万博购物中心D塔楼超限高层结构设计.pdf

图 1建筑效果图 广东土木与建筑 GUANGDONG ARCHITECTURE CIVIL ENGINEERING2014 年 3 月 第 3 期 MAR 2014 No．3 万博购物中心 D 塔楼超限高层结构设计 熊 勇李重阳 （华南理工大学建筑设计研究院广州 510641 ） 摘要 某工程采用框架-剪力墙结构 （带部分框支剪力墙结构 ） 体系， 存在超高、 竖向不规则、 高位转换等超限情况， 属于 复杂高层建筑结构。 文中对转换层的墙体及楼板进行了详细的应力分析， 适当提高了结构的抗震性能目标， 并采取了加强措施， 从而确保了结构的抗震安全性。 关键词 超限高层建筑；高位转换；抗震性能目标 H i g h - r i s eS t r u c t u r eD e s i g no fWa n b oS h o p p i n gC n t e rD - t o w e r X i o n gY o n gL i C h o n g y a n g （A r c h i t e c t u r a l d e s i g na n dR e s e a r c hI n s t i t u t e ， S o u t hC h i n aU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y G u a n g z h o u5 1 0 6 4 1 ， C h i n a ） A b s t r a c t T h ep r o j e c t a d o p t st h ef r a m es h e a r w a l l s t r u c t u r e（w i t hp a r t i a l f r a m es u p p o r t e ds h e a r w a l l s t r u c t u r e）s y s t e m . I t i sac o m p l e xs u p e r h i g h - r i s eb u i l d i n gw i t hm a n yu n f a v o u r a b l ef a c t o r s ， i n c l u d i n gh e i g h t g a u g e ， v e r t i c a l i r r e g u l a r i t ya n dh i g h - l e v e l t r a n s f e r . T h ed e t a i l e ds t r e s sa n a l - y s i si sa d o p t e di nt r a n s f e rf l o o r ， s e i s m i cd e s i g no b j e c t i v e so ft h eb u i l d i n gw e r ea l s oi n c r e a s e d ， s p e c i a l i z e dm e a s u r e sw e r ea p p l i e dt oe n s u r e t h es e i s m i cs a f e t yo ft h eb u i l d i n g . K e y w o r d s h i g h - r i s eb u i l d i n g s ；h i g h - l e v e l t r a n s f e r ；s e i s m i cd e s i g no b j e c t i v e s 图 2转换层结构平面图 1工程概况 万博购物中心项目位于广州市番禺区， 总建筑 面积约 38.33 万 m2， 其中地上部分约 23.02 万 m2， 由 A、 B 商业裙楼及其上的 C、 D 超高层办公塔楼组成 （如图 1 ） ； 地下部分约 15.32 万 m2， 为 3 层地下车库 及设备房。本文讨论的 D 塔楼地上 31 层， 结构高度 149.0m， 其中 5 层及以下为裙楼， 层高 6m； 6 层为设 备层， 层高 5.5m； 7 层为转换层， 层高 4.5m； 塔楼标 准层层高 4.5m。转换层结构平面如图 2 所示。 