合肥绿地中心D楼超限高层结构设计.docx

合肥绿地中心D楼超限高层结构设计柯春明I范一江I陈丽华2（1.华东建筑设计研究院有限公司安徽分公司，2.合肥工业大学安徽合肥230086）摘要：合肥绿地中心D座办公楼，地上57层，地卜.3层，建筑高度为242.65m,地下室埋深为16.2m,体系为混合结构（型钢混凝土柱-钢梁-混凝土核心筒）。介绍了该超B级高层建筑的结构布置情况、抗震性能目标及结构分析方法，对小震弹性反应谱分析、小震弹性时程分析、大震动力弹塑性时程分析等计算结果进行了研究。针对该工程的特点、难点进行分析并提出了处理措施，主要为二层大开洞带来的越层柱、越层剪力墙、楼板应力等问题，以及超高带来的差异沉降、险收缩与徐变等问题。计算结果表明，该结构达到抗震性能目标确定的各项抗震性能要求，是安全、可靠、合理的。关键词：超B级高层建筑：混合结构（型钢混凝土柱-钢梁-混凝土核心筒）：抗震性能目标：时程分析中图分类号：TU973文献标识码：A文章编号：Outof-codehigh-riseStructuralDesignofBuildingDinHefeiGreenlandCenterKEChunming1,FANYijiang1,ZHANGHui1（1.EastChinaArchitecturalDesignInstituteCo.,Ltd.AnhuiBranch»Hefei230086,China）Abstract:BuildingDofHefeiGreenlandCenterisanofficebuildingwith57floorsabovegroundand3floorsunderground.Thebuildingheightis242.65mandtheburieddepthof（hebasementis16.2m.Thebuildinghasamixedstructuralsystem（steelreinforcedconcretecolumn-steelgirder-frame-corewall）.Thestructurelayout,seismicperformanceobjectivesandstructuralanalysismethodsofthesuperBhigh-risebuildingareintroduced.Thecalculationresultsofsmallearthquakeelasticresponsespectrumanalysis,smallearthquakeelasticlimehistoryanalysis,andlargeseismicforceelastoplasticlimehistoryanalysisaredingtothecharacteristicsanddifficultiesoftheproject,itanalyzedandputforwardtreatmentmeasures,mainlyfortheproblemsofover-floorcolumns,over-floorshearwalls,floorstresscausedbythelargeopeningonthesecondfloor,Andtheproblemsofdifferentialsettlement,concreteshrinkageandcreepcausedbysuper-elevation.Thecalculationresultsshowthatthestructureissafe,reliableandreasonable,andcomplieswiththeseismicperformancerequirementssubjecttotheseismicperformancetargets.Keywords:SuperclassBhigh-risebuilding;steelreinforcedconcretecolumn-steelgirder-frame-corewall;Seismicperformanceobjective;Timehistoryanalysis1工程概况合肥绿地中心坐落于包河区（宿松路、二环路交口西南角）。项目规划242.65m超高层一栋（D座），80m高度办公楼1栋，IOOm高度办公楼1栋，13Om高度办公楼1栋，住宅4栋，以及12万的商业中心，总建筑面积约42.3万建筑效果图见（图1）。