某高烈度区超高层“Y”字形剪力墙结构超限设计分析

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来源:CCDI高成结构(id:CCDI_GCJG) 海口华润中心二期 东悦府超限结构设计 海口华润中心二期东悦府项目位于海南省海口市,抗震设防烈度为8(0.3g),结构高度149.9m,为超B级的超限高层建筑,采用剪力墙结构,存在扭转不规则、凸凹不规则等不规则项。 针对该项目特点,结合建筑方案需求,对剪力墙结构布置进行了分析探讨,并确定了合理的抗震性能目标,采用了多种程序对结构进行了小震作用反应谱分析及弹性时程分析、中震分析,并进行了大震动力弹塑性分析。

来源:CCDI高成结构(id:CCDI_GCJG)


海口华润中心二期

东悦府超限结构设计


海口华润中心二期东悦府项目位于海南省海口市,抗震设防烈度为8(0.3g),结构高度149.9m,为超B级的超限高层建筑,采用剪力墙结构,存在扭转不规则、凸凹不规则等不规则项。


针对该项目特点,结合建筑方案需求,对剪力墙结构布置进行了分析探讨,并确定了合理的抗震性能目标,采用了多种程序对结构进行了小震作用反应谱分析及弹性时程分析、中震分析,并进行了大震动力弹塑性分析。


分析结果表明,结构各项指标均能满足规范要求,能够实现设计设定的抗震性能目标。


1 工程概况

海口华润中心二期东悦府项目由五座塔楼、三层地下室及一层裙房组成,5栋塔楼为一梯四户高层住宅,共47层,建筑高度为149.90米,标准层层高3.15米,首层架空层层高6.2米;地下室3层,主要为设备用房及停车库,地下三层局部设置人防,地下一层层高3.7米,地下二、三层层高3.6米,项目距离海边1.2公里。


5座塔楼均呈“Y”字形,结构设计使用年限50年,结构安全等级为二级,抗震设防类别为丙类,基础设计等级为甲级,地震基本烈度8度(0.3g),设计地震分组第二组,特征周期参考由中国建筑科学研究院工程抗震研究所提供的《地震分组一、二、三组Tg等值线图》,根据场地等效剪切波速和场地覆盖层厚度插值得为0.46s,抗震等级为一级(底部小偏心受拉剪力墙按特一级抗震构造措施设计),基本风压为0.75kN/m2,地面粗糙度为B类,风荷载体系系数1.4。


本文以1#楼为例,简述高烈度区超高层“Y”字形剪力墙结构超限设计分析过程,供同类工程参考。


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图1  建筑效果图


2 结构方案选型

在方案设计阶段,共选择了三种结构形式:1、普通钢筋混凝土剪力墙结构;2、钢板组合剪力墙结构;3、普通钢筋混凝土剪力墙+耗能连梁减震结构。经过对比分析,最后选择采用普通钢筋混凝土剪力墙结构,基于以下原因:


(1) 普通钢筋混凝土剪力墙结构施工工艺成熟、速度快、造价低。


(2) 钢板剪力墙结构良好的受拉性能对于本项目中震下剪力墙墙体受拉是很好的解决方案,但其防腐防火性能差,造价高、施工速度慢。


(3)采用耗能连梁方案可优化部分墙厚50mm,但综合消能减震后的效果及成本,与普通钢筋混凝土结构体系相比,抗震性能及经济性方面均没有明显改善。


结构平面布置如下图2所示,主要构件尺寸如下表1所示


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表1(主要结构构件尺寸)


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图2 标准层结构布置平面图


3 结构设计策略

在结构设计及与建筑的协调过程中,以下主要策略始终贯穿整个设计过程,使得到的设计为最优设计。


(1)提高抗侧刚度

充分利用剪力墙结构的整体空间筒体效应,结合住宅的建筑特点,构成平面内多个有效筒体,产生束筒效应,提高了整体结构抗侧刚度和承载能力。


(2)减少扭转效应

加长加厚Y形平面外侧墙体,外部连梁加高到1150mm,中部筒体墙体适当减薄,中部连梁适当弱化。


(3)减少结构自重,减轻地震作用效应

剪力墙竖向变厚度,由底部剪力墙外围为500mm,内部400mm收为上部的外围300mm,内部250mm厚;在满足建筑需求的情况下,增设部分楼层梁,将板厚控制为100mm。


4 基础设计

本项目场地地层自上而下共分15个工程地质单元层,自上而下分别为:杂填土、中砂、淤泥质粉质粘土、粉砂、粘土、中砂、粉质粘土、中砂、粉质粘土、中砂、粉质粘土、中砂、粉质粘土、强风化凝灰岩、中风化凝灰岩。基础采用1200mm直径的灌注桩,以第八层中砂或其下地层作为桩端持力层,单桩承载能力特征值为11000kN,有效桩长约50m,采用桩侧和桩端后注浆,塔楼承台厚度2600mm,基础布置图如下图3所示:


