三金潭超限高层住宅结构设计
李必雄 侯国求 池碧波 李和平. 三金潭超限高层住宅结构设计[J]. 建筑结构,2020,50(16):7-13.
LI Bixiong HOU Guoqiu CHI Bibo LI Heping. Structural design of out-of-code high-rise residences in SanjinTan[J]. Building Structure,2020,50(16):7-13.
1 工程概况
三金潭车辆段综合开发项目位于武汉市东西湖区碧水大道与金潭路之间。项目地块被地铁3号线的联络线切为A,B两块用地,本文仅对A地块作详细介绍,建筑效果图见图1。A地块组成情况:2栋45层超高层住宅(A1,A2),结构高度135.3m;2栋50层超高层住宅(A10,A11),结构高度154m;7栋55层超高层住宅(A3~A9),结构高度169.45m;裙房由1栋4层商业服务中心、1栋5层社区服务中心和1栋5层幼儿园组成。除A1,A2塔楼与架空车库大平台不相连外;A3~A11塔楼及裙房均位于架空车库大平台上。A地块规划总用地面积为93 800m2,容积率为3.36,计容总建筑面积为315 600m2。
项目场地被地铁联络线及咽喉区打断,联络线高于地面标高,本项目A3~A11塔楼及裙房通过架空处理,将住宅入户标高抬高至地上10m处,地上1层(即盖下1层,层高3.9m),地上2层(即盖下2层,层高5.2m)为架空车库,从地上3层开始为普通住宅层,层高3.0m;每栋塔楼根据要求设置2或3个避难层,层高3.15m;各塔楼顶均设有10m高构架。所有建筑仅在塔楼范围内设两层地下室,地下1层层高3.0m,地下2层层高4.2m。典型塔楼(A11)建筑剖面图图2。
2 结构体系
11栋超高层住宅均采用钢筋混凝土剪力墙结构体系,楼屋盖采用钢筋混凝土梁板体系。地下室剪力墙厚度为400mm或350mm;地上外圈剪力墙厚度由底部350mm或300mm逐级收进至顶部200mm,内部墙体厚度由底部300mm或250mm逐级收进至顶部200mm。剪力墙混凝土强度等级由地下室C50逐步变成顶部C30。塔楼范围外架空车库为框架结构,框架柱截面为600×600。框架柱混凝土强度等级为C40。
每栋塔楼边均设置防震缝与架空车库大平台脱开,如图3(a)所示,这样塔楼可按独栋单塔进行设计。整个超长架空车库大平台用四条伸缩缝切分为5个单元,如图3(b)所示,并在每个单元内设置后浇带和膨胀加强带,可有效控制温度应力。典型塔楼(A11)标准层建筑平面图和结构平面图如图4、图5所示。
3 基础设计
3.1 基础选型
塔楼范围内采用桩筏基础形式,筏板厚3m,桩型为钻孔灌注桩,桩径均为1 000mm,桩身混凝土强度等级为C45。单桩竖向承载力特征值Ra=8 560kN,为减少桩底沉渣,提高桩的承载力,采用桩底后压注浆。塔楼桩基持力层为⑩-1中风化灰岩或⑩-2中风化泥灰岩,有效桩长约为42~73m。工程桩施工时逐桩进行施工勘察,勘察钻孔进入桩端下完整岩石的深度不小于5m。
裙楼范围采用独立桩基础形式,承台厚1.5m,桩型为钻孔灌注桩,桩径均为700mm,桩身混凝土强度等级为C35。单桩竖向承载力特征值Ra=3 300kN,为减少桩底沉渣,提高桩的承载力,也采用桩底后压注浆。
3.2 地基处理
根据地勘报告
由于塔楼A1~A9范围下部土层等效剪切波速小于150m/s,按不利原则考虑,该场地土类型为软弱土,判定该建筑场地为抗震不利地段,需采取有效工程措施。根据专家意见,采取以下加强措施:
(1)钻孔灌注桩进③-2淤泥质黏土层范围内的桩身箍筋全部加密。
