柱，其余楼层采用普通钢筋混凝土柱。值) × 2. 25( 抗规的动力放大系数 ) / g ( 重力混凝土叠合柱中的约束作用使内混凝土的度) ，即取 0. 45s。= 0. 10，特征周期按地勘报告取 T=maxg轴心抗压承载力大幅度提高，轴向刚度较大。在轴和往复水平力作用下，叠合柱内混凝土的公寓塔楼结构主要分析结果见表 1，小震为水平荷载的工况，各项计算指标均满足规范要

12、求。存在延长了柱从屈服到破坏的过程，使叠合柱具有良好的延性和耗能能力。地上叠合柱设计含钢率按公寓塔楼主要分析结果表 1混凝土叠合柱结构技术规程3. 5%2005 ) 4 规定最小含钢率不小于 ( CECS 188 3. 0% ) 5。楼盖采用钢筋混凝土梁板体系。楼板厚度定为: 标准层筒外为 110 120mm筒内为130mm;筒收进和挑空大堂位置为 150mm。为保证室顶板的嵌固作用，顶板厚度取1 层楼层剪切刚度大于地上 1 层的 2180mm倍。和室超长，设置施工后浇带，在室底板室室外顶板混凝土中掺入改性聚丙烯纤维，适当提高加强养护。室顶板及各层楼板的配筋率，并室外墙设诱导缝，即通过在室外墙

13、结构上每隔一定距离人为设置薄弱带，如果外墙发生较大收缩变形，则诱导外墙在此薄弱带开裂，薄弱带处设置加强止水带，从而达到外墙渗漏的作用( 图 4) 。温度应力和避免抗震性能化设计目标设定塔楼结构存在下列超限情况: 结构高度超过高规 B 级高度限值、扭转不规则、2 层大堂挑空引起楼板不连续、局部穿层柱、局部楼层转换等。结构抗震 性能目标见表 2。补充 45°方向小震作用下构件承载力校核，补充小震弹性动力时程分析。地上首层挑空，部分框架柱穿层，高度 11. 3m，4. 2结构弹性分析结果和抗震性能化设计目标小震和风荷载作用下主要分析结果结构分别采用 SATWE，MIDAS Building

14、 软件进44. 1行整体计算。分析时采用考虑扭转耦联影响的反应谱法并考虑偶然偏心影响，抗震分析时结构阻尼比取 0. 05，抗震设防烈度为 7 度。安评报告6提供小震度峰值为 44gal，高于设计采取从严穿层柱轴压比并按中震弹性的性抗震设计规范( GB 500112010 ) 7 ( 简称抗规)能目标进行设计，采用 PMSAP 对其进行屈曲分析，度峰值计算指标SATWE 结果规范限值自振周期/ sT1 T2 T35. 574. 883. 73X 向平动Y 向平动扭转扭转平动周期比0. 67 0. 85位移比( 偶然偏心)X 向Y 向1. 171. 29宜1. 2应1. 4作用下剪重比X 向Y 向

15、1. 49%1. 62%仅地上 1 层 1. 5% ， 内力按抗规放大大于 1. 5%框架柱承担剪力比率的最小值X 向Y 向14. 8%12. 9%> 10% ，按高规进行0. 2V0 调整底层柱承担倾覆力矩比X 向Y 向33. 7%32. 2%50%小震作用下 最大层间位移角X 向Y 向1 /6481 /7841 /638( 限值按高 192m 插值取值)风荷载作用下最大层间位移角X 向Y 向1 /9371 /963结构重量/( kN / m2 )15. 5结 构2015 年4程分析，来评价结构的变形情况以及抗震性能。梁、 柱及支撑等杆系构件采用塑性铰进行模拟，剪力墙 构件采用模型进行

16、模拟，结构阻尼比取 0 05。在初步设计阶段的前期，为了找到公寓塔楼结构薄弱部位并予以优化，初步完成结构计算分析时即对其进行弹塑性时程分析。试算后发现，图 5( a)结构抗震性能目标表 2所示筒北侧连梁由于高度过高，导致图 5( b) 所示大面积剪力墙墙体因吸收过多能量而产生过大损伤。通过调低连梁高度和设置双连梁，有效地减少了作用了连梁附近墙肢的破坏情况( 图 5( c) ) 。筒南侧剪力墙在 44 层收进( 图 6 ( a) ) ，核 心筒外墙弱化成扁柱( 图 6 ( b) ) ，观察此处刚度突变对结构的竖向刚度连续性产生的不利影响，发现 剪力墙收进而转化成的框架柱损伤非常严重。这一情况，将

