武漢保利廣場超高層結構分析

武漢保利廣場超高層結構分析

1結構體系及設計武漢保利廣場位于武漢市洪武廣場南側。建筑面積約14.4萬平方米，其中地上10.96萬米，地下3.44萬公里。大屋頂結構高度為209.9米，總高度為219.0米。建筑詳情見圖1。工程地下4層,層高從下而上分別為5.1,4.7,4.7,5.6m;地下層1有局部商業(yè),其余為車庫及設備用房。地上分為主樓、副樓及裙樓,其中裙樓為8層,主要為商業(yè)、娛樂、餐飲等,屋面標高51.0m;主樓和副樓在層1~8與裙樓連接為一個整體,8層以上均為高級寫字樓;副樓20層,屋面標高101.0m,標準層層高4.1m;主樓46層,大屋面標高209.9m,標準層層高4.1m。主、副樓在層16~20(共5層)通過鋼結構連接為一個整體,連接體跨度為42.5m,立面呈“h”形,結構立面圖見圖2。工程鋼結構總用鋼量約11000t。該工程結構建筑抗震設防類別為乙類,抗震設防烈度為6度,設計基本地震加速度為0.05g,設計地震分組為第一組,場地類別為Ⅱ類,特征周期為0.35s;風荷載按武漢市100年重現(xiàn)期的基本風壓取值,為0.40kN/m2,地面粗糙度為C類。2基礎和地下設計2.1有巖溶及持力層設計根據(jù)地質勘察報告,下部基巖有灰?guī)r、泥灰?guī)r、鈣質泥巖三種,中風化巖層面距地下室基坑底面約0.5~10.0m,巖石地基承載力特征值分別為5000,2000,2200kPa。經多方案比較,選定人工挖孔墩基礎為最優(yōu)方案,墩底持力層為中風化巖石(灰?guī)r、泥灰?guī)r、鈣質泥巖)。其中灰?guī)r和泥灰?guī)r分布區(qū)內局部有溶洞,設計要求在灰?guī)r和泥灰?guī)r分布區(qū)域的墩基礎完全穿過溶洞及溶蝕層,進入完整的持力層。實際施工中,在穿越溶蝕層時采取了孔內爆破施工。柱下采用一柱一墩,核心筒下采用群墩基礎,墩身混凝土強度等級為C35,墩身及擴底尺寸根據(jù)持力層巖層分布進行調整。墩身直徑最小為0.9m,最大3.2m;擴底直徑最小1.3m,最大5.6m。主樓采用整體式承臺,厚度3.0m。由于大承臺(筏板)厚度超過了2.0m,在承臺中部設置鋼筋網(wǎng)片。厚筏剪應力最大處位于板厚中間部位,因此,板厚中部設置鋼筋網(wǎng)片可提高抗剪承載力及增大抗剪延性。高層框架柱為圓鋼管混凝土柱,若采用埋入式柱腳,圓鋼管將切斷大承臺面鋼筋,造成鋼筋連接及施工困難。因工程有4層地下室,柱底彎矩及剪力很小,可采用外露式柱腳,即將柱腳置于承臺面上,柱腳詳圖見圖3。需要注意的問題:1)因柱底壓應力較大,承臺必須進行局部承壓驗算并配置局部承壓鋼筋;2)鋼柱腳下二次灌筑的細石混凝土周邊應補設鋼環(huán),以保證“套箍效應”;3)柱腳周邊應設置足夠的普通鋼筋,以保證柱在大震下有足夠的抗拔力。2.2隔水-排水地下室基坑深達21m,抗浮水位為室外地面,若采用傳統(tǒng)的錨桿或抗拔樁抗浮,成本過高。工程場地地勢較高,地下水主要來自地表水,因此工程采用“隔水-排水”抗浮設計。隔水措施:基坑回填時在上部設置素混凝土隔水層,回填土要求采用老黏土分層夯實。排水措施:地下室底板下設置厚200mm中粗砂墊層,設置若干道碎石盲溝通向集水井,地下室底板集水井與下部盲溝連通,這樣底板下存在地下水時可排入集水井,然后抽排進入建筑中水系統(tǒng)。通過兩年的使用,效果很好。采用這種抗浮設計的前提是地下水水量較小,且集水井水泵應有雙電源。3上部結構體系3.1鋼結構鋼梁結構體系設計主樓平面尺寸為25.5m×58.5m,副樓為21.25m×25.5m;層1~8主樓、副樓及裙樓連為一體,平面尺寸為89.25m×59.5m;層9~10及層16~20主樓與副樓通過鋼結構桁架相連,平面尺寸89.25m×59.5m。主樓、副樓均采用“圓鋼管混凝土柱+H型鋼梁或鋼桁架+鋼筋混凝土核心筒”混合結構體系;裙樓部分采用鋼筋混凝土框架結構;空中連體采用空間鋼桁架結構。