青岛北海花园西区超限高层结构设计.pdf

第二十届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 8 年 青岛北海花园西区超限高层结构设计 井彦青王艽丁新海裴志刚徐雪萍高月梅 ( 青岛腾远设计事务所，青岛2 6 6 0 7 1 ) 提要青岛北海花园西区项目，为三塔楼大底盘并带转换层的复杂高层建筑结构，结构平面和竖向均不规则，为结 构体形特别不规则的抗震超限高层建筑。结构计算分析采用多模型、多软件进行分析比较，并进行弹性时程分析补充 计算；对框支柱和抗震墙按中震弹性设计；该工程各项计算指标比较理想，所采取的措施比较合理，整体设计满足规 范要求。 关键词多塔楼大底盘，转换层，特别不规则，中震弹性，秃头柱 1 工程概况 本工程位于青岛市市南区，山东路以东与江西路以南的交叉路口，南侧紧邻海军4 0 l 医院和市政 府，北侧隔江西路与海信购物广场相望，为青岛市黄金地段，建筑面积十万多平方米。 本工程三层地下室，负三层为平战结合的六级人防地下室；地上为四层商业裙房，上托A 、B 、C 三栋住宅塔楼组成的三塔大底盘结构。裙房共四层，总高度1 9 0 0 米：A 、B 塔楼均为三十二层，结构 高度1 0 0 米；C 塔楼为二十八层，结构高度8 8 米。结构形式为框支剪力墙结构，转换层设在商业裙房 四层顶，转换形式为梁板式，转换梁梁高最高为2 1 米。图1 为A 塔楼标准层平面图，图2 为B 塔楼 标准层平面图，图3 为C 塔楼标准层平面图，图4 为裙房转换层结构平面图，建筑平面呈三角钢琴 形，三塔楼布置在裙房三个角部。 图lA 塔楼标准层结构布置图 图2 B 塔楼标准层结构布置图 图3 c 塔楼标准层结构布置图 工程抗震设防类别：商业裙房为乙类，裙房上住宅塔楼丙类3 1 。抗震设防烈度6 度，设计地震分 组第二组，地震加速度值为O 0 5 9 。1 0 0 年一遇基本风压取值为0 7 0 忌研2 ，地面粗糙度为B 类。场 地覆盖层等效剪切波速v s e = 1 8 5 5 n l s ，本工程地基基础设计等级为甲级。建筑场地类别介于I I I 类 井彦青。男，1 9 6 2 1 0 出生，学士，高级工程师 3 3 0 _ 第二十届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 8 年 之间，场地土特征周期 为T 鲫3 5 s 。场地地 基情况良好，地表层有 约0 4 5 0 米素填土， 其下为花岗岩层。基础 底面以下岩层为强、中 风化花岗岩，地基承载 力特征值厶= 1 2 0 0 2 2 0 0 尼尸臼。 基础形式：主楼为 钢筋混凝土梁板式筏形 基础，裙房为柱下独立 基础+ 防水底板。 主要材料：钢筋 H P B 2 3 5 、H R B 3 3 5和 H R B 4 0 0 ，基础砼C 4 0 ， 裙房框架柱砼C 4 0 ，框 支柱、框支梁砼C 5 5 ， 标准层楼板C 3 0 。 结构的抗震等级，见表1 。 图4 裙房转换层结构布置图 表1 结构的抗震等级 框支框架柱梁剪力墙落地非落地非框支框架框架梁 一3 层 二三二三 一2 层 二三二三 一1 层一二 一7 二 1 3 层一二 一? 二 4 层一f 二 一，二 5 、6 层 7 层以上 纯地下室四 3 3 1 第二十届全国高层建筑结构学术会议论文 2 0 0 8 年 2 结构复杂和超限情况 此工程为三塔楼大底盘带转换层的框支剪力墙结构，转换层设在四层裙房顶，属于高位转换，从 图1 可看出，裙房平面呈三角钢琴形，三塔楼质心和大底盘质心偏置超过规范【2 J 规定的限值。x 轴到y 轴( C 塔楼附近) 因楼梯和自动扶梯对楼板开洞，楼板局部不连续。