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图3 桩基平面布置图


5 超限分析

5.1 超限情况及抗震性能目标:

本项目高度149.9m,超过B级高度限制110m,属于超B级高度项目;同时本工程还存在以下不规则情况:1)凹凸不规则(平面凹凸尺寸大于相应边长30%等),l/Bmax=0.41;2)扭转不规则,考虑偶然偏心的最大扭转位移比较少楼层为1.27,大于1.2,但小于1.4。


参考《海南省超限高层建筑结构抗震设计补充规定》,本工程结构抗震性能目标定位为CD级,具体内容详见下表2。采用YJK和ETABS对主体结构进行了小震弹性分析;采用YJK对主体结构进行了中震验算;采用Perform3D对结构进行了动力弹塑性分析。


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表2 (结构或构件抗震性能目标)


5.2 小震计算

1、小震下YJK、ETABS主要计算结果见下表3,层间位移角曲线详见图4。对比可以看出,两个程序分析结果比较接近,说明结构模型选择可靠,分析结果可信,结构设计合理。


2、根据高规规定[3],本项目需采用弹性时程分析法进行小震下的补充计算。本项目采用五组实际地震记录和两组人工模拟的加速度时程曲线,计算结果见下表4。


由表4可知,7条地震波的单波地震基底剪力大于规范谱的65%,7条地震波地震基底剪力平均值大于规范谱基底剪力80%,所选地震波满足规范要求。


上述各图表结果显示,部分楼层CQC的楼层剪力小于七条地震波平均值的楼层剪力,施工图阶段将对相应楼层地震剪力按比例放大,使CQC法计算的结果能够包络时程分析结果,方便结构配筋设计。


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表3 (小震主要计算结果)


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图4 层间位移角曲线


从表3和图4可以看出,在地震作用下,层间位移角最大值为Y向1/919。该位移角能保证建筑结构的正常使用状态,对幕墙、隔墙和填充墙以及附属机电设备的影响较小。


参考海南省补充规定第4.2.4条,8度0.3g时,小震作用下的弹性层间位移角可比规范规定的限制适当放宽,但不宜超过1/900,故认为本项目位移角能满足建筑结构的相应性能要求。


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表4 (弹性时程分析计算结果)


5.3  针对X方向少墙验算

本项目x方向墙肢数量较少,且长度较短。参考相关研究[4],现将30度和150度方向小墙肢剪力墙按框架柱建模。


经计算分析,在规定水平力作用下,1#楼结构底层梁柱框架的剪力比为0.028,扁柱楼板框架剪力比为0.022,剪力墙的剪力比为0.950,剪力墙的剪力比大于0.9,故可按剪力墙结构进行设计,配筋设计时按剪力墙结构和框架-剪力墙结构包络设计。

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图5 (框架-剪力墙模型平面图)


6 地震作用下楼板应力分析

本项目为剪力墙结构的住宅,结构布置沿高度方向无突变;楼板开洞集中在中部楼、电梯间,洞口布置沿高度方向均匀。因此,采用MIDAS gen分析楼板应力时,仅沿高度方向均匀地取8、23和39层3层楼板作详细分析,其他层楼板采用刚性楼板假定。


在中震作用下,楼板核心筒区域拉应力较大,最大值为2.2MPa,核心筒洞口边缘的应力集中处拉应力超过2.5MPa,需全截面配置钢筋0.55%(2.2/400),此处板厚取为150mm,配筋按双层双向10@120配筋能满足要求。


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图15 楼板应力分布


7 结论

(1)本项目整体平面呈“Y”字形,平面扭转不规则,属于高烈度地区的超B级高层建筑,通过采取一系列措施,使结构具有良好的抗扭刚度,满足了层间位移角等各项规范规定的指标要求,获得了良好的经济效益。


(2)在关键部位布置刚度较大剪力墙(如长片拉通剪力墙、束筒剪力墙等),既可以满足建筑方案需求,亦可以满足整个结构刚度的要求,收效明显。


(3)在8度(0.3g)地区的超高层结构,地震作用较大,结构设计需控制结构自重,减小荷载,减少地震作用,从而减小地震作用对结构的影响,效果明显。


(4)底部楼层部分剪力墙在中震作用下全截面受拉,通过布置型钢并按特一级构造措施加强设计,满足了中震的抗震性能目标。


(5)通过大震动力弹塑性分析,连梁最早出现塑性铰,耗散地震能量,部分构件进入塑性而未破坏,最大层间位移角满足高规要求,实现了结构“大震不倒”的抗震性能目标。


本工程已顺利通过了超限审查,现已进入施工阶段。感谢全国超限高层建筑抗震设防审查专家方小丹大师、卢伟煌总工及海南省的专家参与审查,感谢广州容柏生建筑结构设计事务所提出的宝贵意见。


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