鋼結構樓板采用鋼筋桁架自承式樓板。主要結構平面布置見圖4~9。在進行結構整體分析時,將模型適當簡化,即將鋼桁架梁根據(jù)抗彎剛度等代為實腹鋼梁進行計算。構件設計時,從整體計算中讀取鋼梁內力,在3D3S軟件中進行桿件設計。工程基本柱距為8.5m,因兩塔樓核心筒完全偏置在一側,為減小扭轉,在主、副樓南北兩側設置密柱,并加強框架梁,形成較大剛度框架,提高主樓結構整體抗扭剛度。結構豎向構件截面尺寸見表1。3.2連接體鋼框架結構主樓與副樓在層16~20由鋼結構連體相連,跨度為42.5m,寬度為25.5m,高度為20.7m。為滿足建筑使用功能,經過多方案比較,該連體結構采用如下空間鋼框架結構體系:在沿軸○N,○K的42.5m跨度方向的連體外側邊設置2榀主鋼桁架,與主副樓框架柱或核心筒剛接;在層16沿軸(8),(9),(10),(11)的25.5m方向(寬度方向)設4榀次桁架,兩端與主鋼桁架剛接;連體內部采用鋼柱、鋼梁構成的鋼框架結構,柱網(wǎng)為8.5m×8.5m,如圖12,13所示。連體鋼結構總質量約為1500t,采用千斤頂整體提升施工。連接體桁架弦桿在多種工況組合下為壓彎或拉彎構件,故采用箱形截面,截面尺寸均為500mm×500mm,最大板厚為50mm。腹桿均采用倒置的H型鋼。在節(jié)點中桿件軸力通過翼緣直接傳至節(jié)點板,各軸力匯交于節(jié)點板取得平衡。腹桿H型鋼高度均為500mm,翼緣寬度500~700mm,最大板厚60mm。屈曲約束支撐端部采用十字形截面,通過過渡段與節(jié)點板連接。連體結構軸○N主桁架弦桿及斜撐均延伸至主、副樓盡端,防止因個別桿件的破壞產生連續(xù)倒塌;軸○K主桁架與主、副樓筒體剪力墻相連,桁架弦桿均伸入剪力墻墻體內,并設置栓釘,以保證桁架端節(jié)點的節(jié)點力有效傳至主、副樓筒體。并在層18,20的節(jié)點受拉區(qū)設置貫穿筒體剪力墻的預應力筋,以防止混凝土墻體受拉開裂。另外,為保證大震下連接體地震水平作用能可靠傳至兩端的核心筒,在連接體樓蓋及兩端主、副樓樓蓋中設置水平鋼桁架。由于工程連接體位置較高,跨度及體量較大,工程考慮了豎向地震的影響。連體結構設計與分析詳見文。3.3鋼立柱與主體結構連接建筑北立面大廳的單層雙向索網(wǎng)玻璃幕墻(圖14),寬42.5m,高55.9m,與主、副、裙樓形成四面圍合的“城市大客廳”(圖4)。水平索為主受力索,采用ue78838不銹鋼拉索,單索預張力為250kN,其左右節(jié)點通過轉換鋼立柱與主、副樓主體結構相連,鋼立柱截面為□400×500×30;豎索為次受力索,采用ue78826不銹鋼拉索,單索預張力100kN,其下部與地下室頂板相連,上部與城市大客廳屋蓋鋼桁架相連。為了盡量消除鋼立柱對主體結構的影響,鋼立柱與主體結構之間采用銷軸支座連接,各層鋼立柱間采用套筒連接,以釋放水平轉動和豎向變形。這樣,鋼立柱僅承受水平索拉力作用,不參與主體結構受力,見圖15。由于鋼索拉力較大,設計中考慮了其對主體結構的變形影響,對索拉力條件下的主、副樓混凝土樓板進行了應力分析,并在索網(wǎng)與主、副樓節(jié)點處設置了水平支撐(圖4),以保證索拉力的有效傳遞。4連接體結構扭轉控制機理工程主體結構的特點是:1)兩棟塔樓核心筒嚴重偏置,扭轉較嚴重;2)兩棟塔樓高度、質量相差很大,且連接體與高塔的一端端部(而非中部)相連,屬嚴重不對稱連體高層;3)連接體跨度大,達42.5m,共有5層,結構質量大。以上特點導致結構扭轉耦聯(lián)振動較復雜。為減小及控制主體結構的扭轉,除在塔樓長向兩端加密框架柱外,還設置了一批非線性粘滯阻尼器,阻尼器的設計參數(shù)見表2,其與主體結構的連接見圖16。