(2)对筏板下5m深度范围内采用桩径为500mm的高压旋喷桩进行地基处理,桩间距为1.0m,行列式布置。桩底进入③-2淤泥质黏土层下卧的④-2黏土层0.5m,且最小桩长≥13.0m(桩长从筏板底起算),处理范围不小于筏板周边1.0m。处理后复合地基承载力特征值不小于110kPa。
按此方法处理后,进行现场剪切波原位测试和地脉动观测,覆盖层20m深度范围内的等效剪切波速可达到180m/s,大于150m/s,建筑场地类别可以划为Ⅲ类。该处理方法,经过多次专家论证及现场实测,证明是可行的。处理之后,整个场地均为Ⅲ类场地,特征周期取为0.45s。
4 上部结构设计
4.1 主要设计参数
本工程结构设计基准期和设计使用年限均为50年,建筑安全等级为一级,抗震设防类别为标准设防类(丙类)。建筑抗震设防烈度为6度,设计地震基本加速度为0.05g,设计地震分组为第一组。剪力墙的抗震等级:地下2层和地上5层为二级,其余均为三级。结构计算模型的嵌固层设在盖下1层(标高-10.000m),基础设计安全等级为一级,基础和桩基设计等级均为甲级。
4.2 荷载取值
结构楼屋面恒载根据建筑面层做法取值。楼屋面活载标准值根据《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)
业主委托湖南大学风洞实验室进行了风洞试验
风洞报告
地震作用:根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(2016年版)
地震动参数 表1
类别 |
抗规 |
地震动参数区划图 | ||||
小震 |
中震 | 大震 | 小震 | 中震 | 大震 | |
Amax/gal |
18 | 50 | 125 | 22 | 65 | 140 |
αmax |
0.04 | 0.12 | 0.28 | 0.054 2 | 0.162 5 | 0.350 8 |
特征周期/s |
0.45 | 0.45 | 0.50 | 0.45 | 0.45 | 0.50 |
放大系数 |
2.25 | 2.25 | 2.25 | 2.50 | 2.50 | 2.50 |
注:Amax为地震动峰值加速度,αmax为地震影响系数最大值。按地震动参数区划图第6.2节,本项目小震地震动峰值加速度取值为基本地震动峰值加速度的1/3;大震地震动峰值加速度取值为基本地震动峰值加速度的2.3倍(低烈度区取高值2.3,大震场地类别调整系数为1.22)。
根据表1对比结果,设计时按地震动参数区划图取值,即小震地震影响系数最大值取0.054 2,特征周期为0.45s,阻尼比为0.05;大震地震影响系数最大值取0.350 8,特征周期为0.50s。
4.3 超限情况
根据抗规和《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》(建质[2015]67号)
结构超限情况 表2
超限项 |
具体情况 |
高度超限 |
高度为154~169m,大于140m |
扭转不规则 |
最大扭转位移比大于1.2,但小于1.4 |
凹凸不规则 |
Y向中部凹进去的尺寸是相应边长的37.8%~43% |
针对上述超限项,根据高规并参考抗规,本工程结构抗震性能目标确定为D级,具体构件抗震性能目标如表3所示。
构件性能目标 表3
地震烈度 |
多遇地震 | 设防地震 | 罕遇地震 | |
宏观损坏程度 |
无损坏 | 中度损坏 | 比较严重损坏 | |
层间位移角 |
1/881 | 1/293 | 1/133 | |
关键 构件 |
底部加强区剪力墙 | 弹性 | 正截面不屈服,抗剪不屈服 | 正截面及抗剪基本不屈服 |
