曲靖金都佳园1栋塔楼结构分析_陆伟.pdf

第 45 卷 第 22 期 2015 年 11 月下 建筑结构 Building Structure Vol 45 No 22 Nov 2015 曲靖金都佳园 1 栋塔楼结构分析 陆伟 1， 李彦升1， 董 江 2， 王文媛1， 段尔焕1 ( 1 昆明营造工程设计有限公司，昆明 650000; 2 云南省安泰建设工程施工图设计文件审查中心，昆明 650000) 摘要 曲靖金都佳园 1 栋塔楼建筑高度为 218m， 是集商业和公寓式酒店为一体的综合楼， 采用带加强层的框 架- 核心筒结构体系。介绍了该工程结构选型、 抗震性能设计目标以及主要分析结果。采用 ANSYS 软件进行特征 值屈曲分析以确定型钢柱的计算长度系数， 并按此计算长度系数进行型钢柱承载力分析。采用 MIDAS/Gen 软件 进行施工阶段模拟分析和罕遇地震静力弹塑性分析， 计算结果表明， 考虑混凝土收缩徐变及实际施工顺序的影响 比不考虑时构件的内力大， 弹塑性层间位移角满足要求。该工程结构安全可靠， 满足抗震性能设计目标。 关键词 曲靖金都佳园;混合结构;计算长度;施工模拟;Pushover 中图分类号: TU318文献标识码: A 文章编号: 1002- 848X( 2015) 22- 0007- 06 Structural analysis of No 1 Building in Jindujiayuan in Qujing Lu Wei1，Li Yansheng1，Dong Jiang2，Wang Wenyuan1，Duan Erhuan1 ( 1 Kunming Yingzao Engineering Design Co，Ltd，Kunming 650000，China; 2 Yunnan Antai Checking Center of Construction Project Shop Drawing Documents，Kunming 650000，China) Abstract: The No 1 Building in Jindujiayuan in Qujing，which has architecture height of 218 meters，is a comprehensive building with business and residence hotel inside as a whole It adopts hybird structuaral system of frame- core wall with strengthened stories The struactural system selection of the building was introduced as well as seismic performance design goals and the mian analysis results The calculation coefficient of effective length of steel reinforced column was determined according to eigenvalue buckling analysis by ANSYS software，and it was used to analyze the bearing capacity of steel reinforced column The simulation analysis of construction stage and Pushover analysis under the rare earthquake were carried out by MIDAS/Gen software The results indicate that component internal forces are bigger when concrete shrinkage and creep as well as real construction