2地震作用 本工程结构安全等级为二级，设计使用年限为 50 年， 抗震设防类别塔楼为丙类， 其下裙楼为为乙 类， 抗震设防烈度为 7 度［1］， 设计基本地震加速度为 0.1g， 地震分组为第一组， 场地土类别为Ⅱ类， 场地 特征周期 Tg0.35s， 结构阻尼比 0.05。 小震下安评报告提 供的场地反应谱与 规范反应谱对比曲 线如图 3。可见， 规 范反应谱均不大于 安评报告提供的反 应谱，因此小震设 计采用安评报告提 供反应谱进行计算 分析。中震、 大震计 算仍按照规范反应 谱计算。 图 3小震下规范与安评报告反应谱对比 表 1抗震性能目标 地震水准多遇地震设防地震罕遇地震 性能水准134 层间位移角 限值 框支层1 1000 - -1 100 其它层1 650 整体结构性能指标轻度损伤中度损伤 构 件 性 能 目 标 关键 构件 剪力墙、 框架柱 弹性弹性 抗剪不屈服， 压弯不屈服（底部加强部位 ） 框支框架、 斜墙、 拉梁 3 - 3 、 4 - 4 轴悬挑转换构件 弹性弹性 抗剪不屈服， 拉 弯、 压弯不屈服 普通 构件 框架柱、 剪力墙 （一般层 ）弹性抗剪弹性， 压弯不屈服不发生受剪破坏 楼板弹性抗剪弹性， 拉、 压不屈服- - 耗能 构件 框架梁、 连梁弹性 抗剪不屈服， 压弯允许 屈服， 控制塑性变形 - - 完好无损伤 訳 3-3、 3-F 轴訴 3-5、 3-D、 3-E 轴 图 4转换层剖面图 熊 勇等万博购物中心 D 塔楼超限高层结构设计MAR 2014No．32014 年 3 月第 3 期 3结构体系 本工程为框架-剪力墙结构（带部分框支剪力墙 结构 ） ， 塔楼呈 “L” 型， 边长约 61.4m， 宽度约 24.9m， 建筑平面沿高度方向无明显变化， 立面较规则； 其下 裙房也呈 “L” 型， 边长约 114.9m， 宽度约 32.9m。 结构 布置方面， 利用楼梯、 电梯间设置落地剪力墙， 作为 主要的抗侧力构件， 裙楼区域内采用钢筋混凝土柱， 塔楼区域内采用抗震性能优良的钢管混凝土柱， 钢 管混凝土柱与楼盖采用钢筋混凝土环梁节点。转换 层以上布置结合建筑要求采用剪力墙结构， 转换层 采用斜墙转换， 典型转换情况如图 4 所示。 4结构超限情况 本工程主要超限情 况如下①本塔楼结构 高度 149m， 超出规范［2］ 规定 B 级高度钢筋混 凝土建筑最大适用高 度； ②7 层为转换层， 将 部分剪力墙转换为钢管 混凝土柱，属于高位转 换，且竖向构件不连续； ③塔楼与裙楼相比竖向 构件位置缩进大于 25， 属于尺寸突变； ④扭转不 规则。 针对以上超限情况， 结构分析采用了基于性能 的抗震设计方法［1］。根据规范本塔楼采用了性能目 标 C， 各水准地震作用下结构的性能目见表 1。 5结构计算分析 5.1在规范要求荷载作用下， 用 SATWE 和 ETABS 软件对整体模型进行对比分析， 结果表明， 两程序的 计算结果包括总质量、 周期及振型、 风荷载及地震荷 载作用下的基底反力及侧向位移、 剪力墙承担剪力及 倾覆弯矩的比例等均较为接近， 其层间位移角、 最大 水平位移比、 周期比、 楼层侧向刚度比、 楼层层间抗 侧力构件的受剪承载力之比、 剪力墙及框架柱轴压比 等主要计算指标均满足规范要求。 整体模型的主要分 析结果见表 2。 5.2利用 SATWE 程序对结构进行小震作用下的弹 性时程分析， 根据场地类别， 场地特震周期和设计地 震分组等情况选用了广东省工程防震研究院提供的 5 组天然波和 2 组人工波。 计算结果显示， 所选时程 曲线合适， 结构位移及内力曲线均能满足规范要求。 当取 7 组时程曲线进行计算时， 时程波 X 向底部剪 力平均值为反应谱法的 89， Y 向底部剪力平均值 为反应谱法的 88， 经对比， 本工程应取振型分解 反应谱法计算结果作为设计依据。 5.3楼盖采用弹性板假定， 用 ETABS 程序对转换层 及其以下楼板进行中震作用下的应力分析。