本楼为合肥绿地中心D座超甲办公楼，总建筑面积为132000n,建筑高度为242.65m,地下室埋深为16.2m,为碎柱（型钢）-钢梁-险核心筒结构型式。本楼平面尺寸为45.8m*45.8m（长*宽），结构总高度为242.65m,长宽比为1,高宽比为5.3o本楼睑核心筒平面为24.5m*20.9m（长*宽），于46F楼面（标高193.3In）处收进为16.8m*20.5m,其筒体X向（Y向）高宽比为9.9（11.6）。本楼抗震按乙类7度（SlOg）设防，框柱及碎核心筒墙抗震等级特一级、框梁为一级。类场地，Tg=0.35s,Wo=O.35kNm2,地面C类粗糙度，风计算时考虑群体效应。图1建筑效果图2结构布置2.1概述D座办公楼，地面之上57层，地面之下3层，其中地下室层面分别为6.6mN4.8m、4.8m；1-4层为商业,层高为5.5m、5.2m、5.2m>5.2m；5-57层，层高为4.1m；设备层以上层高为5.6m、3.7m、3.2mo本楼基础选用灌注桩（旋挖成孔、桩端后注浆），单桩承载力取6000kN（d=800mm）,筏形承台板厚约4mo2.2结构主要构件信息表1结构主要构件信息结构构件主要尺寸（mm）底部加强部位剪力墙1（XX900（外）、内筒60（）500非底部加强部位剪力堵框架梁、连梁800500（外）、600-450（内）标准以：框梁（工字钢，高700）,次梁（工字钢，高600）,筒内梁（钢筋皎，高900）：边框梁400x1000双腹工字型楼板120、15()3结构超限情况、抗震性能目标及结构分析方法3.1 结构超限情况本楼属于超B级的一般不规则高层建筑。3.2 抗震性能目标抗震性能的目标设为C级，具体控制指标见表2.表2抗震性能目标地震烈度多遇地震设防地震罕遇地震规范抗震概念小熊不坏中俄可修大震不倒性能水准性能水准1性能水准3性能水准4层间位移角限值1/5201/100关犍构件底部加强部位剪力墙、柱2星、32层穿星柱弹性弹性抗剪弹性、抗弯不屈服弹性部分抗弯屈服，抗剪不屈服部分抗弯屈服，抗剪不屈服弱连接处楼板弹性不屈服抗剪不屈服，并控制钢筋应力普通非底部加部分进入塑性，控竖向强部位剪弹性不屈服制抗剪塑性程度及构件力墙、柱塑性变形少量抗弯多数抗弯屈服，抗连梁弹性屈服，抗剪剪不屈服，并控制耗能不屈服弯曲塑性变形构件少量抗弯部分抗弯屈服，抗框架梁弹性屈服、抗剪剪不屈服，并控制不屈服弯的塑性变形图2D座二层结构平面布置图图3D座标准层结构平面布置图表3结构分析方法项次风荷载计算分类计算分析方法计算软件位移指标计算考虑刚性楼板、地震（偶然偏心）、风Satwe»MidasBuilding多遇地震作用考虑承载力计扭转耦联、弹性楼板、双向地震Satwe算作用弹性时程分析Satwe设防地震不考虑性能目标扭转耦联、弹性楼板、Satwe3.3 地震作用下的结构分析方法本楼结构分析方法详表3。双向地震作用弹塑性动罕遇地震不考虑性能目标力时程分Midas作用分析析Building4结构计算分析4.1 小震下弹性反应谱分析分别选择SatWe、MidasBuilding建立三维空间模型并计算、对比，计算显示，两种软件的计算结果基本一致，可初步判定模型是准确、可信的。主要对比数据详见表4、表5。表4弹性分析的位移变形结果计算软件SatweMidasBuilding结构自震Tl5,8573(Y)58704(Y)周期（S）T25.4872(X)5.4375(X)T33.5843(Z)3.6642(Z)周期比T扭/Tl0.6120.624酸大层间风X1/1510(47F)1/1521(47F)弹性位移Y1/1211(42F)1I2O7(42F)角地震X1/963(49F)l97l(49F)Y1/811<46F)1/816(46F)最大层间位移与平均层X1.32(IF)1.308(IF)间位移比Y1.39(IF)1.416(IF)表5弹性分析的内力结果计算软件SatweMidasBuilding地面以上总重量185360185971地震作X2315423426基底用Y2221222264总剪刀风荷载X1530114284.(kN)作用Y1536414335地震作X基底用Y总弯矩风荷载X(KNm)作用Y振型右效质5SX97.92%96.72%参与系数Y97.84%96.56%楼层最小剪重比1.25%1.28%X（地震剪力调整系(1.024)(1.0)数）Y1.20%1.22%(1.067)(1,049)楼层侧向刚度比X1.1387(33F)1.1210(4F)最小值（层号）Y1.1432I.1O42(4F)(32F)最小楼层抗剪X0.88(4F)0.9703(44F)承载力比（层号）Y0.89(4F)0.9938(33F)稳定性X2.25（地震）2.34(地震)（刚篁比）Y1.94（地震）1.99(地蔑)轴压比剪力墙0.420.43最大值框架柱0.610.624.2 小震弹性时程分析本楼选择北京某工程技术有限公司提供的双向波（5道天然波、2道人工波）进行分析，弹性时程分析主要结果详表6。