上海某超高层结构体系

上海某超高层结构体系

1地地面推进结构组成该项目由1.5栋建筑组成，其中1号楼34层（含机库层），结构高度为155.250米。主要功能包括业务、办公室和辅助室。地下层1,主要功能为人防(甲类核6级)、复式机动车车库和设备用房。本工程采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系,利用两边两个交通盒和机房墙体设置剪力墙,形成两个核心剪力墙筒,与周边框架形成主要结构抗侧力体系。1号楼结构标准层布置如图1所示。2号楼1号楼根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》(建质220号)的规定,1号楼属于超限高层建筑工程,需进行抗震专项审查。主要超限内容是:高度超限(7度区框架剪力墙结构B级最大适用高度140m)。2.1建筑物的结构分级建筑结构的安全等级:1级;地基基础设计等级:甲级;设计使用年限:50年;设计基准期:50年;建筑抗震设防类别:丙类;建筑物的耐火等级:1级;重要性系数:1.1。2.2弹性分析时地面加速度按照《建筑抗震设计规范》(GB50011—2001)的规定,本工程在进行常遇地震弹性时程分析时,地面加速度峰值取35gal;在进行罕遇地震动力弹塑性分析时,地面加速度峰值取220gal。2.3多遇地震对应的地震波动力弹塑性时程分析选取6组地震波:人工波L1(30s)、人工波S1(30s)、天然波L2(30s)、天然波S2(30s)、天然波L3(30s)、天然波S3(30s)。其中L1,L2,L3为罕遇地震对应的三条地震波,S1,S2,S3为多遇地震对应的三条地震波。反应谱如图2所示。2.4结构体系的设计根据1号楼超限情况,对1号楼结构进行了性能化设计,针对不同的结构部位并根据其重要程度,采用了不同的抗震性能目标,并采取相应的设计、计算及构造措施,以保证结构的安全可靠。抗震性能目标如表1所示。3结构动态轴的分析3.1混凝土应力-应变本构关系和损伤模型(1)钢材:采用双线性动力硬化模型,考虑包辛格效应,在循环过程中,无刚度退化。在多轴应力状态下,采用了vonMises屈服准则判断钢材是否达到屈服。本次分析假定钢材的强屈比为1.2,极限应力所对应的应变为0.025。(2)剪力墙混凝土:采用塑性损伤模型,该模型能够考虑混凝土材料的拉压强度差异以及在循环荷载作用下的刚度退化和恢复等性质。当混凝土的受力状态从受拉变为受压时,混凝土的裂缝闭合,抗压刚度恢复至原有的抗压刚度;当混凝土的受力状态从受压变为受拉时,混凝土的抗拉刚度无法恢复。本次分析所采用混凝土应力-应变本构关系和损伤因子基于《混凝土结构设计规范》(GB50010—2002)附录C,材料强度采用标准值,配筋信息按照SATWE计算结果。(3)框架混凝土:基于混凝土单轴应力-应变关系的本构模型,在本工程中对混凝土和钢筋部分分别采用图3,4所示的Concrete02和Steel02模型。3.2损伤因子与试验关系(1)受压应力-应变关系见图5,受压损伤因子与受压应力、应变关系见表2。(2)受拉应力-应变关系见图6,受拉损伤因子与受拉应力、应变关系见表3。3.3轴流分析的结果3.3.1计算模型图73.3.2模型模态分析为验证动力弹塑性分析模型的准确性,对ABAQUS有限元模型进行模态分析,将结构自振特性信息与SATWE和ETABS分析结果进行对比,见表4。3.3.3结构反应表53.3.4结构变形反应结构顶层最大位移如表6所示。(2)塑性层间位移角在罕遇地震作用下,结构最大塑性层间位移角如图8所示。3.3.5混凝土未被压碎(1)核心筒整体受压损伤混凝土达到压应力的峰值应变时,受压损伤因子大小约为0.2~0.3,此时可以认为混凝土尚未被压碎。图9分别为L1,L2,L3波下墙体受压情况,可以判断混凝土尚未被压碎。(2)核心筒整体受拉损伤当受拉损伤值达到0.9时,混凝土材料的裂缝已经充分开展。图10分别为L1,L2,L3波下墙体受拉情况,可以判断L波影响下墙体混凝土的受拉损伤因子最大值接近0.9,混凝土受拉损伤较为严重。