17、收进处优化为从 42 44 层起在收进位置剪力墙墙体开设逐渐变大的结构洞，直至 44 层剪力墙弱化为扁柱，如图 6 ( a) ，( b) 所示。采取了优化措施后，大震作用下收进处墙体及扁柱基本处于结果表明首层穿层柱屈曲稳定系数为 23屈曲失稳破坏。发生5大震弹塑性时程分析体现的结构薄弱部位和相应优化措施在满足结构抗震性能目标的前提下，进行构件配筋设计，采用 MIDAS Building 进行结构弹塑性时图 5筒北侧连梁位置及调整前后附近剪力墙应变状态图 6筒南侧剪力墙逐渐收进为扁柱示意及分析结果水准小震中震大震性能水准定性描述完好无损关键构件轻微损坏， 普通竖向构件轻度损坏，耗能构件中度损坏结

18、构不发生倒塌层间位移角限值1 /6381 /100筒剪力墙底部加强区、筒墙体收进部位弹性抗弯中震不屈服， 抗剪中震弹性受剪截面满足截面限制条件其他楼层弹性中震不屈服框架柱底部加强区、筒墙体收进部位弹性中震弹性受剪截面满足截面限制条件其他楼层弹性中震不屈服哈敏强，等 泰州华润中心超第 45 卷 第 8 期结构设计5弹性状态，损伤较小，避免了优化前刚度突变所引起 的相应位置剪力墙损伤严重的现象，但 41 层剪力墙仍然存在一定的损伤( 图 6( c) ) 。位，对结构薄弱部位进行优化，并再次调整结构模型后，对结构进行大震弹塑性时程分析。3 组波作用下 X，Y 向最大层间位移角均小于高规规定的限值 1

19、 /100; 结构基底剪力最大值为小震规范反应谱下的 4. 3 倍( X 向) 、4. 8 倍( Y 向) 。整体结构在大震弹塑性时程分析下的发展历程可描述为: 大震进一步优化，41 层筒南侧剪力墙最终设计为开设 3 条 500mm 宽竖缝( 图 6 ( d) ) ，分析结果表明 41 层剪力墙损伤明显降低。逐渐收进部位剪力墙在约束边缘构件设计时，沿倾斜方向设置斜暗柱， 斜暗柱布置和配筋见图 6( e) 。筒高区南侧剪力墙经过上述优化后，损伤程度明显降低，剪力墙竖向收进处渐变截面的优化作用下结构连梁最先出现塑性铰，随着波度的增大，连梁塑性变形逐步累积耗能; 而后结构部分框架梁进入塑性阶段并参与

20、结构整体耗能，但框架梁整体塑性变形有限; 高区极少量结构框架柱开措施有效。重新计算分析后，却发现筒内部一裂但均未进入屈服状态。输入结束时绝大部分片长度较长的剪力墙( 图 7) 在高区收进处相邻几层即 42 45 层范围内发生了较大程度的损伤。分析剪力墙未进入屈服状态，只有底部加强区和高区核心筒收进位置剪力墙应变略大这些区域采取其为: 图 7 中墙体在 41 层为担主要抗侧力作用; 42 层开始处筒内墙，不承筒南侧墙体收了增加配筋等加强措施。从总体来看，结构在大震作用下的弹塑性反应及破坏机制合理，符合结构抗震工程的概念设计要求。进而转变为扁柱，此墙体变为起主要作用的抗侧力构件，其承担的剪力在 4

21、2 44 层反而明显大于筒剪力墙设计筒四个角部的约束边缘构件在结构底部加强区设置钢骨，配筋较大的暗柱采用 HB500 高强钢筋以方便混凝土施工。对筒体内配筋较大的连梁6标高更低的 41 层，且其长度为 9. 5m，延性不足。采钢板。连梁、三连梁、型钢混凝土连梁或增设抗剪高区筒南侧收进，结构按本文第 5 节优化措施进行设计，并按高规 10. 6 节竖向体型收进结构的要求采取构造措施，如: 楼板加厚、楼板配筋加强， 相应竖向收进位置剪力墙参照底部加强区要求设置 约束边缘构件，相应位置框架柱抗震等级提高为特 一级等，并复核体型收进处上下层层间位移角比值。 根据弹性时程分析和弹塑性时程分析结果对结构相

22、应部位进行抗震分析和设计，加强薄弱区域。性能图 7筒内部的长度较长剪力墙的损伤情况上述，采取以下措施: 该墙体在 42 46 层墙体厚度从 300mm 提高为 350mm; 墙体在高区开结构洞并设置多肢连梁( 图 8) ，这样既能提供较强的刚度来满足层间位移角的要求，又可使强烈作用下混凝土裂缝和钢筋屈服集中于多肢连梁化设计目标( 表 2) 中已对了加强。筒墙体收进部位进行新型叠合柱的研究探讨和设计由于限制底部框架柱的框架柱的要求最为严格)7( 对公寓塔楼框架柱在低区中，吸收能力。能量，从而提高墙体的延性和耗能采用混凝土叠合柱4。其主要优点有: 1)的约束作用使管内混凝土的轴心抗压承载力大幅度由

