刘 晟
(上海同济开元建筑设计有限公司，上海 200092)
温州瓯贸国际超限高层建筑结构设计
刘 晟
(上海同济开元建筑设计有限公司，上海 200092)
以温州瓯贸国际框架—剪力墙结构体系设计为背景，通过墙体厚度及柱截面的变化控制结构的层间刚度比和抗剪承载力比值，在结构中部21层立面收进处，设置斜撑以分散上部的竖向力，减小下部框架柱的竖向位移差，并基于MIDAS GEN，对结构进行了静力弹塑性分析，以保证结构在中震及大震作用下抗震性能目标的实现。
框架剪力墙结构，MIDAS，性能化设计，弹塑性分析
1 工程概况
本工程位于浙江省温州市瓯海新区，紧邻温州南站。项目包括一栋40层主塔楼和一栋5层裙楼，其主要功能为酒店客房、公寓等。主楼与裙房之间在地上部分设置伸缩缝，兼作变形缝，形成两个独立的结构单元。
图1为温州瓯贸国际建筑效果图。主楼的钢筋混凝土大屋面高度为146.60 m，平面尺寸约为67.2 m×22.5 m，地上建筑面积约为62 130 m2。结构体系采用框架—剪力墙结构，属于B级高度的高层建筑。
2 结构体系及布置
图2为主楼典型楼层的结构平面图。图中可以看出，剪力墙主要集中布置在楼梯、电梯区域，形成两个较大的井筒，由于井筒偏置于北侧，结构定义为框剪结构，同时对剪力墙井筒的设计按筒体的要求从严控制。结构平面呈矩形布置，高宽比6.44，剪力墙井筒面积占主楼面积的15.0%。主楼底部加强区剪力墙井筒外围剪力墙厚600 mm～800 mm，内部剪力墙厚度多为400 mm，外围矩形框架柱的截面尺寸800 mm×1 400 mm，混凝土强度等级为C60。由于建筑功能的需要，局部楼层存在下部楼层层高较大，上部楼层层高较小的情况。为控制结构的刚度和抗剪承载力不发生突变，设计中利用层高变化处，将井筒外围剪力墙厚度由800 mm逐步收至400 mm，框架柱的截面尺寸由800 mm×1 400 mm缩小为800 mm×800 mm，混凝土强度等级由C60过渡至C30，消除了结构的薄弱层和软弱层。
由于建筑造型的需要，结构立面在21层处收进4.3 m，Ⓒ轴框架柱在21层楼面到顶，如图2所示。经过计算分析，在21层以下若干楼层，Ⓒ轴框架柱较轴框架柱竖向轴力偏大较多，导致竖向变形差异较大，连接此两列柱子的框架梁在竖向变形差的作用下产生很大的剪力和弯矩。为减小Ⓒ轴和轴框架柱的竖向变形差，在20层～21层之间设置混凝土斜撑，斜撑截面为700 mm×700 mm，斜撑立面如图3所示。设置斜撑后，Ⓒ轴和轴两列柱子的竖向变形较为协调，有效地减小了框架梁的内力。
3 结构计算分析
3.1 主要计算参数
结构的安全等级为二级，基础设计等级为甲级。抗震设防烈度6度，设计地震分组第一组，设计基本地震加速度0.05g[1]，水平地震影响系数最大值取规范值与安评报告建议值之较大值0.05，场地类别为Ⅲ类，特征周期0.45 s，建筑抗震设防类别丙类。
基本风压为0.60 kN/m2(50年一遇)，地面粗糙度类别为B类，体形系数为1.4。由于建筑高度大于60 m，承载力设计时，风荷载效应放大系数取1.1。
3.2 结构超限情况及对策
主塔楼采用钢筋混凝土框架—剪力墙结构体系，主体结构高度146.6 m，超过《高层建筑混凝土结构技术规程》[2]中A级高度规定的130 m，属于B级高度的高层结构。在偶然偏心的规定水平力作用下，Y向扭转位移比最大值为1.26，刚心与质心偏心率最大值为0.33>0.15。根据中华人民共和国住房和城乡建设部《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》的规定，本结构属于超限结构。
3.3 性能化目标
考虑到本项目位于6度区，设防烈度不高，主楼结构高度超过A级不多，且仅有一项平面不规则，因此主楼的结构抗震性能目标依据《高层建筑混凝土结构技术规程》[2]均定为C级，即小震完好、无损坏，中震轻度损坏，大震中度损坏。
为达到此性能目标，主楼在多遇地震、设防烈度地震和罕遇地震作用下的层间位移角限值分别定位1/800，1/400和1/200。底部加强部位的剪力墙、斜撑定义为关键构件，非底部加强区剪力墙、框架柱为普通竖向构件，剪力墙连梁和框架梁为耗能构件，其抗震性能目标的设定如表1所示。
表1 结构构件抗震性能目标
3.4 结构分析主要结果
主塔楼以及裙房将采用中国建筑科学研究院PKPMCAD工程部的PKPM软件系列中的SATWE软件进行分析计算，采用MIDAS软件进行校核。计算中采用CQC振型组合，并考虑了结构的扭转耦联效应。主要计算结果如表2所示。从表中可以看出，SATWE和MIDAS的计算结果吻合较好，周期比、剪重比、位移角、位移比等主要结构参数均可满足设计要求。
表2 SATWE和MIDAS主要计算结果
4 静力弹塑性分析
4.1 计算模型与基本假定
采用MIDAS GEN 8.00建立有限元计算模型如图4所示。
