广州国际金融中心超限高层结构设计

1、第 42卷 第 7期 2012年 7月 建 筑 结 构 Building Structure Vol42No7Jul2012广州某国际金融中心超限高层结构设计林瑶明 , 林 凡 , 方小丹 , 韦 宏(华南理工大学建筑设计研究院 , 广州 510640摘要 广州某国际金融中心为高度 170m 的超限高层建筑 , 采用钢管混凝土柱框架 -混凝土筒体结构体系 。 采用 SATWE , ETABS 进行多遇 地 震 作 用 和 风 荷 载 作 用 下 结 构 的 计 算 分 析 , 采 用 SATWE 进 行 弹 性 时 程 分 析 , 采 用 PUSHEPDA进行大震下的静力弹塑性推覆分析 (Pu

2、shover 和动力弹塑性时程分析 ; 同时用 ETABS 分析了 楼 板 在 小震 、 中震及大震作用下的应力 。 计算结果表明该结构满足规范的各项要求 , 并采取了一些构造加强措施 , 可供同 类工程参考 。关键词 超限高层建筑 ; 钢管混凝土柱 ; 弹塑性分析 ; 时程分析 ; 加强措施 中图分类号 :TU355文献标识码 :A文章编号 :1002-848X (2012 07-0017-05Structure design on ultra-limit high-rise building of an international financial center in Guangzhou

3、Lin Yaoming , Lin Fan , Fang Xiaodan , Wei Hong(Architectural Design Research Institute of South China University of Technology , Guangzhou 510640, China Abstract :An international financial center in Guangzhou is a ultra-limit high-rise building of 170meters high , with concrete filled steel tubula

4、r (CFST column-concrete corewall structure systemThe structure was analyzed by SATWE and ETABS under frequent earthquake and wind loadThe elastic time history analysis under frequent earthquake by SATWE , elastic-plastic static analysis (Pushover and elastic-plastic dynamic analysis (EPDA under rare

5、 earthquake byPUSHEPDAwere carried outThe stress of floor under several earthquake cases was analyzed by ETABSThe results meet requirements of technical codes and some strengthening measures have also been used to ensure the security of the structureIt can be a reference for other similar projectsKe

6、ywords :ultra-limit high-rise building ; concrete filled steel tubular (CFST column ; elastic-plastic analysis ; time history analysis ; strengthening measure 作者简介 :林瑶明 , 硕士 , 高级工程师 ,Email :gzlym263net 。 1工程概况广州某国际金融中心 (图 1 位于广州市珠江新城 , 由 A , B 两座塔楼组成 。 两座塔楼地上 38层 , 高 度 170. 3m , 属 B 级高度 的 钢 筋 混 凝土高层

7、建筑 , 建筑面积 13. 7万 m 2; 地下 3层 , 底板面标高 14. 2m , 建筑面积为 3. 0万 m 2。 采用钢管混凝土柱框架 -混凝土筒体结构体系 , 利用电梯井 、 楼梯间 、 卫生间和 设备间布置落地核心筒 , 核心筒承受大部分的水平 剪力和倾覆力矩 ,为主 要 的 抗 侧 力构件 。 框架柱采 用钢管混凝土柱 , 抗震 性 能 优 良 。 楼盖为现浇混凝 土梁板结构 , 整体性良好 , 钢管混凝土柱与混凝土梁 的连接采 用 环 梁 节 点 1。 整 个 结 构 体 系 传 力 路 线明确直接 。工程场地的地震基本烈度为 7度 , 工程的抗震 设防类别为丙类 , 可按

8、本 地 区 设 防 烈度采取抗震措 施 , 剪力墙抗震等级为一级 , 框 架 抗震等级为一级 。 因 A , B 两座塔楼结构类型和平面相似 , 文中仅对 A 塔楼进行介绍 , 图 2为 A 塔楼各层结构平面图 。钢管混凝 土 柱 最 大 直 径 1400mm , 壁 厚 25mm , 层 6开始壁厚减为 20mm , 材质为 Q345B , 从层 12开 始每隔 5层 直 径 缩 减 50mm , 层 36及 以 上 直 径为图 1效果图1100mm 。 钢管混 凝 土 柱 核 心 混 凝 土 强 度 等 级 :层 3及以 下 为 C70, 层 4 15为 C60, 层 16 21为 C55

9、, 层 22 33为 C50, 层 34及 以 上 为 C45。 核 心 筒 剪 力 墙 在 轴 、轴 ? 处 为 700mm 厚 , 其 他 地 方 基 本 为 400mm 厚 。 剪 力 墙 混 凝 土强 度 等 级 :层 3及 以 下 为 C70, 层 4 9为C65, 层 10 15为 C60, 层 16 21为 C55, 层 22 26为 C50, 层 27 33为 C45, 层 34及以上为 C40。根据工程场地地震安全性评价报告2(简称安评报告 和 建筑抗震设计规范 (GB 50011 2001 (简称抗震规范 提供的标准反应谱曲线 , 作出在第 一 、三设防水准阶段 安评报告