consequence are considered，elastic plastic story drift angle meet the requirements The structure of this project is secure and reliable，and it can fulfill seismic performence design goals Keywords: Jindujiayuan in Qujing;hybrid structure;effective length;construction simulation;Pushover 作者简 介: 陆 伟， 本 科， 工 程 师， 一 级 注 册 结 构 工 程 师， Email: 43436701 qq com。 1工程概况 曲靖金都佳园项目位于云南省曲靖市， 东侧临 寥廓南路， 南侧临文昌路， 北侧临书院路; 项目西侧 正对交叉口， 东北角正对麒麟公园， 地理位置优越， 交通方便。总建筑面积约 41. 8 万 m2， 地下 5 层， 地 上由 4 栋塔楼及一座 6 层裙房组成。其中 1 栋塔楼 地上 52 层( 含 1 层半地下室) ， 地下 5 层， 层高为 3. 6m， 最大建筑高度( 含塔尖) 为 218. 0m， 结构高度 为 186m。其中 13， 24， 37 层为避难层， 层高为 4. 5m; 1 6 层为商业用房， 层高为 4. 5m; 标准层为 酒店式公寓， 层高为 3. 46m。其余 3 栋塔楼均为 36 层， 本文主要介绍 1 栋塔楼上部结构抗震设计， 其建 筑效果图见图 1。 结构设计使用年限为 50 年， 建筑结构安全等级 为二级。抗震设防类别为丙类， 抗震设防烈度为 7 度( 0. 15g) ， 场地土类别为类， 设计地震分组为第 三组， 场地特征周期为 0. 45s， 基本风压取 0. 35 kN/m2， 地面粗糙度为 C 类。 图 1建筑效果图 建筑结构2015 年 2结构选型 1 栋塔楼主体采用带加强层的框架- 核心筒混 合结构， 核心筒采用型钢混凝土剪力墙， 外围框架柱 采用箱形钢管混凝土柱， 框架梁采用焊接工字形钢， 外框架及核心筒抗震等级均为一级。核心筒 X 向 高宽比为 13. 23， Y 向高宽比为 13. 18。核心筒面积 占标准层面积比例约 18%， 占比较小。 地上部分钢管混凝土柱和框架梁主要钢材选用 Q345B， 伸臂桁架采用 Q345GJB。外框柱为箱形钢 管混凝土柱， 混凝土强度等级从下到上由 C60 渐变 为 C40， 截面从下到上由700 900 35 35 减小 到500 600 16 16; 核心筒混凝土强度等级从 下到上由 C60 渐变为 C40， 剪力墙厚度从下到上由 850mm 减小到300mm; 外框架梁采用 Q345B 焊接 H 型钢， 截面为 H700 220 12 14; 楼板采用钢筋桁 架楼板， 加强层及相邻层楼板厚 150mm， 其余楼板 厚 120mm， 混凝土强度等级均为 C35。楼层外框架 在 45 层以上逐层向核心筒倾斜收进。图 2 为典型 标准层结构平面布置图。 图 2标准层结构平面布置图 为提高结构整体抗侧刚度， 在 24， 37 层各设 置 4 道( X， Y 向各 2 道) 伸臂桁架作为加强层， 伸 臂桁架上下弦在核心筒的墙体内贯通。为避免加 强层刚度过大， 刚度突变严重， 在整体抗侧刚度满 足要求的前提下， 仅在加强层设置水平伸臂桁架， 未设置周边环带桁架。钢梁与外框柱的连接为刚 接， 钢梁与核心筒的连接为铰接， 伸臂桁架的上下 弦杆与外框柱和核心筒的连接采用刚接并贯通核 心筒剪力墙， 腹杆与弦杆的连接采用铰接， 加强层 模型图见图 3。 图 3加强层模型图 3结构超限情况和抗震性能设计目标 本项目结构高度为 186m， 未超过高层建筑混 凝土结构技术规程 ( JGJ 32010) ( 简称高规) 规 定的混合结构 7 度区最大适用高度 190m 的限值; 塔楼结构高宽比为 5. 