结构设计人( 抗震超限专家也建 议) 想在此位置留设抗震缝，业主方以影响使用功能等理由，坚决不同意留设，从而带来结构复杂和 抗震超限。结构还有下列几项不规则【l2 J ：结构四层顶转换，墙柱构件上下不连续；A 、B 、C 塔楼及裙房考虑偶然偏心的扭转位移比均大于1 2 ；A 、B 、C 住宅塔楼平面为L 形，平面凹凸尺寸 大于相应边长3 0 ，且存在细腰；A 、B 、C 塔楼竖向在总层数减两层处收进尺寸大于2 5 。 另外因三塔楼标准层剪力墙平面不规则，转换层以下商场又要求大空间，给框支柱的布置带来难 度，使有些转换梁多级转换，存在多处秃头框支柱( 图l 圆圈标记秃头柱) ；三住宅塔楼平面均有多处 开有角窗( 图2 、 3 、 4 中圆圈标记处) ；在主楼位置转换层楼面与裙房屋面不在同一个标高。 所用这些问题都给结构设计带来难度，结构计算分析采用s A T 、v E 和P M S A P 进行分析比较，分 单塔计算和多塔整体计算进行比较；并进行弹性时程分析补充计算；对框支柱和抗震墙按中震弹性设 计；对多级转换框支梁进行应力分析；加强结构抗震概念设计和构造措施，确保结构的安全可靠。 3 结构计算分析 3 1 振型分解反应谱法分析结果 A 、B 、C 三塔楼大底盘计算采用3 6 个振型，用S A l 、E 和P M s A P 程序分别进行组装整体计算 和分塔计算，计算中考虑双向地震和偶然偏心的扭转耦联影响，只有计算结构楼层位移比时才定义刚 性楼板假定，其它计算均定义为弹性板。 分塔计算采用两种分塔形式，第一种分塔方法是：大底盘结构全保留，另两个塔楼上部结构删 除，把塔楼上部结构的总重量加在裙房顶相应位置上，计算单塔楼周期时宜采用此种分法。这样计算 考虑了裙房和另两个塔楼的影响，塔楼周期值比较准确。用此分塔方法计算得到前三个振型周期详见 表2 。S A ：n E 和P M S A P 计算结果相近，结构扭转周期比均小于0 8 。第二种分塔方法是，塔楼以外的 裙房删除不考虑( 或仅考虑两跨) ，按高规【2 】附录E 计算转换层上部和下部结构的等效刚度比时宜 采用此种分法。此分塔法用S 栅软件计算得到各塔楼上下等效刚度比为：A 塔楼x 向0 9 2 ，Y 向 1 0 1 ；B 塔楼X 向0 8 7 ，Y 向O 9 l ；C 塔楼X 向0 8 9 ，Y 向0 9 2 ，比较合理。 按三塔楼整体模型计算得到的楼层剪力和楼层位移角详见表2 ，青岛地区1 0 0 年一遇基本风压取值 为0 7 0 蝌r I l 2 ，风荷载较大，X 方向风荷载下总剪力是地震作用下总剪力的1 6 9 倍，Y 方向风荷载下 总剪力是地震作用下总剪力的1 5 8 倍，A 塔楼风荷载下x 向最大位移角是地震作用下的2 0 6 ( S 黼软件) 、2 3 7 ( P M S A P 软件) 倍，y 向最大位移角是地震作用下的1 9 7 ( S A l w E 软件) 、 2 1 7 ( P M s A P 软件) 倍，B 塔楼风荷载下x 向最大位移角是地震作用下的1 8 7 ( S A T W E 软件) 、1 8 4 ( P M S A P 软件) 倍，y 向最大位移角是地震作用下的2 5 2 ( S A l 、E 软件) 、2 3 1 ( P M S A P 软件) 倍；C 塔楼风荷载下x 向最大位移角是地震作用下的2 7 1 ( s A l M E 软件) 、2 8 1 ( P M s A P 软件) 倍，y 向最大 位移角是地震作用下的1 9 8 ( S A M E 软件) 、2 0 9 ( P M S A P 软件) 倍。结构的强度和变形主要由风荷 载控制。与各分塔计算所得楼层位移角比较，整体模型计算值稍大，位移角相差不到5 ，反映出各塔 楼在风荷载或地震作用下通过裙房有相互的影响，但影响不大。 