10、和 规 范 反应谱曲线对 比图 , 见图 3。建 筑 结 构 2012年 图 2A 塔楼各层结构平面图由图 3可见 , 对应于本工程 X 向第 1周期 和 Y 向第 1周期 , 按规范 标准反 应 谱 计 算所得的地震影 响系数 均 大 于 按 安 评 报 告 提 供 的 工 程 场 地 反 应 谱计算的结 果 ,因 而 认 为 在 第 一 设 防 水 准 阶 段 (小 震 , 可按抗震规范提供的设防烈度 7度 、 设计地震 分组第一组 、 类场地 的 反 应 谱 参 数进行地震作用 计算 。 在长周期段 , 安评报告的地震 影响系数 小 于按规范大震标准反应谱的 计算值 , 因而在采用静 力

11、弹塑性分析方法对建筑物在罕遇地震作用下进行 弹塑性变形验算时 , 为 偏于 安 全 采 用规范大震标准 反应谱作为等效单自由度体系的弹性需求谱 。 图 3安评报告和规范反应谱曲线对比图2超限情况参照抗震 规 范 、 高 层 建 筑 混 凝 土 结 构 技 术 规 程 (JGJ 3 2002 (简称高 规 及 广 东 省 实 施 高 层建筑混凝土结构技术规程 (JGJ 3 2002 补充规 定 (简称广东 补 充 规 定 , 根 据 结 构 平 面 布 置 及 试 算结果 , 工程属超限高层建筑 , 超限内容有 :1 塔楼 高度均为 170. 3m , 超过了规范 A 级高度的限值 , 属 B

12、级高度的高层建筑 ; 2 塔楼为 L 形平面 , 有较长的 楼板外伸段 。 A 塔楼的 l /B max =0. 43(l 为平面突出 的部分 , B max 为平面的最大宽度 , 超过规范限值 , 属 平面凹凸不规则 ; 3 扭转不规则 ,A 塔楼属扭转不规 则 类 ; 4 Y 向质心与刚心偏置较大 。 因 核 心 筒 在 Y 向偏置 , 标准 层 X 向 偏 心 距 为 0. 07, 而 Y 向 偏 心 距则达到 0. 29, 偏心较大 。 3结构整体分析3. 1计算模型采用 SATWE 和 ETABS 两个不同力学模型的三 维空间分析软件进行了多遇地震作用和风荷载作用 下结构的内力和位移

13、计算 。 由于塔楼均属于平面凹 凸不规则 , 周期折减系数取 0. 9, 中梁刚度放大系数 取 2, 采用刚性楼盖模型 , 考虑双向地震及扭转耦联 振动影响 。 图 4为 A 塔楼的计算模型和前 3阶振型 图 。 SATWE 和 ETABS 主要计算结果见表 1。81第 42卷 第 7期 林瑶明 , 等 广州某国际金融中心超限高层结构设计A 塔楼计算结果表 1计算软件SATWEETABS周期T 1/s5. 52505. 1266T 2/s 4. 49184. 4166T 3/s 3. 33583. 1963T t /T 10. 6040. 611地震作用楼层竖向构件最大水平位移 平均水平位移X

14、 向Y 向 130126129120最大层间位移角X 向 Y 向 1/9831/8461/8921/83450年一遇风荷载作用下最大层间位移角X 向 Y 向1/21001/7701/21601/920 图 4计算模型及前 3阶振型的三维图3. 2结果分析通过 2个程序的计算对比可以看出 ,SATWE 和 ETABS 两个程 序 的 主 要 计 算 结 果 比 较 接 近 。 对 结 果分析如下 :(1 根据高 规 4. 3. 5条 规 定 , 对 于 B 级 高 度 高 层建筑 , 在考虑偶然偏心影响的地震作用下 , 楼层的 竖向构件的最大水平位移和层间位移不应大于该层 平均值的 1. 4倍

15、。 计算结 果 显 示 , 在考 虑偶然 偏 心 影响的地震作用下 ,工 程两 座 塔 楼 该比值均满足规 程要求 。 根据广东补充规定 , A 塔 楼属扭 转 不 规 则 类 。 (2 根据高 规 4. 3. 5条 规 定 , 对 于 B 级 高 度 高 层建筑 , 结构扭转为主的第 1自振 周期与平动为主 的第 1自振 周 期 的 比 值 不 应 大 于 0. 85。 工 程 两 座 塔楼该比值满足规程要求 。(3 根据 高 规 4. 4. 2条 规 定 , 抗 震 设 计 的 高 层 建筑结构 , 其楼层侧 向刚度 不 宜 小 于相邻上部楼层 侧向刚度的 70%或 其 上 相 邻 三 层