另外,分析表明,在中、大震下,若連體結構在中部能上下錯動,將顯著減小主體結構的扭轉,為實現(xiàn)此目的,連接體主桁架中間跨腹桿均采用屈曲約束支撐(BRB),BRB在正常使用及小震下不屈服,以保證正常使用階段的結構剛度,在中、大震作用下,BRB屈服耗能,連接體在中部可上下錯動,以減小主體結構扭轉,并耗能保護連體構件。BRB設計參數(shù)見表3,其與主體結構的連接見圖17。非線性粘滯阻尼器(速度相關型阻尼器)與屈曲約束支撐(位移相關型阻尼器)混合應用,以實現(xiàn)減小及控制主體結構在中、大震作用下扭轉的目的。5結構動力彈塑性分析工程采用SATWE,MIDAS/Gen兩種軟件進行結構整體彈性階段對比分析(不考慮粘滯阻尼器作用),采用MIDAS/Gen進行結構靜力彈塑性分析(不考慮粘滯阻尼器作用,但可考慮BRB作用),采用ANSYS程序進行結構動力彈塑性分析(考慮粘滯阻尼器與BRB混合減震作用)。工程為超限高層,應進行結構性能設計。經綜合考慮,本工程抗震性能目標確定為性能目標“C”,即:多遇地震時,結構完好、無損傷,屈曲約束支撐不進入消能工作狀態(tài);設防地震時,結構的重要部位的構件輕微損壞,其他部位有部分選定的具有延性的構件發(fā)生中等損壞,進入屈服階段;罕遇地震時,結構部分構件中等損壞,進入屈服,關鍵構件輕度損壞,消能減震構件充分發(fā)揮其耗能作用,但不失效。對于連體結構及與其相連的豎向構件,抗震性能適當提高,在小震下,結構完好、無損傷;在中震下,構件輕微損壞;在大震下構件輕度損壞。5.1設計結果分析在結構整體計算中,梁、柱均采用空間梁單元,混凝土剪力墻、樓板采用殼單元,計算中考慮P-Δ效應和扭轉耦聯(lián)效應。根據(jù)工程場地地震安全性評價報告,場地多遇地震加速度有效峰值為0.0267g,場地水平地震影響系數(shù)為0.0654,特征周期為0.32s。設計基本風壓按100年重現(xiàn)期,取0.4kN/m2,并考慮了風洞試驗的相關結果。采用不同軟件和模型的整體分析結果見表4。根據(jù)《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》(JGJ3—2010),扭轉周期與平動周期的比值不得大于0.85,層間位移角不得大于1/590,表4中的計算結果均滿足相關要求。5.2工程分析及結果靜力彈塑性分析(Pushover)采用MIDAS/Gen軟件使用ATC-40(1996)和FEMA-273(1997)中提供的能力譜法(CapacitySpectrumMethod,CSM)評價結構的抗震性能。根據(jù)工程場地地震安全性評價報告,中震場地水平地震影響系數(shù)為0.2056,罕遇地震場地水平地震影響系數(shù)為0.4809,場地特征周期均為0.32s。工程采用兩種類型的荷載分布模式進行Pushover分析,即模態(tài)分布模式、加速度常量分布模式(模態(tài)分布模式為其控制模式)?？紤]到結構的非對稱性,每種荷載分別按X,Y兩個主方向,每個方向分別考慮正負不同情況。工程Pushover分析的主要結果見圖18,19。從Pushover的結果來看,結構能力譜曲線較平滑,在設定目標位移范圍內未出現(xiàn)陡降段,各工況能力譜曲線與中、大震需求譜曲線均存在交點。大震作用下,第1振型(Y向)性能點處層間位移角1/175,第2振型(X向)性能點處最大層間位移角1/250,均出現(xiàn)在層8。從層間位移角曲線看到,結構位移的突變均發(fā)生在豎向不規(guī)則處,例如層9(裙樓屋面)、連體附近,在設計中,將這些層作為薄弱層考慮。從塑性鉸的出鉸順序來看,連梁出鉸較早,其次是剪力墻,特別是軸○K,軸(12)墻體在大震作用下出鉸較多,圓鋼管混凝土柱和鋼梁在大震作用下均表現(xiàn)為彈性。根據(jù)以上結果,設計時將薄弱處剪力墻抗震等級提高一級采用,為特一級,并按中震不屈服設計配筋。從靜力彈塑性分析的結果來看,結構具備一定的安全儲備。