深圳中國壽險大廈結構分析

深圳中國壽險大廈結構分析

1結構體系及設計深圳中華壽山大廈位于深圳福田中心區(qū)南區(qū)中心，主要由辦公室塔、窗簾房和地下室組成。其中，6層和21層是建筑庇護層，總建筑面積約7830.8231米。超高層辦公塔樓采用框架-核心筒結構,地上35層,結構主屋面高度為149.30m,建筑高寬比為4.5,核心筒高寬比為11.6;裙房共4層,屋面高度為17.400m;地下室5層,底板面標高為-22.6m。1層層高為6.0m,2層層高為4.4m,3層層高為4.5m,其他層層高均為4.2m,突出屋面構架層高為20.7m。建筑效果圖和剖面圖見圖1,2。該工程設計基準期及結構設計使用年限為50年,結構安全等級為二級;工程設防類別為丙類,抗震設防烈度為7度,設計基本地震加速度為0.10g,地震分組為第一組,場地類別為Ⅱ類,特征周期Tg及設防水準最大地震影響系數αmax分別為0.35s和0.092(安評報告取值);地面粗糙度為C類,風作用下結構水平位移計算時基本風壓為0.75kN/m2,承載能力計算時取基本風壓的1.1倍。采用機械鉆(沖)孔灌注樁基礎,選擇中~微風化粗?；◢弾r為樁端持力層。2結構體系及設計為滿足建筑立面的需要,塔樓南側11層以下部位及裙房外框柱采用斜柱形式;首層為滿足建筑電梯大堂空間需要,部分外框柱為穿層柱。結構整體計算模型及典型平面結構布置圖見圖3~6,主要結構構件截面尺寸及混凝土強度等級見表1。斜柱采用型鋼混凝土結構,其截面尺寸由底部(1500×1500)/(1200×1800)逐漸收縮為1100×1100。斜柱沿Y方向傾角3°,沿X方向最大傾角90°-67°=23°。南側斜柱豎向定位見圖7。3結構體系分析該工程存在:1)高度超限:超A級鋼筋混凝土最大適用高度;2)偏心布置:塔樓與相鄰裙房層質心偏心率為16.9%;3)樓板不連續(xù):2層樓板開洞面積大于30%;4)其他不規(guī)則:3層以下存在穿層柱、11層以下存在斜柱。本工程屬于超A級高度的特別不規(guī)則結構,按相關規(guī)定于2011年5月進行申報并通過了超限高層建筑工程抗震設防專項審查。綜合考慮抗震設防類別、設防烈度、場地條件、建筑物的功能、結構的特征、構件的部位和重要程度以及發(fā)展商的需求等,結構抗震性能目標選定為C級。采用SATWE及MIDAS/Gen兩種三維空間結構分析程序進行計算比較,按振型分解反應譜法進行多遇地震和風荷載作用下彈性分析及彈性時程補充分析;采用SATWE進行設防烈度地震作用下中震彈性及中震不屈服分析,各項設計控制指標均滿足相對應性能水準的抗震性能目標要求;并采用MIDAS/Building系列軟件中的建筑結構分析設計軟件結構大師(StructureMaster)進行罕遇地震作用下動力彈塑性時程分析,在滿足抗震性能目標要求的同時,找出結構薄弱部位和薄弱構件,并采取了針對性的抗震加強措施。上述具體分析結果不再贅述。下面列出斜柱及相連構件的抗震性能目標(表2),考慮到斜外框柱及與之相連樓面梁板對整體結構的重要性,本工程均定義為結構關鍵構件。4斜柱軸力引起的變形相對于直柱,柱傾斜后軸向剛度對側向剛度的貢獻會明顯增加,將會對水平地震作用下的結構受力特性產生顯著影響;同時斜柱軸力引起的水平分量會對相連樓層,尤其柱頂、底部柱端相連樓層的樓面梁板產生巨大的水平推力,使樓板平面內產生較大的變形。