3 3 2 第二十届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 8 年 表2不同软件的结构分析主要结果 整体A 塔楼B 塔楼C 塔楼 计算软件方向 S A T W EP M S A PS A T W EP M S A PS A T W EP M S A P 风 总剪力 X1 8 9 7 l ( 1 州) y 1 7 2 9 8 荷 最大层 X1 1 9 9 01 1 7 7 l1 2 0 6 01 1 4 5 41 1 6 3 61 1 4 6 3 载 位移角y l 1 9 1 41 1 8 2 11 1 9 6 01 1 4 9 7l 2 0 8 51 1 9 7 9 总地震 X1 1 1 9 8 地 剪力( 1 ( N )y 1 0 9 5 5 震 剪重比 X0 8 9 作 ( ) y 0 8 7 用 最大层 X1 4 1 0 91 4 2 0 61 3 8 5 4l 3 6 7 61 4 4 4 2l 4 1 1 6 位移角y 1 3 7 7 91 3 9 5 5l 3 8 6 9l 3 4 5 4l 4 1 2 21 4 1 3 2 T 1 ( s ) 2 0 7 3 12 0 8 92 0 3 6 62 1 0 31 9 0 9 61 9 5 6 周T 2 ( s )1 8 6 9 61 8 7 61 8 5 0 51 9 0 91 5 0 4 31 6 2 3 期T 3 ( s )1 4 9 9 71 4 9 61 4 7 9 01 5 7 81 3 3 6 91 4 5 l T 3 T 1O 7 2 30 7 1 6O 7 2 6O 7 50 7 0 0O 7 4 1 3 2 弹性动力时程分析结果 为了校核多遇地震作用下上述振型分解反应谱法的计算结果，用S A l W E 软件进行弹性动力时程补 充计算，以c 塔楼为例：地震波采用m 一2 ，T H 3 T G 0 3 5 两条天然波和R H 3 T G 0 3 5 一条人工波，三条波 的峰值加速度均为1 8 c I I l s 2 ，最大位移角和最大剪力曲线如图5 所示( 图中I 分别表示 R H 3 T G 0 3 5 ，m 2 ，R H 3 T G 0 3 5 三条地震波的反应结果，表示其平均反应结果，V 表示C Q C 法结 果) ，各条时程曲线计算所得的结构底部剪力均不小于振型分解反应谱法的计算结果的6 5 ，三条时程 曲线计算所得的结构底部剪力平均值大于振型分解反应谱法的计算结果的8 0 ，满足规程的要求 2 】。弹 性动力时程分析结果显示，最大层间位移角和最大楼层剪力在转换层裙房顶有突变，与振型分解反应 谱法的计算结果的基本一致，与风荷载比较不起控制作用。 主方向最大楼层剪力曲线主方向最大楼层位移曲线 百菘丽鬲F 丽面F 气丽葡而而 图5 弹性时程分析最大剪力曲线和最大位移曲线 3 3 中震弹性分析结果和 大震不屈服计算分析 对本工程用S A T w E 程序进行了中震弹性计算分析，地震影响系数最大值取O 1 l ，墙柱抗震等级 一3 3 3 第二十届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 8 年 取四级。风荷载按1 0 年一遇取值。计算结果显示各楼层位移角略大于风荷载( 按1 0 0 年一遇) 作用下 的楼层位移角，构件配筋除少量剪力墙连梁超筋外，大部分不大于按多遇地震和风荷载计算结果，框 架和剪力墙基本处在弹性受力状态。在地震低烈度6 度区，风荷载较大的沿海地区，遭遇第二水准烈 度( 基本烈度) 时，结构未进入非弹性工作阶段，高于抗震规范规定的抗震设防目标。 