3.3.6连梁部分损伤集中于连梁框架梁、框架柱在各种地震波的作用下都无损伤,框架部分的损伤集中于连梁上,筒体很多层都有连梁出现塑性铰。图11分别为L1,L2,L3波下框架受力情况。3.3.7框架柱受拉损伤(1)在人工波大震作用下,首先是多处连梁出现塑性铰,之后层2楼板出现塑性区,然后是底层框架柱出现受拉损伤,框架柱的受拉损伤由下往上延伸,到4s左右底部剪力墙也出现受拉损伤,并由下向上延伸。(2)在天然波大震作用下,首先是多处连梁出现塑性铰,在2.5s左右,框架柱和底部剪力墙出现受拉损伤,剪力墙损伤由下向上延伸。3.3.8大震作用下结构损伤情况(1)塑性层间位移角分析各条地震波双方向输入时,各楼层最大层间塑性位移角均小于1/100(最大位移角为1/108),满足抗震规范对结构大震作用下的变形要求,同时满足性能目标中对大震层间塑性位移角的要求。L3地震波Y方向输入时,在结构层3出现塑性变形集中楼层(薄弱层,层间位移角1/224);分析结构布置及受力特点可以发现在此层Y方向出现薄弱楼层的原因如下:1)此层以下为大底盘裙房层,裙房与塔楼之间不设结构缝,裙房层的层间剪切刚度较大,结构在层3存在竖向收进,造成结构薄弱层的出现。2)结构在层3局部框架存在两层通高的中庭,一侧的框架柱与混凝土筒体之间没有联系框架梁及楼板,因此结构在此层不能形成较强的抗侧力体系。3)经核对大震作用下的损伤情况发现,混凝土墙体在此层受拉损伤严重,而框架柱未出现较大损伤;主要原因是框架柱为两层通高,柱的抗侧刚度偏柔,因此地震力从框架向剪力墙筒体转移。(2)损伤分析1)从大震作用下的结构损伤过程来看,最先出现塑性铰的区域为连梁,且由于连梁高度较低,连梁破坏主要为弯曲破坏,因此满足性能设计目标中大震作用下连梁出现塑性铰,但不出现剪切破坏的目标。2)由于剪力墙筒体分布于结构两侧,部分墙体在重力荷载作用下轴压比很小(主要为自重作用),因此在大震作用下底部墙体出现大面积受拉破坏。3)大震作用下,框架柱损伤相对较小,仅在底部加强区范围内出现部分受拉损伤。(3)塑性铰发展过程及抗震概念设计目标从前面分析的塑性铰发展过程来看,大震作用下结构的损伤及塑性铰发展过程基本满足了抗震设计的概念要求及性能化设计目标。连梁作为结构耗能构件,最先出现塑性铰,且为耗能性能较好的弯曲破坏。随后底部加强区范围内的剪力墙体出现受拉损伤,而作为第二道防线的框架柱损伤较小。从现有结果来分析,结构Y方向具有较好的抗震两道防线的效果,但X方向由于剪力墙筒体分置于两侧,因此结构两道防线的概念不太明确。(4)抗震性能化设计目标校核1)塑性层间位移角满足性能设计目标(1/108<1/100)。2)底部加强区的剪力墙体未出现受剪破坏,主要为受拉破坏,通过增设钢骨、增加墙体竖向配筋率,可控制墙体受拉损伤程度,保证墙体在大震作用下的抗剪承载力要求,因此底部加强区剪力墙满足性能设计目标。3)连梁在大震作用下出现塑性铰,且为受弯破坏,满足性能设计目标。4)底部加强区范围内框架柱为局部受拉破坏,增设钢骨后可保证大震下框架柱具有足够的竖向及水平承载力,因此满足性能设计目标。5)部分框架梁在大震作用下出现受弯破坏,损伤程度有限,能保证抗倒塌要求,因此满足性能设计目标。6)其余各层构件的损伤主要集中在框架梁及上部局部楼层空腹桁架柱脚,损伤程度有限,能保证抗倒塌要求,因此满足性能设计目标。4框架柱的设置(1)增加薄弱层的抗剪承载力,特别是增加混凝土筒体的抗剪承载力,推迟剪力墙塑性铰出现的时刻,防止塑性变形在此层过早集中。(2)提高混凝土筒体及框架柱的竖向配筋率,降低混凝土筒体及框架柱的受拉损伤程度。必要时可在底部加强区高度范围内在混凝土筒体及框架柱中设置型钢。(3)由于计算得到的框架柱刚度较柔,为防止计算所得内力偏小,造成实施上的框架柱承载力偏低,此层需人为提高框架柱的抗弯及抗剪承载力,提高后的柱承载力应不小于上、下相邻楼层柱承载力。(4)为改善剪力墙在大震作用下的受拉损伤状况,可考虑在剪力墙筒体中设置加强钢骨,保证结构在大震作用下具有足够的抗剪承载能力;必要时可考虑在底部加强部位