68， 未超过限值 7; 由于加强层 的存在， 有刚度突变、 构件不连续、 承载力突变、 层刚 度偏小的情况; 外框柱在局部顶部楼层存在斜柱; 首 层位移比大于 1. 2， 但未超 1. 4; 其余计算指标均未 超限。根据高规， 并考虑本项目为非超限高层， 结构 整体抗震性能目标定为 D 级， 见表 1。根据 建筑抗 震设计规范 ( GB 500112010) ( 简称抗规) 附录 M 表 9， 框架- 核心筒结构竖向构件在罕遇地震下抗震 性能目标为 “不严重破坏” ， 故本项目采用的层间位 移角限值为 1/110; 高规中性能水准 4 对竖向构件 的要求为 : “关键构件” 为 “轻度损坏 ” ， “普通竖向构 件” 为 “部分构件中度损坏” ， 抗规附录 M 表 9 中 “轻微损坏” 要求的层间位移角限值为 1/400， “中等 破坏” 要求的层间位移角限值为 1/200， 故本项目设 防地震采用的层间位移角限值为 1/250。 抗震性能目标( D 级)表 1 项目多遇地震设防地震罕遇地震 层间位移角1/6451/2501/110 性能水准水准 1水准 4水准 5 宏观损坏程度完好无损坏中度损坏比较严重损坏 底部加强区、 加强层剪力墙 弹性 抗剪弹性、 抗弯不屈曲 抗剪不屈服、 抗弯可屈服 非加强区剪 力墙、 外框架 弹性 抗剪不屈服、 抗弯可屈服 允许进入塑性 连梁、 伸臂桁架弹性允许进入塑性允许进入塑性 4多遇地震及设防地震分析 4. 1 多遇地震弹性反应谱分析 上部结构采用 SATWE， MIDAS/Gen 软件进行 整体计算分析。采用考虑扭转耦联振动影响的振 型分解反应谱法并考虑偶然偏心影响， 结构阻尼 比为 0. 04， 上部结构主要计算结果见表 2。由表 2 可知， 两种软件计算所得的基本周期、 底部剪力、 最大层间位移角等差值均小于 5% ， 计算结果较为 吻合。 8 第 45 卷 第 22 期陆伟， 等 曲靖金都佳园 1 栋塔楼结构分析 上部结构主要计算结果表 2 计算软件SATWEMIDAS/Gen 楼板计算假定刚性楼板假定 刚性楼板假定 周期 T1/s4. 919 14. 821 3 T2/s4. 854 34. 813 1 T3/s1. 944 41. 899 4 周期比 T3/T10. 395 0. 850. 394 0. 85 地震 作用 底部剪力 /kN 最大层间 位移角 扭转位移比 ( 所在楼层) X 向 21 40920 832 Y 向 20 54820 209 X 向 1/6711/670 Y 向 1/7051/704 X 向 1. 22( 1 层)1. 21( 1 层) Y 向 1. 24( 1 层)1. 23( 1 层) 核心筒剪力墙最大轴压比为 0. 43， 小于高规的 限值 0. 5; 外框柱最大轴压比为 0. 66， 小于高规的限 值 0. 7。 4. 2 多遇地震弹性时程分析 弹性时程分析采用 Tg=0. 45s 的两组天然地震 波 TH3TG045， TH4TG045 波 和 一 组 人 工 地 震 波 H2TG045。结果表明三组地震波计算的塔楼底部 剪力均大于采用振型分解反应谱法计算的 65%、 且 均小于振型分解反应谱法计算的底部剪力， 各条地 震波计算的底部剪力平均值大于采用振型分解反应 谱法计算的 80%、 且小于振型分解反应谱法计算的 底部剪力。由于各条地震波计算的底部剪力平均值 小于振型分解反应谱法的底部剪力， 故按振型分解 反应谱法进行设计能够满足要求。 4. 3 设防地震设计 设防地震采用近似的弹性反应谱方法分析， 结 构阻尼比采用 0. 07， 底部加强区剪力墙按中震抗剪 弹性、 抗弯不屈服进行构件承载力设计。经计算， 剪 力墙水平分布筋略大于小震弹性设计配筋。 5静力弹塑性分析 5. 1 弹塑性分析方法 根据高规第 3. 11. 4 条， 高度在 150 200m 之 间的结构， 可视其自振特性和不规则程度选择静力 弹塑性方法或弹塑性时程分析方法， 本项目采用 MIDAS/Gen 软件进行 Pushover 静力弹塑性分析以 评估主体结构在设防地震和罕遇地震作用下的性能 和层间位移角是否满足大震不倒的要求， 并检查构 件塑性区域的开展顺序及程度是否符合性能目标的 要求。