武漢保利廣場超高層結(jié)構(gòu)分析

武漢保利廣場超高層結(jié)構(gòu)分析

1結(jié)構(gòu)體系及設(shè)計(jì)武漢保利廣場位于武漢市洪武廣場南側(cè)。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(jié)構(gòu)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(shè)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(biāo)高51.0m;主樓和副樓在層1~8與裙樓連接為一個(gè)整體,8層以上均為高級寫字樓;副樓20層,屋面標(biāo)高101.0m,標(biāo)準(zhǔn)層層高4.1m;主樓46層,大屋面標(biāo)高209.9m,標(biāo)準(zhǔn)層層高4.1m。主、副樓在層16~20(共5層)通過鋼結(jié)構(gòu)連接為一個(gè)整體,連接體跨度為42.5m,立面呈“h”形,結(jié)構(gòu)立面圖見圖2。工程鋼結(jié)構(gòu)總用鋼量約11000t。該工程結(jié)構(gòu)建筑抗震設(shè)防類別為乙類,抗震設(shè)防烈度為6度,設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.05g,設(shè)計(jì)地震分組為第一組,場地類別為Ⅱ類,特征周期為0.35s;風(fēng)荷載按武漢市100年重現(xiàn)期的基本風(fēng)壓取值,為0.40kN/m2,地面粗糙度為C類。2基礎(chǔ)和地下設(shè)計(jì)2.1有巖溶及持力層設(shè)計(jì)根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告,下部基巖有灰?guī)r、泥灰?guī)r、鈣質(zhì)泥巖三種,中風(fēng)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(jīng)多方案比較,選定人工挖孔墩基礎(chǔ)為最優(yōu)方案,墩底持力層為中風(fēng)化巖石(灰?guī)r、泥灰?guī)r、鈣質(zhì)泥巖)。其中灰?guī)r和泥灰?guī)r分布區(qū)內(nèi)局部有溶洞,設(shè)計(jì)要求在灰?guī)r和泥灰?guī)r分布區(qū)域的墩基礎(chǔ)完全穿過溶洞及溶蝕層,進(jìn)入完整的持力層。實(shí)際施工中,在穿越溶蝕層時(shí)采取了孔內(nèi)爆破施工。柱下采用一柱一墩,核心筒下采用群墩基礎(chǔ),墩身混凝土強(qiáng)度等級為C35,墩身及擴(kuò)底尺寸根據(jù)持力層巖層分布進(jìn)行調(diào)整。墩身直徑最小為0.9m,最大3.2m;擴(kuò)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(shè)置鋼筋網(wǎng)片。厚筏剪應(yīng)力最大處位于板厚中間部位,因此,板厚中部設(shè)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(yīng)力較大,承臺必須進(jìn)行局部承壓驗(yàn)算并配置局部承壓鋼筋;2)鋼柱腳下二次灌筑的細(xì)石混凝土周邊應(yīng)補(bǔ)設(shè)鋼環(huán),以保證“套箍效應(yīng)”;3)柱腳周邊應(yīng)設(shè)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(dá)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(shè)計(jì)。隔水措施:基坑回填時(shí)在上部設(shè)置素混凝土隔水層,回填土要求采用老黏土分層夯實(shí)。排水措施:地下室底板下設(shè)置厚200mm中粗砂墊層,設(shè)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(shí)可排入集水井,然后抽排進(jìn)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(shè)計(jì)的前提是地下水水量較小,且集水井水泵應(yīng)有雙電源。3上部結(jié)構(gòu)體系3.1鋼結(jié)構(gòu)鋼梁結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)體系;裙樓部分采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu);空中連體采用空間鋼桁架結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)樓板采用鋼筋桁架自承式樓板。主要結(jié)構(gòu)平面布置見圖4~9。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體分析時(shí),將模型適當(dāng)簡化,即將鋼桁架梁根據(jù)抗彎剛度等代為實(shí)腹鋼梁進(jìn)行計(jì)算。構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí),從整體計(jì)算中讀取鋼梁內(nèi)力,在3D3S軟件中進(jìn)行桿件設(shè)計(jì)。工程基本柱距為8.5m,因兩塔樓核心筒完全偏置在一側(cè),為減小扭轉(zhuǎn),在主、副樓南北兩側(cè)設(shè)置密柱,并加強(qiáng)框架梁,形成較大剛度框架,提高主樓結(jié)構(gòu)整體抗扭剛度。結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件截面尺寸見表1。3.2連接體鋼框架結(jié)構(gòu)主樓與副樓在層16~20由鋼結(jié)構(gòu)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(jīng)過多方案比較,該連體結(jié)構(gòu)采用如下空間鋼框架結(jié)構(gòu)體系:在沿軸○N,○K的42.5m跨度方向的連體外側(cè)邊設(shè)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(shè)4榀次桁架,兩端與主鋼桁架剛接;連體內(nèi)部采用鋼柱、鋼梁構(gòu)成的鋼框架結(jié)構(gòu),柱網(wǎng)為8.5m×8.5m,如圖12,13所示。連體鋼結(jié)構(gòu)總質(zhì)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(gòu)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(diǎn)中桿件軸力通過翼緣直接傳至節(jié)點(diǎn)板,各軸力匯交于節(jié)點(diǎn)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(diǎn)板連接。連體結(jié)構(gòu)軸○N主桁架弦桿及斜撐均延伸至主、副樓盡端,防止因個(gè)別桿件的破壞產(chǎn)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(nèi),并設(shè)置栓釘,以保證桁架端節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)力有效傳至主、副樓筒體。