16、 侧 向 刚 度 平 均 值 的 80%。 经验算 , 工程该项指标满足规程要求 。(4 根据高规 4. 4. 3条规定 , 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宜小于其上 一层受剪承载力的 80%, 不应小于其上一层受剪承 载力 的 75%。 经 验 算 , 工 程 该 项 指 标 满 足 规 程 要求 。(5 根据高规 5. 4. 4条 规 定 , 框 架 -筒 体 结 构 应满足 EJ d 1. 4H 2 ni =1G i 。 经验算 , 工程两座塔楼 该 项指标符合要求 , 能够通过结构整体稳定性验算 。(6 根据高规 5. 4. 1条规定 , 在水平力作用下 , 当

17、框架 -筒 体 结 构 不 能 满 足 EJ d 2. 7H 2 ni =1G i 时 , 应考虑重力二阶效应的不利影响 。 工程两座塔楼在计 算中均已考虑 P-效 应 (重 力 二 阶 效 应 对 水 平 力 作用下结构内力和位移的不利影响 。(7 根据高规 4. 6. 3条 规 定 , 框 架 -核 心 筒 结 构 楼层层间最大位移与层高之比 u /h 限值为 1/715, 经验算 , 工程该项指标满足规程的要求。(8 根据高规 7. 2. 14条规定 , 底 部加强部位的 剪力墙在重力荷载代表值作用下的轴压比在抗震等 级一级时不 宜 超 过 0. 5。 经 验 算 , 工 程 该 项 指

18、 标 满 足规程的要求 。 4多遇地震作用下的弹性时程分析根据高规 5. 1. 13条规定 , 采用 SATWE 程序中 的弹性时程分析法对建筑物在多遇地震作用下的情 况进行 补 充 验 算 。 采 用 两 组 实 际 记 录 的 地 震 波TH2TG035和 TH3TG035及一组安评报告提供的人 工地震波 wave1进行弹性时程分析 。安评报告提供 的 人 工 地 震 波 wave1波 形 、 频 谱 特性 及 地 震 影 响 系 数 曲 线 见 图 5。 可 见 人 工 波 wave1的频谱 特 性 符 合 建 筑 场 地 类 别 为 类 的 要 求 , 其地震影响系数 曲线与抗 震 规

19、 范 提供的标准反 应谱曲线在统计意义上相符 。图 5wave1波形 、 频谱特性及地震影响系数曲线弹性时程分析所采用的地震波和计算所得的基 底剪力值见表 2。 弹性时程分析所得的最大楼层剪 力见图 6。计算结果表明 :1 弹性时程分析时每组地震波 计算所得的结构底部剪力均不小于振型分解反应谱91建 筑结 构 2012年A 塔楼弹性时程分析结果 /kN表 2地震波名称 TH2TG035TH3TG035wave1 底部剪力 X 向 9507929110305Y 向 8877838212750底部剪力 平均值 X 向 Y 向 9701. 210003. 2CQC 法X 向 Y 向11909. 71

20、2017. 3 图 6A 塔楼弹性时程分析计算结果法的 65%, 三组地震波计算所得的结构底部剪力的 平均值不小于振型分解反应谱法的 80%, 分析结果 符合高规 3. 3. 5条的要求 ; 2 结构位移及内力曲线比 较均匀 , 无突变 ; 3 除最大楼层剪力和最大楼层弯矩 在层 36以上由弹性时程分析结果的平均值控制外 , 其他各层均由振型分解反应谱法的计算结果控制 。 在施工图设计时 , 层 33以上的结构构件按弹性动力 时程分析结果的平均值与振型分解反应谱法的计算 结果的比值将地震作用放大后进行配筋设计 。 5静力弹塑性推覆分析 (Pushover 为量化规范 要 求 的 “ 大 震 不

21、 倒 ” 的 抗 震 设 防 目 标 , 采用 PUSHEPDA程序对建 筑物在罕遇 地 震 作 用下进行静力弹塑性推覆分 析 。 为简化模型 , 采用 刚性楼板的假定 。 分两步进 行加载 :第一步为施加 重力荷载代表值 , 并在 后 续 施 加 水 平荷载过程中保 持恒定 ; 第二步为逐步施 加 竖 向 分 布模式为倒三角 形的水平荷载 。A 塔楼大震下静力弹塑性分析所得的性能点处 相关指标如表 3所示 。 在大震作用下静力弹塑性分 析所得的各种性能曲线见图 7。计算结果 表 明 :1 在 罕 遇 地 震 作 用 下 , 塔 楼 各 层 弹塑性位移角的最大值 均小于 1/100, 符 合