因此,對斜柱及與之相連水平構件的受力特性和內力進行詳細分析,并采取相應的構造及加強措施,通過結構抗震性能目標的實現,確保結構的安全可靠。4.1框架剪力的調整為保證作為第二道防線的外框架具有一定的抗側力能力,需要對框架承擔的剪力予以調整。對于部分軟件把斜柱作為支撐斜桿來考慮而不是柱單元處理時,應當按規(guī)范進行內力調整,按照組合后的內力,重新對斜柱進行配筋驗算。4.2斜柱和10層結構的彈塑性分析為實現斜柱中震彈性的抗震性能設防目標,計算中地震影響系數最大值αmax和特征周期按安評報告取值、取消組合內力調整、連梁剛度折減系數取0.5、材料強度取設計值、荷載作用分項系數及材料分項系數和抗震承載力調整系數同小震取值,并不考慮風荷載效應,來驗證斜柱的長細比、軸向承載力及受彎承載力是否有足夠的安全儲備。典型斜柱(1層的?/(A-11)軸的斜柱、4層的?/(A-8)軸的斜柱和10層的?/(A-5)軸的斜柱)的分析結果見表3。罕遇地震作用下動力彈塑性時程分析中,對于鋼筋混凝土梁、柱桿系構件采用三折線鉸類型并輸出兩種狀態(tài):第1狀態(tài)是開裂及開裂到屈服前狀態(tài),第2狀態(tài)是屈服及屈服后狀態(tài)。分析X,Y主方向地震動作用下框架柱彎曲(Rx,Ry,Rz)彈塑性狀態(tài)分布圖,作為主要抗側力構件的框架柱(包括斜柱)大部分處于彈性工作狀態(tài),頂部和底部一些樓層少量的框架柱出現了第1狀態(tài)的彎曲開裂,但均未發(fā)生彎曲屈服和剪切破壞,可以作為有效的抗側力二道防線,具有較好安全儲備,達到了罕遇地震作用下的抗震性能設防目標的要求。為了考慮罕遇地震作用下樓層框架梁、樓板先于斜柱屈服,樓蓋剛度退化對斜柱產生的影響,分別對與斜柱相連框架梁采用不同的配筋率及梁內加設型鋼等設計工況,根據出鉸后整體變形云圖來考察11層斜柱頂端的頂點位移變化情況,見表4。由表4可看出,隨著樓蓋剛度的退化,斜柱結構水平位移逐漸增大;增大與斜柱相連框架梁配筋率,斜柱頂端水平位移逐漸減小;框架梁采用型鋼混凝土梁后,斜柱頂端水平位移進一步減小。因此,在對帶斜柱的結構設計中,應充分考慮樓蓋梁板剛度及大震剛度退化后對斜柱構件受力的影響,適當加強與斜柱連接處樓板和樓面梁的截面及配筋等構造,確保罕遇地震作用下斜柱的整體穩(wěn)定和承載能力。4.3斜柱屈曲分析由于穿層斜柱構件端部約束條件復雜,為進一步了解其穩(wěn)定性,對穿層斜柱進行屈曲分析,以確定穿層斜柱的實際計算長度和極限承載能力。采用ANSYS的特征值屈曲分析,得到屈曲荷載系數和屈曲模態(tài),并通過屈曲荷載系數與外加荷載相乘,得到屈曲荷載。典型斜柱屈曲分析模態(tài)示意圖和計算結果分別見圖8和表5。從分析結果(表5)可知,穿層斜柱可承受的極限荷載遠大于實際初始荷載;設計時穿層斜柱有效長度系數取計算值且不小于1.25。因此穿層斜柱的設計是偏于安全的。4.4單元模擬結果為了更加準確地了解斜柱的承載能力及節(jié)點應力分布情況,采用ANSYS對斜柱節(jié)點進行非線性分析?；炷敛牧线x用能夠模擬混凝土開裂和破碎的Solid65單元,混凝土本構關系采用《混凝土結構設計規(guī)范》(GB50010—2010)附錄C推薦的應力應變關系公式;縱筋選用Link8單元模擬,內置鋼骨通過Solid65單元自帶分布式鋼筋模型表現,鋼筋材料用vonMises隨動強化模型定義。選擇最大荷載工況組合,讀取上部柱子各個方向的荷載值,下部斜柱均按固支來計算。計算結果見圖9。