由表可知，计算得到的底部剪力平均值小于CQC法的底部剪力数值，按CQC法进行设计是可行的。表6弹性时程分析结果项次X向（Y向）计算软件类别层间位移角基底剪力（kN）时程/反应谱基底剪力比值SatWO反应谱1/963(1/811)23154(22212)一Userl1/838(1/796)22920(24051)99%(108%)User21/1106(1/1102)19168(21637)83%(97%)User41/991(1/1097)24894(19193)108%(86%)Uscr51/876(1/881)24420(21348)105%(96%)User61/920(1/908)24171(20394)104%(92%)User71/1038(1/1057)21662(21730)94%(98%)Uscr91/1186(1/1228)22679(19176)98%(86%)平均值1/982(1/1005)22845(21075)99%(95%)结论1,各时程曲线计舁所得基底总剪力，均大于振型分解反应谱求得的基底总剪力的65%,均小于其基底总剪力的135%：2.:组时程曲线计算所得基底总剪力的平均值，大于振型分解反应谱求得的基底总剪力的80%.4.3 中震作用分析4.3.1 中震验算通过SatWe进行中震分析，按中震弹性计算对底部加强部位剪力墙进行抗剪弹性判别；按照中震不屈服计算对底部加强部位剪力墙的抗弯能力、非底部加强部位剪力墙、框架梁、连梁进行屈服判别。4.3.2 跃层柱中震弹性验算2层、32层越层柱越层方向的地震内力，按同层普通柱考虑多道防线的地蔻剪力与越层柱地震剪力之比，放大越层柱在该方向的所有地震内力（M、N、V）,然后计入计算长度（底层计算高度取107m）,进行相关的中震弹性设计。4.3.3 二层大开洞边楼板分析对二层大洞口边的楼板按弹性楼板考虑平面内、外的刚度（楼板单元按弹性膜6计算）进行分析，以保证楼板能满足其抗震性能要求。对楼板大洞口边缘楼板及其上层楼板采用双层双向配筋，拉板最小配筋率为0.35%；局部应力较大位置根据中震计算结果加大配筋，并控制钢筋应力。结论：在中震作用下，各项控制指标均达到抗震性能目标水准3的要求。4.4 大震动力弹塑性时程分析4.4.1 分析模型本工程选用MidasBuilding系列软件中的结构大师（StructureMaster2013）进行大震下的动力弹塑性时程分析。碎材料的本构关系采用了单轴受压应力一应变本构模型，钢筋本构关系采用简化的二折线模型，墙单元的剪切特性材料本构关系使用剪力退化三折线模型；钢筋碎梁/柱滞回曲线采用可以考虑刚度和强度退化的修正武田三折线模型，钢筋役梁/柱非线性单元类型选择为弯矩-旋转角单元（*。），剪力墙采用纤维模型来模拟。本楼大震分析时，选用了在统计意义上和反应谱（规范）比较接近的三组地震波，分别为人工波A（L765-KL765-2）、天然波B（LO223、L0224）,天然波C（LO397,LO398）。各地震动特征周期和本工程场地比较接近，有效持时大于5倍结构基本周期，且大于15s,天然波和人工波都采用了水平双向地震输入。动力弹塑性分析前，对本工程先行计算并取得计算数值；为简化设计，按计算数值超配15%确定实际配筋数值，在此基础上进行动力弹塑性分析。4.4.2 计算结果分析结构基底剪力（在各地震动作用下）达到小震数值的3.95.5倍，地震作用量级合理，各地震动作用下最大层间位移角（弹塑性）分布规律一致，未发生异常突变情况，最大层间位移角为1/140（规范限值1/100）,初步判断结构达到“大震不倒”的性能目标基本要求。杆系（梁、柱）构件，其输出状态两种：开裂、屈服前为状态L屈服、屈服后为状态2。墙应变等级（剪切向纤维）划分，按延性系数（=总应变/屈服应变）为5个等级：分别=0.60.8、1.0、2.0、4.0,第3等级为屈服状态。剪力墙剪切向弹塑性状态列于（表7）,框架梁、连梁最终塑性状态列于（表8）。