普通 竖向 构件 |
关键构件以外的竖向构件 | 弹性 | 部分屈服,满足抗剪截面控制条件 | 允许较多竖向构件进入屈服阶段,但同一楼层不宜全部屈服,满足抗剪截面控制条件 |
耗能 构件 |
连梁,楼面梁 | 弹性 | 大部分屈服,满足抗剪截面的控制条件 | 允许部分构件比较严重损坏 |
注:底部加强区为地上1~5层。
4.4 结构计算分析
4.4.1 小震弹性分析
本工程采用YJK1.8.3.0(简称YJK)进行结构整体计算、分析与设计;采用ETABS 2016 (V16.1.0)(简称ETABS)进行对比计算、分析,复核YJK计算与设计结果;并采用YJK进行小震弹性时程分析,作为振型分解反应谱法(CQC法)的计算补充。限于篇幅,仅列出典型塔楼(A11)结构整体计算结果,如表4所示。由表可知,两种不同软件计算的结构总质量、振型和周期基本一致,基底剪力、层间位移角和位移比基本一致,计算结果满足高规、抗规要求。在小震作用下,本工程可满足性能水准1的要求。
作为CQC法的计算补充,本工程选用5条天然波(NO1~NO5波)和2条人工波(NO6,NO7波)进行弹性时程分析。地震波时程主方向加速度峰值取22gal,次方向加速度峰值取18.7gal,结构阻尼比取0.05。7条波的平均谱与规范谱的地震影响系数曲线在前3阶周期的对应地震影响系数值相差均不超过20%,满足在统计意义上相符的要求,如图8所示。典型塔楼(A11)弹性时程分析和CQC法计算的楼层剪力及层间位移角对比分别如图9、图10所示。由图可知,两种方法计算结果基本吻合。对于时程分析统计的平均楼层剪力大于CQC法的楼层剪力的情况,在进行构件承载力及配筋计算时,利用YJK的楼层地震力调整系数对楼层剪力进行相应调整,但此调整不用于整体指标的计算。
典型塔楼(A11)结构整体计算指标 表4
计算软件 |
YJK | ETABS | |
计算振型数 |
30 | 30 | |
总质量/t |
53 394 | 53 378 | |
周期/s |
T1 |
3.752 | 3.683 |
T2 |
3.416 | 3.304 | |
T3 |
2.283 | 2.156 | |
T3/T1 |
0.61 | 0.59 | |
地震下基底 剪力/kN |
X向 |
5 287 | 5 321 |
Y向 |
5 716 | 5 939 | |
风荷载下 基底剪力/kN |
X向 |
4 521 | 4 970 |
Y向 |
7 257 | 7 346 | |
地震下最大 层间位移角 |
X向 |
1/2 022 | 1/2 174 |
Y向 |
1/1 741 | 1/1 873 | |
风荷载下最大 层间位移角 |
X向 |
1/2 483 | 1/1 381 |
Y向 |
1/1 279 | 1/1 381 | |
地震下最大 楼层位移比 |
X向 |
1.10 | 1.10 |
Y向 |
1.26 | 1.18 | |
地震下最大 层间位移比 |
X向 |
1.18 | 1.19 |
Y向 |
1.11 | 1.18 | |
最小剪重比 |
X向 |
0.990% | 0.997% |
Y向 |
1.071% | 1.113% | |
有效质量系数 |
X向 |
98.21% | 97.84% |
Y向 |
97.54% | 96.59% |
4.4.2 中震和大震等效弹性分析
采用YJK对结构进行中震、大震等效弹性分析设计,对满足一定条件(如不屈服或弹性)的结构构件进行承载力的设计验算。等效弹性设计参数如表5所示。
等效弹性设计参数 表5
分析参数 |
等效弹性分析类型 |
|
中震不屈服 |
大震不屈服 | |