根据抗震超限专家评审意 见，因本工程框支层存在多处秃头 柱，转换梁有多级转换，应满足在 大震作用下不发生剪切破坏，用 S A T w E 程序对本工程整体进行了 大震不屈服计算分析，地震影响系 数最大值取0 2 3 ，墙柱抗震等级取 四级，不考虑风荷载。计算结果显 表3A 塔楼中震弹性与大震不屈服分析结果比较 方向方向 由 总剪力 X 2 8 9 1 3 总剪力 X6 0 4 5 4 大震 震 ( K N ) y 2 9 1 8 l ( K N ) y 6 1 0 1 4 不屈 弹 最大层 X 1 1 6 3 1最大层X1 7 8 1 服 性 位移角yl 1 4 2 2位移角 y l 6 8 0 示各楼层位移角大约是风荷载( 按1 0 0 年一遇) 作用下的楼层位移角的2 5 3 O 倍，较多剪力墙连梁 和框架梁剪弯超筋，但框支柱、转换梁未出现超配筋。遭遇第三水准烈度( 罕遇地震) 时，结构有较 大变形，但框支柱、转换梁等主要构件不会发生破坏，可以避免结构倒塌，满足抗震规范规定的抗震 设防目标。以A 塔楼为例进行中震弹性与大震不屈服分析结果比较，见表3 。 4 加强抗震概念设计和抗震构造措施 1 ) 本工程属多塔大底盘结构且平面不对称、刚度相差较大。裙房配筋计算时采用多塔模型整体 计算，裙房各层楼板定义为弹性膜，充分考虑大底盘各塔楼之间的影响；大底盘屋面厚度取1 8 0 m m ， 配筋不少于0 2 5 。各塔楼之间裙房连接体的屋面梁适当加强。塔楼中与裙房相连的外围柱、剪力墙 纵筋和箍筋适当加大。主楼转换层楼板与裙房屋面高差为6 0 0 删：n ，高差处采用双面加腋措施，保证转 换层楼面有效传递水平力。 2 ) 底部加强部位的落地墙肢和框支柱的承载力，按中震弹性的性能设计要求复核，构造抗震等级 采用一级。对框支层存在多处秃头柱情况，应满足大震下不发生剪切破坏，按大震不屈服验算这些构 件的承载力。对多级转换的构件采用手算复核：根据受荷面积并考虑构件刚度影响，把各层竖向荷载 导荷在转换构件上，手工复核转换构件的承载力。另外构件配筋适当加强，转换梁箍筋为三级钢直径 不小于1 4 r n m ，间距1 0 0 础m ；腰筋直径不小于2 0 m m ，间距不大于1 5 0 m m ，排数不少于四排：秃头框支柱 箍筋为三级钢直径不小于1 4 删：n ，间距1 0 0 m m ，柱箍筋体积配箍率不小于1 6 ；纵筋配筋率不小于 1 4 ，并设置芯柱。 3 ) 对各塔楼转角窗两侧的墙肢，沿塔楼全高设置约束边缘构件，角窗房间楼板适当加厚，楼板 厚度不小于1 5 0 r 姗，配筋率不小于0 2 5 ：并在楼板内设置暗斜梁形成封闭暗框架。 4 ) 对各塔楼标准层楼面存在的细腰处，楼板适当加厚，楼板厚度不小于1 2 0 I n m ，配筋率不小于 0 2 5 。 5 总结和体会 本工程多塔大底盘且带有转换层，平面和竖向有多项不规则，属抗震超限高层建筑，通过加强 结构计算，多模型、多软件计算分析，进行弹性时程分析补充计算，找出结构的薄弱点，采取相应的 加强措施，适当提高底部框支柱、剪力墙和转换梁等主要构件的抗震设防标准，对这些构件按中震弹 3 3 4 第二十届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 8 年 性设计和大震不剪切破坏设计，经全国抗震设防审查委员会评审通过，该工程各项计算指标比较理 想，所采取的措施比较合理，整体设计满足规范要求，结构设计安全可靠。 参考文献 1 建筑抗震设计规范( G B 5 0 0 1 1 2 0 0 1 ) 北京：中国建筑工业出版社，2 0 0 1 2 高层建筑混凝七结构技术规程( J G J l 3 8 2 0 0 2 ) 北京：中国建筑工业出版社，2 0 0 2 3 王亚勇，戴国茕建筑抗震设计规范疑问解答 北京：中国建筑工业出版社，2 0 0 6 3 3 5