表7剪切弹塑性状态比例（剪力墙）应变名称地震作用主方向地应变等级>5（屈服后）震动"2（弹性）2-3（屈月艮前）3-4（屈服后）4-5（屈服后）A80.8%9.5%3.1%2.9%3.8%XB89.1%5.6%1.6%1.9%1.9%剪力墙C90.9%4.7%1.1%1.4%1.8%剪切A84.5%8.4%2.4%2.3%2.5%髅YB81.7%8.8%3.0%3.4%3.2%C90.4%5.2%1.4%1.3%1.6%表8弯曲弹塑性状态比例（梁端）构地震地一屈服状态件作用震第1屈服第2屁服名主方弹性（开裂'屈（屈服、屈服称向动服前）后）A97.7%2.3%0%XB99.6%0.4%0%框C98.8%1.2%0%架A99.3%0.7%0%梁YB97.9%2.1%0%C99.4%0.6%0%连XA0.5%13.1%86.4%梁B1.3%19.7%79.0%C4.4%25.9%69.7%A0.8%15.0%84.2%YB0.6%13.8%85.6%C1.0%21.0%78.0%综上所述，大震作用下：框柱(大部分)处于第一屈服状态，这主要是因本工程柱内设置型钢，采用的滞回模型曲线为与碎柱一样的修正武田三折线，其屈服强度定义与碎柱相同，第一屈服阶段定义为柱外边缘受弯开裂至受压一侧最外端的碎达到极限应变之间的状态。而钢梁的第一屈服状态为截面外侧开始屈服至全截面应力达到屈服应力之间的状态，这就容易造成柱子在较小的荷载下也能出现第一阶段的钱。同时本工程定义的型钢混凝土柱近似开裂面P-M-M值与屈服面相比均较低，柱子开裂至第二屈服之间塑性发展空间很大，从柱延性系数数据可看出，虽然柱较早的出现了第一屈服状态的较，但整个过程中，柱均一直处于第一屈服状态，塑性较未发展，延性系数值均较小。从框架梁的延性系数数据也可看出，整个过程中梁延性系数均比柱大，塑性较发展程度大于柱，因此我们认为结构能满足强柱弱梁的要求。结论：在大震作用下，未发生整片墙剪切屈服、破坏，连梁弯曲屈服普遍先于框架梁，结构具备良好的多道防线及耗能体系，各指标达到设定目标(水准4)的要求。5非结构荷载作用、设计策略及措施5.1非结构荷载作用、设计策略及措施5.1.1差异沉降效应本楼采用旋挖机械钻孔桩，桩基直接落在中风化岩层上，采取桩端后注浆以减少桩底沉渣的影响，控制建筑物的绝对沉降量。适当加强底部楼层的框架梁，且其与筒体相连的节点均采取皎接方式。适当减少底部加强区墙、柱轴压比数值,以提高竖向构件抵抗非结构荷载的能力。5. 1.2碎收缩和徐变影响为考虑补偿施工期间和将来使用过程中的轴向压缩影响，本工程应采取以下措施：严格控制混凝土制作工艺，通过试验确定混凝土合适的配合比，并据此精确计算施工期间和使用期间的收缩徐变量；控制内筒的轴压比，适当在筒内设置构造型钢，增加筒体配筋量；在施工和使用期间，建立完整的变形监测系统，加强变形监测，并在施工期间根据监测数据随时调整后期的预留量；楼板配筋采用双层双向方式，并适当加强。6. 2设计策略及措施(1)最小墙身配筋率提高：底部加强区0.40%,其他部位时0.35%(水平、竖向)：对于个别剪切屈服超过5级应变等级的墙，边缘构件当为约束时纵筋配筋率不小于1.5%、如为构造则按约束处理。(2)轴压比大于0.30的边缘构件按约束边缘构件配筋。(3)连梁剪力过大时，加强配箍率、腰筋。(4)对于越层柱，箍筋全长加密，并按中震弹性设计。6综合分析结论综上分析结果，结论如下：通过SatWe和das/buiIding两种程序的对比计算，结果表明结构构件在多遇地震下均处于弹性工作状态，层间位移角等各项指标满足规范要求，可保证小震不坏。弹性时程分析结果表明，结构各层刚度均匀无突变，层间变形比较均匀，没有明显薄弱部位。通过大震动力弹塑性时程分析，表明结构在大震下的抗震性能满足防倒塌设计目标，整体结构最大弹塑性变形值小于规范限值，整体结构和主要抗侧力构件仍具有充足的强度和变形能力安全储备，可保证大震不倒。综上所述，本工程抗震设计可达到预期的性能目标，在规范规定的地震作用下，可以保证结构安全可靠。参考文献：建筑抗震设计规范：GB5OO1I-2O1OS.北京：中国建筑工业出版社，2010.建筑结构荷载规范：GB5OOO92O12S.北京：中国建筑工业出版社，2012.混凝土结构设计规范：GB500l32010S).北京：中国建筑工业出版社，2015.高层建筑混凝土结构技术规程：JGJ32O1OS北京：中国建筑工业出版社，2(HL基于性能的超限高层建筑结构抗震设计.理论研究与工程应用ML北京：中国建筑工业出版社，2013.6超限高层建筑工程抗宸设计指南M.上海：同济大学出版社,2009.