Pushover 分析方法通过构建实际形成的结构 能力谱曲线以及等效阻尼比修正的需求谱曲线交点 获取性能点。 钢梁、 混凝土梁定义为弯曲铰; 钢管混凝土柱定 义为 PMM 铰; 剪力墙定义 PMM 铰， 同时考虑剪切 成分; 伸臂桁架定义轴力铰。剪力墙采用墙铰模型 不能准确确定墙肢各部分混凝土损伤分布及钢筋应 变情况， 但能反映墙肢整体的破坏情况， 计算效率 高， 可及时反馈给设计人员， 从而进行设计调整。分 析时将重力荷载代表值作为初始荷载并考虑重力二 阶效应， 地震力分布形式采用振型加载模式。 5. 2 静力弹塑性层间位移角结果 采用 Pushover 静力弹塑性分析法计算的层间 位移角如图 4 所示。由图 4 可知， 设防地震作用 下， X 向最大层间位移角位于 33 层， 为 1 /299; Y 向 最大层间位移角位于 18 层， 为1 /275; 层间位移角 最小值位于加强层附近。为满足表 1 中抗震性能 目标的要求， 采用 SATWE 软件利用弹性反应谱法 进行相关构件的承载力设计， 计算时构件均采用 弹性刚度， 连梁刚度折减系数取 0. 6， 结构阻尼比 取 0. 07。 图 4静力弹塑性分析法计算的层间位移角 罕遇地震作用下， X 向最大层间位移角位于 33 层， 为 1/146; Y 向最大层间位移角位于 18 层， 为 1/115; 层间位移角最小值位于加强层附近。根据计 算结果， 层间位移角均小于高规及设定性能目标要 求， 满足大震不倒的要求。 5. 3 静力弹塑性塑性铰分布 本节主要分析以下内容: 塑性铰的出铰顺序是 否符合预期要求， 塑性铰的发展程度及范围是否符 合抗震性能目标要求， 塑性铰的开展是否符合强剪 弱弯、 强柱弱梁、 强墙弱梁的基本抗震思想， 关键构 件是否得到了保证， 耗能构件是否发挥了耗能作用。 参考美国 FEMA- 3561 ， 构件弹塑性状态评价准则 见图 5。 设防地震作用下: 外框架钢管混凝土柱和钢梁 均未屈服; 伸臂桁架未屈服; 核心筒连梁刚屈服进入 IO 状态; 核心筒剪力墙抗剪未屈服; 底部加强区角 部两片剪力墙抗弯刚屈服进入 IO 状态。核心筒剪 9 建筑结构2015 年 图 5构件弹塑性状态评价准则 力墙、 梁塑性铰分布见图 6( a) ， ( b) 。罕遇地震作 用下: 外框架钢管混凝土柱未屈服; 个别钢梁刚屈服 进入 IO 状态， 外框架体现出了二道防线的功能; 伸 臂桁架屈服而未进入极限状态， 体现出良好的耗能 能力; 核心筒连梁抗弯屈服， 部分构件进入 CP 状 态， 但均未进入极限状态， 体现出了良好的耗能能 力; 同时由于连梁刚度退化， 内力转移至墙体， 加重 了墙体负担; 核心筒加强层处个别剪力墙抗剪刚屈 服， 弹塑性分析时未考虑核心筒内型钢， 可考虑其有 利作用， 并加强水平分布筋配置; 核心筒底部加强区 角部以及加强层附近剪力墙屈服最大的进入 CP 状 态， 但均未进入极限状态。核心筒剪力墙、 梁塑性铰 分布见图 6( c) ， ( d) 。 图 6核心筒剪力墙、 梁塑性铰分布图 6钢管混凝土柱计算长度系数 钢管混凝土柱计算长度系数为稳定性计算的重 要参数， 其计算长度系数不同于混凝土结构也不同 于钢结构。一般情况下可按钢管混凝土结构技术 规程 ( CECS 28 2012) 2 第 5. 1. 5 条进行计算。考 虑柱端约束条件的计算长度系数， 根据梁柱刚度的 比值， 按钢结构设计规范( GB 500172003) 确定。 根据欧拉临界荷载公式反算出计算长度系数 为: = l EI P 槡 cr ( 1) 式中: l 为柱几何长度; EI = EsIs+ EcIc， 其中 Es为钢 材弹性模量， Is为钢材截面惯性矩， Ec为混凝土弹性 模量， Ic为混凝土截面惯性矩; Pcr为临界荷载， 可通 过将多遇地震位移角作为初始几何缺陷的方法进行 非线性屈曲分析获得。 