塔楼及 裙楼板厚 120mm， 混凝土强度等级 C30； 转换层板 厚 180mm， 混凝土强度等级 C40； 经分析， 转换层楼 板双向拉压应力基本均小于 1.5MPa，局部 2.2MPa， 表 3典型墙肢中震抗剪弹性验算结果 墙体 编号 楼层 号 中震组合下 剪力设计值 （kN ） 截面抗剪 承载力 （kN ） 剪应力 水平 是否 满足 W12 （首层 ）8950153320.58是 W22 （首层 ）6000100920.59是 W32 （首层 ）8300145560.57是 表 2小震作用下结构整体分析结果 分析软件SATWEETABS 自振周期 （s ） T14.1771， T23.5694， T32.9565 （T ） ， T41.1462， T51.0936， T60.972 （T ） T14.2621， T23.6453， T33.1511 （T ） ， T41.2007， T51.0834， T60.9317 （T ） 作用方向1203012030 风载 作用 最大层间位移角 （楼层 ）1 811 （22 ） 1 1157 （22 ） 1 888 （15 ）1 875 （17 ） 基底剪力 （106kN ）1.651.57 1.651.57 倾覆弯矩 （106kN m ）1.651.57 1.711.65 地震 作用 最大层间位移角 （楼层 ） 1 1043 （22 ） 1 1289 （25 ） 1 946 （22 ） 1 1197 （16 ） 基底剪力 （kN ）1.271.391.321.28 核心筒所占比例 （ ）15940160601559015290 剪重比 （ ）77767778 倾覆弯矩 （106kN m ）1.361.37 1.361.38 核心筒所占比例 （ ）1.271.361.311.29 结构总重量 G （106kN ）1.17 1.17 广东土木与建筑MAR 2014No．32014 年 3 月第 3 期 剪应力基本均小于 0.9MPa， 局部 1.3MPa。 C40 混凝土 抗拉强度标准值 ftk＝2.39MPa，抗剪强度设计值 0.7ft 1.2MPa。转换层楼板双层双向配筋f12150， 应力 集中处适当加强。 5.4在 ETABS 中对转换层及其上剪力墙进行中震 下的应力分析， 以受力较大的 3-5 轴为例， 在ETABS中 进行截面切割， 可得到各构件的设计内力， 并依此进行 中震下截面抗震验算， 各重要构件分析过程如下 3-5 轴斜墙转换处下层梁 （6 层 ） 截面 1200800， 中震组合作用下其剪力设计值 600kN，弯矩设计值 1600kN m， 轴力设计值 4500kN。 经截面抗震验算， 面 筋、 底筋均配置 1.1104mm2（配筋率 1.18） ， 箍筋配 置 8f12100； 转换梁能满足中震弹性的性能要求。 3-5 轴斜墙转换处上层梁 （7 层 ） 截面 11001000， 中震组合作用下其剪力设计值 2400kN，弯矩设计值 3800kN m， 轴力设计值-1800kN。 经截面抗震验算， 面 筋、 底筋均配置 1.35104mm2（配筋率 1.26 ） ， 箍筋配 置 8f12100； 转换梁能满足中震弹性的性能要求。 3-5 轴斜墙转换处下层节点处水平断面 1100 1800， 中震组合作用下其剪力设计值 5800kN， 轴力 设计值 38000kN， 对应的截面剪应力系数 0.11， 轴压 系数 0.7，能满足节点区在中震组 合作用下的局压及抗剪要求。 5.5采取 SATWE 进行计算， 结构 在中震作用时， 关键构件 （包括底 部加强部位的核心筒剪力墙、 底部 框架柱、 框支框架等） 处于弹性状 态， 其他竖向构件均保证处于抗剪 弹性、 压弯不屈服状态。 计算结果表 明，关键构件采取适当的截面及配 筋后均能达到中震抗剪和压弯弹 性； 其它竖向构件均能达到中震抗 剪弹性、 压弯不屈服； 框架梁、 连梁 等耗能构件均能达到中震抗剪不屈 服的性能目标。落地核心筒剪力墙 典型墙肢的中震验算结果见表 3。 6大震作用下弹塑性变形验算 采用 Pushover 方法进行大震作用下的变形验 算， 其加载过程是先施加重力荷载， 再施加倒三角形 的侧推荷载， 结构分析主要结果如下 ⑴ X、 Y、 120方向均能找到结构能力谱与大震 需求谱的交点 （性能点 ） ， 且性能点处结构最大层间位 移角分别为 X 向 1 398（13 层 ） ， Y 向 1 349（13 层 ） ， 120方向 1 358 （17 层 ） ， 其对应的基底剪力分别为 69650， 67060， 64090kN。 ⑵ 推覆过程中， 首先混凝土墙出现拉裂， 裙楼 顶的柱端钢筋受拉屈服； 接着混凝土梁出现塑性铰， 随着推覆的进行， 出现塑性铰的连梁数量不断增加， 塑性转角不断增大， 出现了严重破坏的连梁， 并随之 达到大震的性能点， 之后结构相继出现以下状态 剪 力墙钢筋受拉屈服， 结构最大层间位移角达到 1 100。 ⑶ 结构在大震时的最大层间位移角满足规范小 于 1 100 的要求，具有较强的承载力及较好的延性， 能满足 “大震不倒” 的抗震性能目标。 7加强措施 7.1底部加强部位抗震等级为特一级， 其他一级； 控 制剪力墙轴压比以保证大震时的延性，本工程首层 剪力墙轴压比均不大于 0.50；适当提高剪力墙的配 筋， 以提高剪力墙的极限变形能力， 底部加强区范围 内的落地剪力墙边缘构件配置型钢， 并向上、 下各延 伸一层； 控制底部剪力墙在罕遇地震作用下的剪应 力水平， 并满足较为严格的 “抗弯、 抗剪不屈服” 的性 能目标， 确保底部剪力墙在罕遇地震时作用下具有 较大的承载力安全度。 7.2用延性较好的钢管混凝土柱， 提高了钢管混凝 土柱的承载力安全度； 框架作为抗震第 2 道防线在 刚度、 抗剪承载力方面留有足够的富余。 7.3加强框支框架、 斜撑、 拉梁［3］ 抗震等级为特一 级， 框支柱采用钢管混凝土柱， 转换梁、 斜撑、 拉梁形 成转换桁架， 提高了框支框架的承载力安全度； 按中 震弹性进行设计，并要求达到大震不屈服的性能目 标。 悬挑转换构件， 考虑竖向地震作用［4］， 并满足中震 弹性的性能要求。 7.4加强体型收进部位楼层， 裙楼屋面楼板 150 厚， 采用双层双向配筋， 每层每方向配筋率 0.25， 并按 规范要求上、 下各两层塔楼周边竖向构件提高一级抗 震等级。 8结论 本工程为超过 B 级高度的钢筋混凝土高层建 筑， 属于带转换层 （高位转换） 的复杂建筑结构。对 此， 本工程做了较为详细的计算分析， 使各项计算结 果均能满足有关规范的要求，并适当提高结构抗震 性能目标，并采取了一系列有针对性的构造加强措 施， 从而保证了结构的抗震安全性能。 参考文献 ［1］GB 50011-2010建筑抗震设计规范 ［S］ ［2］JGJ 3-2010高层建筑混凝土结构技术规程 ［S］ ［3］万博中央商务区购物中心超限设计可行性报告 ［R］ . 华 南理工大学建筑设计研究院， 2014 ［4］徐培福.复杂高层建筑结构设计 ［M］ . 北京 中国建筑工 业出版社， 2005 熊 勇等万博购物中心 D 塔楼超限高层结构设计MAR 2014No．32014 年 3 月第 3 期 3333333333333333333333333333333333333333 3结论 本文主要研究了两种再生混凝土的劈裂抗拉强 度及破坏特征， 试验结果表明 ⑴ 改性再生混凝土的劈裂抗拉破坏不仅表现 为再生粗集料和新水泥浆体之间界面的粘结破坏， 还表现为再生粗集料本身的断裂破坏。 ⑵ 在 30取代率下， 随着橡胶颗粒掺量增加， 橡 胶改性再生混凝土的劈裂抗拉强度先升后降； 在 60 取代率下则先降后升； 同一掺量下， 取代率 30相比 于 60， 橡胶改性再生混凝土劈裂抗拉强度更高。 ⑶ 与普通混凝土相比， 在 30取代率下， 随着废 旧钢纤维橡胶颗粒掺量的增加， 改性再生混凝土劈裂 抗拉强度基本呈直线下降趋势， 在 60取代率下呈波 浪形下降趋势。在同一掺量下，取代率 30相比于 60， 废旧钢纤维橡胶改性混凝土劈裂抗拉强度更高。 ⑷ 两种改性再生混凝土劈裂抗拉强度均低于基 准混凝土，且大体上都随着各种掺料掺量的增加而 降低。在 30、 60取代率下， 两种改性再生混凝土 劈裂抗拉强度上的优劣在不同掺量下表现不同。 ⑸ 改性再生混凝土的劈裂抗拉强度随抗压强 度增大而增大， 且拉压比随抗压强度提高而提高， 回 归出再生混凝土劈裂抗拉强度计算公式⑶，具有一 定参考意义。 参考文献 ［1］孙岩， 孙可伟， 郭远臣． 再生混凝土的利用现状及性能研 究 ［J］ ． 混凝土， 2009 （10 ） ［2］周宏敏， 柴俊， 柴华， 等． 再生骨料混凝土技术及其研究 现状 ［J］ ． 混凝土， 2008 （12 ） ［3］肖建庄． 再生混凝土 ［M］ . 北京 中国建筑工业出版社， 2008 ［4］龙秀海， 吴炎海．废旧橡胶再生混凝土抗压性能试验研究 ［J］ ． 福建建筑， 2011 （3 ） ［5］翟礼宁， 吴炎海， 龙秀海． 废旧钢纤维橡胶再生混凝土抗 压性能试验研究 ［J］ ． 广东土木与建筑， 2011 （11 ） ［6］江见鲸， 陆新征， 江波．钢筋混凝土基本构件设计 （第二 版 ） ［M］ ． 北京 清华大学出版社， 2006 （上接第 38 页 ）