23、初步的弹塑性时程分析找到上述结构薄弱部提高，从而显著减小柱的截面; 2 )叠合柱内部混凝土的轴向刚度较大，易实现具有延性的大偏心受压破坏形态，具有良好的延性和耗能能力;3) 截面中部的混凝土提高了柱的抗剪承载力，容易实现强剪弱弯; 4) 在同样的柱截面和轴压比要求的情况下，叠合柱的含钢量远低于型钢混凝土柱， 工程造价也较低8。本项目分别采用叠合柱和型钢混凝土柱进行结构造价分析，结果表明，在柱截面图 8筒内部长墙墙体开洞并设计为多肢连梁结 构2015 年6图 9 三种叠合柱构造图 10 三种叠合柱在荷载作用的混凝土应力分布/( N/ m2 )角部加强并设置八角箍筋的叠合柱不仅加强了一致的前提下单

24、栋塔楼采用叠合柱比型钢混凝角部箍筋，还采用八角箍筋和角部箍筋互套土柱造价低近 500 万9外效益明显。混凝土大部分区域受到了较强的约束作用，破坏时外混凝土应力比普通叠合柱、角部加强型叠合柱更加均匀，受力性能最佳。图 11 为三种叠合柱在轴压下的P- 曲线对比。由图 11 可以看出，角部设加强箍筋( 角部加强型叠普通叠合柱构造如图 9( a) 所示的强约束作用较难发生破坏内混凝土以外混由于凝土受到的约束性不强，叠合柱角部混凝土成为其轴压工况下的薄弱部位。相关试验研究表明混凝土叠合柱轴压试验通常是混凝土压碎而破合柱) 可以在一定程度上减轻混凝土过早坏，而内部混凝土部分损伤不大10，11。压碎破坏的

25、缺陷，角部加强和八角箍筋同时设置 ( 角部加强并设置八角箍筋的叠合柱) 的效果最佳， 其轴压极限承载力比常规设计( 普通叠合柱) 有 8%以上的提高，延性也更好。为了解决叠合柱混凝土薄弱的问题，设计了图 9( b) ，( c) 所示的叠合柱，即加强角部的箍筋，图 9( a) ，( b) ，( c) 三种配筋形式的总配箍率相同。采用通用有限元软件 ABAQUS 对三种配筋形式的混凝土叠合柱进行了轴压荷载下的弹塑性分析。计算中，混凝土和采用实体单元，钢筋采用桁架单元，混凝土材料参数采用混凝土结构设计规范( GB 500102010) 中推荐的本构方程，混凝土破坏准则采用Drucker-Prager

26、 强度准则材料和钢筋采折线本构模型。图 10( a) ，( b) ，( c) 分别对应图 9( a) ，( b) ，( c)的叠合柱达到极限承载力时混凝土应力分布云图。普通叠合柱方形外箍对混凝土的约束较弱，仅在柱 截面角部很小范围内对混凝土产生约束，角部压应力较大。图 11 三种不同箍筋形式叠合柱在轴压下的 P 曲线8框架梁的设计角部加强型叠合柱外角部较大范围的混凝塔楼压比较小框架柱轴压比较大筒剪力墙轴土受到了箍筋较强的约束，四个角部在构件达到极框架柱和筒存在较大的压缩变限承载力时的应力明显提高，但是破坏时凝土应力仍然不均匀。外混形差。竖向荷载作用施工模拟 3 分析结果表明，柱墙压缩变形差引起

27、同一楼层墙柱较大的竖向位移哈敏强，等 泰州华润中心超第 45 卷 第 8 期结构设计7差，导致连接框架柱的框架梁，仍然选择较大的截面，以保证结构整体抗侧刚度。框架和筒之间的框架梁在与筒连接处的弯矩很大。剪力墙的特点是平面内刚度及承载力较大， 而平面外刚度及承载力较小。本工程在高区筒剪力墙的厚度仅有 400mm( 办公塔楼高区墙厚为 350mm) ，梁端弯矩将使剪力墙平面外产生很大结语结构采用了底部带叠合柱的钢筋混凝土框架-9筒的抗侧力体系筒底部加强区、高区筒墙体收进部位和底部框架柱采用了特别加强的抗 震性能设计目标。在初步设计阶段的前期即对结构的弯矩，受力较为不利。结合要求，与框架梁垂直相交处的剪力墙设置暗柱，采用压弯构件复进行弹塑性时程分析，分析结果显现筒剪力墙核剪力墙平面外承载力，并在筒体350mm 厚高区收进、强连梁处为结构薄弱部位，对此位置进行 了优化。优化以后的弹塑性时程分析结果表明结构抗震性能良好。传统叠合柱角部力学性能薄弱的缺点，对剪力墙各层楼面处设置明梁，如图 12 所示，以使框架梁的梁端弯矩均匀地传递给力墙。筒周边剪叠合柱箍筋形式进行了对比研究。有限元分析结果表明，角部加强箍筋和八角箍筋同时设置