從分析結果(圖9)可看出:混凝土變形非常小,壓力分布比較均勻,最大值沒有超過規(guī)范限值;鋼筋應力局部達到近120MPa,也沒有超過鋼筋屈服應力;從壓碎圖來看,沒有出現壓碎和裂縫的區(qū)域。說明斜柱節(jié)點設計具有足夠的承載能力和安全儲備。4.5框架梁受彎彈塑性分析位于斜柱交接處的接層,與斜柱相連的框架梁受到斜柱軸向力水平分量分配來的拉、壓力。計算時,框架梁按拉(壓)彎構件進行多遇地震及風荷載作用下的承載力驗算和設防烈度地震作用下的構件不屈服驗算,并根據計算結果包絡進行框架梁設計,確?？蚣芰盒≌饛椥?、中震不屈服的抗震性能設防目標?？紤]軸力組合工況的框架梁驗算結果見表6,表中僅給出4根典型框架梁的驗算結果。罕遇地震作用下動力彈塑性時程分析中,對于鋼筋混凝土樓面梁桿系構件也采用三折線鉸類型并輸出兩種狀態(tài):第1狀態(tài)是開裂及開裂到屈服前狀態(tài),第2狀態(tài)是屈服及屈服后狀態(tài)。分析X,Y主方向地震動作用下框架梁受彎彈塑性狀態(tài)分布圖和地震作用下梁端彎曲彈塑性狀態(tài)比例的統(tǒng)計,頂部一些樓層框架梁梁端先進入屈服狀態(tài),再向底部、中間樓層發(fā)展;底部一些樓層連梁梁端率先進入屈服狀態(tài),然后頂部一些樓層連梁也進入屈服狀態(tài),再向中間樓層發(fā)展。作為主要耗能構件的框架梁,大部分梁端進入了第2狀態(tài)的屈服狀態(tài),但均未發(fā)生剪切破壞。連梁普遍先于框架梁進入屈服狀態(tài),框架梁起到了第二道耗能構件的作用。對個別剪應力水平較高的框架梁,應滿足抗剪截面控制條件且適當采取加強措施,確保達到罕遇地震作用下的框架梁抗震性能設防目標的要求。4.6大震作用下樓板應力分析與斜柱相連的樓面板承受較大的軸向力,在樓板內產生較大的變形,傳統(tǒng)的平面剛度無窮大的假定不再成立。為保證小震基本組合工況和中震作用下樓板的抗震性能目標的實現,計算采用反應譜法,選擇同時考慮樓板面內、面外剛度的殼單元來模擬彈性樓板進行樓板應力分析;大震作用下樓板采用膜單元模擬,不考慮平面外剛度,來近似模擬部分樓板出現裂縫而引起的剛度退化。與斜柱頂層相連樓層樓板在小震、中震及大震X向作用下的11層樓板應力見圖10。樓板配筋設計時,按同時考慮板內軸力、恒荷載及地震作用下產生的彎矩組合工況的拉彎構件進行設計,確保在小震和中震作用下樓板不出現貫通性裂縫;大震作用下控制樓板不出現抗剪屈服,對部分應力水平較高的樓板只考慮鋼筋抵抗該部分拉力計算樓板配筋,并控制鋼筋應力,確保各層樓板的鋼筋不屈服;此外,為了考慮樓面梁剛度退化引起與之相連的構件產生的內力重分配,導致樓板承擔拉、壓力的增加,偏于安全地將框架梁軸力的50%由樓面板承擔進行樓板配筋驗算,樓板配筋按二者結果包絡驗算,保證樓板的可靠傳力。4.7剪力墻結構的設計(1)斜柱及穿層柱采用型鋼混凝土結構,柱內型鋼滿足最小含鋼率的構造要求,并向上、下各延伸一層。在滿足強柱弱梁的抗震原則、減小柱的軸向變形、避免斜柱與直柱交接樓層的剛度突變的同時,也確保了斜柱的承載能力和足夠的延性性能。(2)斜柱頂端樓層縱向框架梁采用型鋼混凝土結構,橫向框架梁適當加強上下縱筋及腰筋,箍筋全長加密;斜柱底端直接支承在地下室外墻上,設計時在外墻頂部增設邊框梁并適當加大該梁縱筋配筋率和配箍率,以保證更好地傳遞底部水平推力。(3)斜柱底端首層樓板厚取180mm、頂端11層樓板厚取150mm,并按配筋率0.2