并在層18,20的節(jié)點(diǎn)受拉區(qū)設(shè)置貫穿筒體剪力墻的預(yù)應(yīng)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(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析詳見文。3.3鋼立柱與主體結(jié)構(gòu)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(yù)張力為250kN,其左右節(jié)點(diǎn)通過轉(zhuǎn)換鋼立柱與主、副樓主體結(jié)構(gòu)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(yù)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(jié)構(gòu)的影響,鋼立柱與主體結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)受力,見圖15。由于鋼索拉力較大,設(shè)計(jì)中考慮了其對主體結(jié)構(gòu)的變形影響,對索拉力條件下的主、副樓混凝土樓板進(jìn)行了應(yīng)力分析,并在索網(wǎng)與主、副樓節(jié)點(diǎn)處設(shè)置了水平支撐(圖4),以保證索拉力的有效傳遞。4連接體結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)控制機(jī)理工程主體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是:1)兩棟塔樓核心筒嚴(yán)重偏置,扭轉(zhuǎn)較嚴(yán)重;2)兩棟塔樓高度、質(zhì)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(yán)重不對稱連體高層;3)連接體跨度大,達(dá)42.5m,共有5層,結(jié)構(gòu)質(zhì)量大。以上特點(diǎn)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)振動較復(fù)雜。為減小及控制主體結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn),除在塔樓長向兩端加密框架柱外,還設(shè)置了一批非線性粘滯阻尼器,阻尼器的設(shè)計(jì)參數(shù)見表2,其與主體結(jié)構(gòu)的連接見圖16。另外,分析表明,在中、大震下,若連體結(jié)構(gòu)在中部能上下錯(cuò)動,將顯著減小主體結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn),為實(shí)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(jié)構(gòu)剛度,在中、大震作用下,BRB屈服耗能,連接體在中部可上下錯(cuò)動,以減小主體結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn),并耗能保護(hù)連體構(gòu)件。BRB設(shè)計(jì)參數(shù)見表3,其與主體結(jié)構(gòu)的連接見圖17。非線性粘滯阻尼器(速度相關(guān)型阻尼器)與屈曲約束支撐(位移相關(guān)型阻尼器)混合應(yīng)用,以實(shí)現(xiàn)減小及控制主體結(jié)構(gòu)在中、大震作用下扭轉(zhuǎn)的目的。5結(jié)構(gòu)動力彈塑性分析工程采用SATWE,MIDAS/Gen兩種軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)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(jìn)行結(jié)構(gòu)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(jìn)行結(jié)構(gòu)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(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)。經(jīng)綜合考慮,本工程抗震性能目標(biāo)確定為性能目標(biāo)“C”,即:多遇地震時(shí),結(jié)構(gòu)完好、無損傷,屈曲約束支撐不進(jìn)入消能工作狀態(tài);設(shè)防地震時(shí),結(jié)構(gòu)的重要部位的構(gòu)件輕微損壞,其他部位有部分選定的具有延性的構(gòu)件發(fā)生中等損壞,進(jìn)入屈服階段;罕遇地震時(shí),結(jié)構(gòu)部分構(gòu)件中等損壞,進(jìn)入屈服,關(guān)鍵構(gòu)件輕度損壞,消能減震構(gòu)件充分發(fā)揮其耗能作用,但不失效。對于連體結(jié)構(gòu)及與其相連的豎向構(gòu)件,抗震性能適當(dāng)提高,在小震下,結(jié)構(gòu)完好、無損傷;在中震下,構(gòu)件輕微損壞;在大震下構(gòu)件輕度損壞。5.1設(shè)計(jì)結(jié)果分析在結(jié)構(gòu)整體計(jì)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(jì)算中考慮P-Δ效應(yīng)和扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)效應(yīng)。根據(jù)工程場地地震安全性評價(jià)報(bào)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(shè)計(jì)基本風(fēng)壓按100年重現(xiàn)期,取0.4kN/m2,并考慮了風(fēng)洞試驗(yàn)的相關(guān)結(jié)果。采用不同軟件和模型的整體分析結(jié)果見表4。根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ3—2010),扭轉(zhuǎn)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(jì)算結(jié)果均滿足相關(guān)要求。5.2工程分析及結(jié)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(jià)結(jié)構(gòu)的抗震性能。根據(jù)工程場地地震安全性評價(jià)報(bào)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(jìn)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)。考慮到結(jié)構(gòu)的非對稱性,每種荷載分別按X,Y兩個(gè)主方向,每個(gè)方向分別考慮正負(fù)不同情況。工程Pushover分析的主要結(jié)果見圖18,19。從Pushover的結(jié)果來看,結(jié)構(gòu)能力譜曲線較平滑,在設(shè)定目標(biāo)位移范圍內(nèi)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(diǎn)。