高层混凝土建筑结构对于初始几何缺陷的敏感 性远低于常见的大跨空间结构3 ， 故本项目采用 ANSYS 软件对结构 1 3 层角柱及相邻中柱进行特 征值屈曲分析来确定其临界荷载， 结构构件全部采 用实体单元， 分析模型见图 7， 模型中仅建立部分构 件， 底部嵌固约束 Ux， Uy， Uz， x， y， z六个自由度， 顶部仅约束 Ux， Uy两个自由度， 钢梁考虑楼板作用 调整其抗弯刚度。本分析由于进行了简化故仅考察 中间层的右角柱和中间层的中柱。 图 71 3 层角柱及相邻中柱特征值屈曲分析模型 根据分析得知， 前 6 阶屈曲模态为整体屈曲， 不 是此次分析考察目标。第 7 阶为中层角柱向核心筒 外侧方向屈曲， 屈曲特征值为 68， 根据式( 1) 计算出 其长度系数为 1. 25; 第 9 阶为中层中柱向核心筒方 向屈曲， 屈曲特征值为 78， 根据式( 1) 计算出其长度 系数为 1. 17。第 7， 9 阶屈曲模态见图 8。此分析所 得的钢管混凝土柱计算长度系数将用于 SATWE 软 件的整体计算分析。 图 8 1 3 层角柱及相邻中柱第 7， 9 阶屈曲模态 01 第 45 卷 第 22 期陆伟， 等 曲靖金都佳园 1 栋塔楼结构分析 7斜柱及加强层剪力墙分析 7. 1 斜柱内力分析 从 45 层开始， 45 52 层外围框架柱斜向收进， 45 层柱在正常工况下有向外扩张的趋势， 变形不 大， 仅 0. 1mm， 45， 46 层柱水平变形见图 9。虽然变 形较小但梁内存在较大的拉力， 在恒荷载 + 活荷载 及多遇地震作用组合下最大拉力设计值为 52. 4kN， 见图 10。 图 9正常工况下 45， 46 层柱 水平变形/mm 图 10恒荷载 + 活荷载及 多遇地震作用组合下 45， 46 层梁柱轴力图/kN 为保证结构安全性， 正确估算梁内轴力对构 件应力的影响， 45 层及上下层楼板采用弹性模型 进行计算， 并加强楼板配筋。除此以外， 在 45 层 加设 X 形拉梁增加楼盖平面内抗拉能力， 拉梁设 置同加强层楼板。 图 11X 向多遇地震作用下 24 层核心筒 von Mises 应力云图/MPa 7. 2 加强层剪力墙应力分析 经多遇地震和罕遇地震分析， 加强层核心筒剪 力墙均产生较大的内力， 需要对该部位进行详细应 力分析以找出具体薄弱部位进行加强。X， Y 向多遇 地震作用下核心筒剪力墙 von Mises 应力基本相当， 见图11， 12。由图11， 12 可知， 绝大部分混凝土 von Mises 应力小于混凝土抗拉强度标准值， 剪力墙基 本处于弹性状态; 梁墙交界部位出现局部应力集 中现象， 其次应力较大的部位为墙体交界处。由 于在楼层处核心筒外围剪力墙内设置了型钢梁、 在梁墙交界处设置了型钢柱， 可以缓解应力集中 图 12Y 向多遇地震作用下 24 层核心筒 von Mises 应力云图/MPa 现象， 另外采取以下构造措施加强加强层的剪力 墙: 提高墙身分布筋配筋率， 加强暗柱配筋， 加强 加强层楼板厚度及配筋。 8施工模拟分析 8. 1 施工过程预测 主体结构正常工况竖向构件压缩变形主要由地 基基础、 自重、 荷载、 施工流程及混凝土收缩和徐变所 决定， 核心筒剪力墙和外框柱的差异沉降还跟外框梁 连接形式、 伸臂桁架施工流程有关。虽 SATWE 软件 能考虑逐层加载模式， 但无法考虑混凝土收缩和徐 变， 也无法考虑外框架及伸臂桁架延迟施工的影响。 进行施工模拟分析时做如下假定: 商业用房每 3 层为一个施工阶段， 每个阶段施工 6d， 核心筒与外 框架同时施工; 到达裙房后每 6 层为一个施工阶段， 每个阶段施工 6d， 核心筒领先外框架 6 层; 结构封 顶后进行伸臂桁架安装; 施工模拟过程中核心筒及 外框架均按施工段逐段找平至设计标高; 钢管混凝 土柱不考虑收缩徐变影响; 由于本项目为较硬的岩 质地基， 变形很小故不考虑地基基础的影响。目前 该项目正在施工中， 实际施工过程与设计假定基本 一致。 8. 2 施工阶段变形分析 施工模拟分析时任一层柱的累计竖向变形取 决于参与累计的框架楼层数量以及参与累计的各 层柱在各自计算期内的变形增量。