计算模型中共定义了四类塑性铰，其中墙铰和柱铰为轴力弯矩铰，梁铰为弯矩铰，支撑铰为轴力铰。四类塑性铰均为位移控制所对应的FEMA铰。侧向力的分布模式采用模态分析的结果，加载采用位移控制，最大平动位移为1 500 mm(约结构地上高度的1/100)。考虑了X方向和Y方向两种情况。初始荷载定义为1.0恒载+0.5活载，并考虑其P-delta效应。
4.2 主要分析结果
能力曲线及目标性能点如图5所示。结构在中震及大震作用下的目标性能点的基本信息如表3所示。结构在目标性能点的各层层间位移角曲线如图5所示，最大弹塑性层间位移角及其发生的楼层如表3所示。可以看出，中震下X向和Y向最大弹塑性层间位移角分别为1/897和1/578，均小于1/400；大震下X向和Y向最大弹塑性层间位移角分别为1/378和1/245，均小于1/200，因此可以满足中震轻度损坏，大震中度损坏的既定抗震性能目标。
表3 中震及大震目标性能点基本信息
塑性铰的发展如图6所示，从图中可以看出：在中震水平的X向和Y向推覆荷载作用下，楼层的核心筒连梁相继出现塑性铰，主要集中在结构中下部(底层～22层)；核心筒墙肢和框架柱未出现塑性铰。在大震水平的X向和Y向推覆荷载下，大部分楼层的核心筒连梁出现塑性铰，个别楼层的连梁已发生刚度退化；裙房部分框架梁柱出现塑性铰，但塑性区较浅；个别墙肢出现塑性铰。
由此可见，在中震荷载水平下，结构的塑性发展有限，塑性铰主要在连梁内出现。在大震的荷载水平下，破坏主要表现为大多楼层连梁塑性铰的出现以及个别连梁刚度退化。连梁作为耗能构件，在地震中先于其他结构构件进入塑性状态，消耗地震能量，达到了预期目的。
5 结语
1)高层建筑通常由于功能的需要，存在下部楼层层高大，上部楼层层高小的情况，设计中可利用层高变化处，逐步减小墙柱截面和降低混凝土强度，以防止结构刚度和抗剪强度的突变。
2)当建筑设计在结构高度中部楼层立面收进时，收进的框架柱与相邻普通柱之间存在较大的竖向变形差异，对结构造成不利影响。设计中采用设置斜撑的方式，协调相邻柱跨之间的竖向变形，有效地减小了结构的内力。
3)超限高层建筑应根据建筑的高度、结构不规则的程度，合理地选取抗震性能目标。应对关键构件、普通竖向构件、耗能构件在不同地震水准下分别采取不同的性能目标。
4)采用MIDAS对结构进行了静力弹塑性分析，分析结果表明，结构在中震和大震作用下的层间位移角以及结构塑性铰的发展程度均可满足预先设定的抗震性能目标。
[1] GB 50011—2010，建筑抗震设计规范[S].
[2] JGJ 3—2010，高层建筑混凝土结构技术规程[S].
On structural design for Oumao International out-of-mode high-rise building in Wenzhou City
Liu Sheng
(ShanghaiTongjiKaiyuanArchitecturalDesignCo.,Ltd,Shanghai200092,China)
Taking the framework-shear wall structural system design of Oumao International in Wenzhou City as the background, the paper allocates the extensive upper vertical stress at the 21st floor elevated entry part in the middle of the structure according to the wall thickness and the interlayer stiffness ratio and anti-shear loading capacity ratio for the changing controlled structure of the column section, reduces the vertical displacement difference of the lower framework column, and undertakes the static-elastic-plastic analysis based on MIDAS GEN, so as to ensure the realization of the seismic performance under the middle seisms and major earthquakes.
framework-shear wall structure, MIDAS, performance design, elastic-plastic analysis
2015-03-02
刘 晟(1982- )，男，硕士，工程师
1009-6825(2015)14-0042-03
TU973
A