5.3配筋對混凝土彈性模量的影響彈塑性時程分析采用ANSYS軟件評價結構在罕遇地震作用下的動力響應及彈塑性行為。根據(jù)工程場地地震安全性評價報告,分析的原型結構所在的場地土為Ⅱ類場地土,故在分析中選用適用于Ⅱ類場地土的ElCentro波(南北向)和Taft波兩種自然波,以及由武漢地震工程研究院提供的一條人工波。根據(jù)地震安全性評價報告,罕遇地震最大地面運動加速度為0.1963g。由于ANSYS中的殼單元沒有考慮配筋的功能,在模型中根據(jù)配筋率,采用等效剛度的方法考慮配筋影響(即增大混凝土的彈性模量)。主要分析結果如下:(1)大震作用下,主要是連梁、核心筒墻體進入塑性,這與靜力彈塑性分析的結果是一致的,設計中對墻體配筋進行了加強;圓鋼管混凝土柱及鋼梁均表現(xiàn)為彈性或輕微塑性。(2)主樓連體以上結構扭轉效應明顯,原因主要是主樓筒體偏置造成了結構質心和剛心的嚴重偏離。設計時在層間位移比較大的樓層的四角設置粘滯阻尼器,結構在大震作用下的最大層間位移角由1/118(不設阻尼器)降低到1/131(設阻尼器),減震效果明顯。(3)在大震作用下,連體主桁架軸(9),(10)之間屈曲約束支撐屈服而不屈曲,起到“保險絲”的作用,減小了整體結構的地震反應。屈曲約束支撐屈服后連接體局部弦桿進入塑性,但塑性程度較低。彈塑性時程分析的結果與靜力彈塑性分析的結果大致上是吻合的,但彈塑性時程分析更多地反映了高階振型對結構的影響,并給減震構件設計參數(shù)的選擇提供依據(jù),對結構設計起到了必不可少的指導作用。6風洞試驗和振動臺試驗武漢保利廣場結構體型復雜,風荷載和地震作用的影響很大,現(xiàn)有的資料及規(guī)范數(shù)據(jù)已不能滿足工程設計的要求,為了準確掌握建筑物在風荷載及地震作用下的受力規(guī)律,進行了風洞試驗和振動臺試驗。6.1材料的風壓評估委托武漢大學結構風工程研究所進行了風洞試驗與風致響應分析,通過測量模型表面上的平均風壓及脈動風壓時程,經過計算分析及數(shù)據(jù)處理,得到各風向角風壓作用下的建筑物表面風壓值及結構的靜、動態(tài)響應,為玻璃幕墻及結構抗風設計提供依據(jù)。根據(jù)風洞試驗的結果,X向風荷載作用下產生的基地總剪力及傾覆力矩是按規(guī)范取值計算結果的1.2倍,設計時按風洞試驗結果進行計算,使結構設計更加安全和準確。SATWE程序按規(guī)范計算的風荷載與風洞試驗結果對比見圖20。6.2結構的地震反應試驗整體結構的振動臺試驗由廣州大學完成,采用1/35的縮尺模型,檢測整個結構在地震作用下的反應,找出罕遇地震作用下的結構薄弱部分。試驗中選定四條適用于Ⅱ類場地的地震波(一條人工波,三條自然波),分別測定小震、中震、大震作用下結構的地震反應。各工況下試驗又分為安裝阻尼器(有控)和不安裝阻尼器(無控)兩種情況。試驗過程中,在大震作用下,模型結構混凝土核心筒連梁位置和洞口角部出現(xiàn)多條明顯的裂縫,鋼管混凝土柱未見破壞跡象,設計中對核心筒及連梁進行了加強;另外,較之不安裝阻尼器,安裝了阻尼器后的結構柱應變減小10.6%~13.6%,底部剪力墻應變減小14.6%~16.8%,主樓水平位移最大值減小11.3%,副樓水平位移最大值減小8%,可見阻尼器的減震效果顯著。7融合公權,私權,以私權和公權手段為主要動力,計算結果有(1)工程塔樓核心筒嚴重偏置,剛心與質心偏差較大;兩棟塔樓高度與質量差異較大,且連體與高塔一端的端部相連而非連在中部。以上原因導致本工程振動非常復雜,扭轉振動較大。為此,工程選用了延性較好的圓鋼管混凝土柱,并在長向兩端加密柱距以減小扭轉;另外,設置了非線性粘滯阻尼器和屈曲約束支撐,通過混合減震控制結構扭轉振動。(2)分析表明,連接體主桁架剛度增大將導致主體結構扭轉振動加劇,若取消連體主桁架中部斜腹桿將會明顯減小扭轉,但主桁架中間空腹將導致正常使用下剛度偏