中下部楼层由 于参与累计的楼层数量增多， 柱累计的竖向变形 由下往上逐渐增多; 接近中部楼层时， 虽然参与累 计的楼层数量增多， 但本层的计算期减小， 并超过 前者所产生的影响， 致使竖向变形逐渐减小， 到结 构顶层时达到一个极小值4。施工模拟分析考虑 找平补偿后， 框架柱的竖向变形沿结构高度呈现 出鱼腹形变化趋势， 剪力墙类似， 中柱及相邻剪力 墙竖向变形见图 13， 14。 11 建筑结构2015 年 图 13封顶时中柱及相邻 剪力墙竖向变形/mm 图 14各阶段中柱及相邻 剪力墙累计竖向变形/mm 由图 13， 14 可知， 封顶时剪力墙最大竖向变形 出现在 32 层处， 累计竖向变形为 37mm， 其中收缩 和徐变共占 46%; 结构封顶 5 年后剪力墙最大竖向 变形仍出现在 32 层处， 累计竖向变形为 51mm， 其 中收缩和徐变共占 61%; 由此可见结构封顶后仍然 发生较大的收缩和徐变变形。而框架柱从结构封顶 至 5 年后， 最大竖向变形基本比较稳定， 维持在 50mm 左右。 核心筒和外框柱的找平量为本施工阶段预计产 生的竖向变形， 根据分析， 32 层处核心筒和外框架 找平量均为 3mm， 剪力墙通过现浇混凝土找平， 外 框柱通过螺栓孔或焊缝进行找平。 中部剪力墙和外框柱各阶段差异竖向变形见图 15。由于框架柱主要以弹性变形为主， 主要发生在 结构封顶之前， 而剪力墙收缩徐变变形还在缓慢发 展中， 一般会在结构封顶 5 年后完成。故结构封顶 之前外框柱变形大于核心筒变形， 待收缩徐变稳定 后核心筒变形又大于外框架变形。核心筒剪力墙和 外框柱最大竖向差异变形发生在结构封顶 5 年后， 屋顶最大竖向差异变形为 26mm。 8. 3 施工阶段内力分析 施工完成 5 年后由于核心筒剪力墙沉降大于外 框架柱沉降， 在整体结构中沉降变形会引起外框架 附加弯矩， 外框架弯矩分布见图 16。 考虑核心筒剪力墙混凝土收缩徐变影响时， 顶 部四分之一楼层框架部分在恒载 + 活载作用下的内 力及变形均大于 SATWE 软件计算结果， SATWE 软 件未考虑混凝土收缩徐变时计算的框架内力约为 MIDAS/Gen 软件考虑混凝土收缩徐变时的 80%。 故采用 SATWE 软件进行应力计算时， 顶部四分之 图 15中部剪力墙和外框柱 各阶段竖向差异变形/mm 图 16施工完工 5 年后外 框架弯矩分布图/( kN m) 一楼层钢构件应力应预留 0. 2 的应力比来抵抗差异 沉降的不利影响。 9结论 ( 1) 进行设计前必须根据场地情况、 建筑条件、 结构基本情况、 超限情况以及业主经济性要求提出 安全、 经济、 合理的抗震性能目标。 ( 2) 在混凝土核心筒内关键部位放置型钢可大 大提高核心筒的抗震性能。钢管混凝土柱的稳定性 及计算长度系数应予以特别重视及考虑。 ( 3) 超高层建筑应按高规进行罕遇地震弹塑性 分析， 位移角及构件塑性分布必须满足高规和设定 的性能目标要求， 并根据分析的结果进行结构调整 及加强。 ( 4) 混合结构中应进行考虑实际施工过程和混 凝土收缩徐变的施工阶段模拟分析， 根据分析评价 施工过程是否可行， 估算各层核心筒剪力墙及外框 架找平量， 计算核心筒剪力墙及外框架变形差引起 的变形及内力。 参考文献 1 FEMA- 356 Prestand and commentary guidelines for the seismic rehabilitation of buildings S Washington D C :Federal Emergence Management Agency， 2000 2 CECS 28 2012 钢管混凝土结构技术规程S 北京: 中国计划出版社， 2012 3 吴兵， 傅学怡， 孙璨， 等 苏州圆融星座钢管混凝土柱 稳定及计算长度分析研究J 建筑结构， 2012， 42 ( 11) : 91- 95 4 占毅， 杨学林， 李晓良， 等 兰州红楼时代广场施工模 拟与混凝土收缩和徐变效应分析J 建筑结构， 2012， 42( 8) : 56- 61 21