22、高 规A塔楼静力弹塑性分析结果表 3方向X 向 Y 向 顶点位移 /mm1004. 6091291. 674最大层间位移角 (层号 1/123(16 1/102(28 塔楼基底剪力 /kN62735. 2460327. 98剪重比 /%6. 105. 90图 7A 塔楼大震下静力弹塑性分析4. 6. 5条的规定 , 即建筑物可实现 “ 大 震 不 倒 ” 的 抗 震设防目标 ; 2 在 性 能 点 处 , 连 梁 普 遍 发 生 弯 曲 破 坏 , 剪力墙主要在底部出现弯曲破坏 ,仅在局部极少 数高斯积分点处出现剪 切 破 坏 ,但 未 有连续发展的 情况出现 ; 3 考虑到建筑物基底已落在中

23、微风化基岩上 , 而进行 Pushover 分析时仍采用地面波 , 因此可 认为所得结果是偏于安全的 。 6动力弹塑性时程分析采用 PUSHEPDA程序对建筑物在罕遇地震作 用下进行动力弹塑性时程分析 。 采用的地震波与弹 性时程分析的波一致 , 图 8为 罕 遇 地 震作用的最大 层间位移角 (图中曲线 1,2, 3分别表示实际地震波 TH2TG035, TH3TG035及人工地震波 wave1作 用 下 的位移角曲线 。图 8罕遇地震作用的最大层间位移角分析结果 表 明 :1 罕 遇 地 震 作 用 下 , 各 层 弹 塑 性层间位移 角 均 小 于 1/100,满 足 高 规 4. 6.

24、 5条 的 规定 ; 2 在推覆过程中 , 塑性铰首先在连梁出现 , 然 后是局部剪力墙压坏 , 最后是 部 分 框 架梁在柱 端出 现塑性铰 ; 3 底部局部剪力墙出现少量水平裂缝而 非剪切斜裂缝 , 为拉坏或压坏退出工作 , 表明剪力墙 具有较大抗剪承载力 , 在罕遇 地 震 作 用下不发 生剪 切破坏 ; 4 钢 管 混 凝 土 柱 一 直 保 持 不 屈 服 状 态 , 表 明框架能形成第二道抗 震 防 线 , 很 好 地保证了结构2第 42卷 第 7期 林瑶明 , 等 广州某国际金融中心超限高层结构设计 图 9Y 向地震作用下层 2楼板 Y 向正应力 /N /mm 2在大震作用下的整

25、体延性 。PUSH EPDA 分析结果表明 , 结构具有较大的 承载力及较好的延性 , 能够满足 “ 大震不倒 ” 的抗震 设防目标 。 7地震作用下楼板应力分析A 塔楼具有较 长 的楼 板 外 伸 段 , 属 于 平 面 凹 凸 不规则 。 塔楼的层 2,3楼板局部不连续而且 Y 向质 心与刚心偏置较大 。 为更好地分析地震作用下楼板 凹凸部位的应力状况 , 采用 ETABS 程序进行了楼板 应力分 析 。 图 9为 A 塔 楼 在 小 震 、 中 震 、 大 震 下 Y 向地震作用下层 2楼板 Y 向正应力 。计算表明 :1 塔楼的层 2楼板局部开洞口后 , 在 小震作用下 , 洞口和核心

26、筒之间的楼板在靠近轴 和 轴 处出现了较大的拉应力 , 除去应 力集中的影响 后 ,最大拉应力约为 0. 8MPa ; 2 在中震作用下 , 除去 应力集中的影响后 ,最大拉应力约为 2. 4MPa ; 3 在大 震作用下 , 除去应力集中的影响后 , 最大拉应力约为 4. 2MPa ; 4 在大震作用下 , 楼板应力大于 1. 5MPa 的 范围较大 ; 5 对出现较大应力的部位 , 配筋采用双层 双向并按应力计算的结果进行配筋 。 8抗震加强措施工程属于 B 级高度的高层建筑 , 超限的主要内 容为平面凹凸不规则和扭转不规则 。 工程于 2008年 通过了广州市超限高层建筑抗震设防专项审查 。 中 震作用下的结构性能目标确定为 :底部加强区的剪力 墙不屈服 ,剪力墙连梁抗剪不屈服且保证强剪弱弯 。 经分析 , 对结构构件进行合理配筋后 , 可实现上述中 震作用下的结构性能目标 。 为增强结构的抗震能力 , 除按规范要求进行设计外 , 采取以下加强措施 :(1 加强落 地 剪 力 墙 , 适 当 提 高 剪 力 墙 底 部 加 强部位的配筋率 。 控制落地剪力墙在罕遇地震作用 下的弹性剪 应 力 水 平 不 大 于 0. 2f ck (f ck 为 混 凝 土 抗 压强度标准 值 。 罕 遇 地 震 的 水 平 剪 力 取 Pus