大震作用下,第1振型(Y向)性能點(diǎn)處層間位移角1/175,第2振型(X向)性能點(diǎn)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(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)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(jié)果,設(shè)計(jì)時(shí)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(shè)計(jì)配筋。從靜力彈塑性分析的結(jié)果來看,結(jié)構(gòu)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(shí)程分析采用ANSYS軟件評價(jià)結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的動力響應(yīng)及彈塑性行為。根據(jù)工程場地地震安全性評價(jià)報(bào)告,分析的原型結(jié)構(gòu)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(jià)報(bào)告,罕遇地震最大地面運(yùn)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(jié)果如下:(1)大震作用下,主要是連梁、核心筒墻體進(jìn)入塑性,這與靜力彈塑性分析的結(jié)果是一致的,設(shè)計(jì)中對墻體配筋進(jìn)行了加強(qiáng);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(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯,原因主要是主樓筒體偏置造成了結(jié)構(gòu)質(zhì)心和剛心的嚴(yán)重偏離。設(shè)計(jì)時(shí)在層間位移比較大的樓層的四角設(shè)置粘滯阻尼器,結(jié)構(gòu)在大震作用下的最大層間位移角由1/118(不設(shè)阻尼器)降低到1/131(設(shè)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(xiǎn)絲”的作用,減小了整體結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。屈曲約束支撐屈服后連接體局部弦桿進(jìn)入塑性,但塑性程度較低。彈塑性時(shí)程分析的結(jié)果與靜力彈塑性分析的結(jié)果大致上是吻合的,但彈塑性時(shí)程分析更多地反映了高階振型對結(jié)構(gòu)的影響,并給減震構(gòu)件設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇提供依據(jù),對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起到了必不可少的指導(dǎo)作用。6風(fēng)洞試驗(yàn)和振動臺試驗(yàn)武漢保利廣場結(jié)構(gòu)體型復(fù)雜,風(fēng)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(shè)計(jì)的要求,為了準(zhǔn)確掌握建筑物在風(fēng)荷載及地震作用下的受力規(guī)律,進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)和振動臺試驗(yàn)。6.1材料的風(fēng)壓評估委托武漢大學(xué)結(jié)構(gòu)風(fēng)工程研究所進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)與風(fēng)致響應(yīng)分析,通過測量模型表面上的平均風(fēng)壓及脈動風(fēng)壓時(shí)程,經(jīng)過計(jì)算分析及數(shù)據(jù)處理,得到各風(fēng)向角風(fēng)壓作用下的建筑物表面風(fēng)壓值及結(jié)構(gòu)的靜、動態(tài)響應(yīng),為玻璃幕墻及結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果,X向風(fēng)荷載作用下產(chǎn)生的基地總剪力及傾覆力矩是按規(guī)范取值計(jì)算結(jié)果的1.2倍,設(shè)計(jì)時(shí)按風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算,使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加安全和準(zhǔn)確。SATWE程序按規(guī)范計(jì)算的風(fēng)荷載與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果對比見圖20。6.2結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)試驗(yàn)整體結(jié)構(gòu)的振動臺試驗(yàn)由廣州大學(xué)完成,采用1/35的縮尺模型,檢測整個(gè)結(jié)構(gòu)在地震作用下的反應(yīng),找出罕遇地震作用下的結(jié)構(gòu)薄弱部分。試驗(yàn)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(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。各工況下試驗(yàn)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(yàn)過程中,在大震作用下,模型結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)中對核心筒及連梁進(jìn)行了加強(qiáng);另外,較之不安裝阻尼器,安裝了阻尼器后的結(jié)構(gòu)柱應(yīng)變減小10.6%~13.6%,底部剪力墻應(yīng)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(quán),私權(quán),以私權(quán)和公權(quán)手段為主要動力,計(jì)算結(jié)果有(1)工程塔樓核心筒嚴(yán)重偏置,剛心與質(zhì)心偏差較大;兩棟塔樓高度與質(zhì)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?qū)е卤竟こ陶駝臃浅?fù)雜,扭轉(zhuǎn)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(zhuǎn);另外,設(shè)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(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)振動。(2)分析表明,連接體主桁架剛度增大將導(dǎo)致主體結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)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(zhuǎn),但主桁架中間空腹將導(dǎo)致正常使用下剛度偏