地震组合内力调整系数 |
1.0 | 1.0 |
作用分析系数 |
1.0 | 1.0 |
材料分析系数 |
1.0 | 1.0 |
抗震承载力调整系数 |
1.0 | 1.0 |
材料强度 |
标准值 | 标准值 |
风荷载 |
不考虑 | 不考虑 |
地震影响系数最大值 |
0.162 5 | 0.350 8 |
特征周期Tg/s |
0.45 | 0.50 |
阻尼比 |
6% | 7% |
周期折减系数 |
1.0 | 1.0 |
根据设定的性能目标,中震作用下,对关键构件进行受剪承载力验算及正截面受弯承载力验算,对普通竖向构件进行抗剪截面验算,对耗能构件进行正截面承载力及抗剪截面验算。计算结果表明,关键构件均满足正截面不屈服、抗剪不屈服的性能目标;普通竖向构件满足抗剪截面的要求;少数耗能构件进入屈服;典型塔楼(A11)结构X向地震作用下最大层间位移角为1/833,Y向地震作用下最大层间位移角为1/543,层间位移角均小于小震弹性层间位移角限值1/961的3倍,结构具有较好的刚度。由此可见,在中震作用下本工程可满足性能水准4的要求。
大震作用下,对所有构件进行正截面承载力及抗剪截面验算。计算结果表明,塔楼外圈关键构件出现正截面屈服,但满足抗剪截面的要求;少量普通竖向构件(短墙肢)进入屈服,但满足抗剪截面的要求;部分耗能构件出现破坏;典型塔楼(A11)结构X向地震作用下最大层间位移角为1/314,Y向地震作用下最大层间位移角为1/234,层间位移角均满足1/133的限值要求,结构在大震下仍具有较好的抗侧刚度。由此可见,在大震作用下本工程可满足性能水准5的要求。
典型塔楼(A11)在小震弹性、中震不屈服和大震不屈服作用下的X向及Y向层间位移角对比见图11。
4.4.3 大震动力弹塑性时程分析
采用PERFORM-3D软件对A3~A11塔楼进行动力弹塑性时程分析,考察结构在大震作用下的反应,评估其抗震性能。时程分析选用武汉地震工程研究院有限公司提供的5组天然波(NO1~NO5波)和2组人工波(NO6,NO7波),地震峰值加速度为140gal,有效持时均大于5倍结构第一自振周期。
以典型塔楼(A11)为例,通过分析得出以下结果:1)梁构件出现较多的塑性铰,起到耗能作用,导致结构刚度退化,弹塑性时程分析的平均楼层剪力小于等效弹性分析的,如图12所示;2)按抗规3.10.4条条文说明换算的弹塑性最大层间位移角:X向为1/312,Y向为1/239,均小于限值1/133的要求,如图13所示。
构件性能水准与屈服状态:底部加强区剪力墙(关键构件)部分墙肢出现塑性,但未超过IO水准,均满足大震不屈服的要求;非底部加强区剪力墙(普通竖向构件)主体部分墙肢未超过IO水准,满足大震不屈服的要求,出屋面构架墙肢超过IO水准,进入屈服状态,但均未超过CP水准,满足大震不倒的要求。基于转角及材料应变的剪力墙抗震性能评价如图14所示。框架柱(普通竖向构件)受弯均未屈服,剪切应力均小于0.15fck(fck为混凝土轴心抗压强度标准值),满足正截面不屈服与抗剪截面的性能要求;普通楼面梁和连梁(耗能构件)受弯性能部分超过LS水准,已经屈服,但均未达到CP水准,少量楼面梁与连梁剪应力超过0.15fck,出现受剪破坏,起到耗能效果。罕遇地震下动力弹塑性分析出铰顺序为:连梁弯曲—框架梁弯曲—连梁剪切;结构耗能以连梁为主,框架梁为辅,与设计意图相符。
结构薄弱区分析:出屋面构架部分刚度较弱,且大震作用下鞭梢效应明显,因此该部位容易形成薄弱环节;底部加强区局部短墙肢抗弯能力较差,容易形成薄弱区,需提高剪力墙配筋率,加强面内外抗震性能。大屋面支承构架剪力墙的梁构件,受到较大的剪力,出现剪压比不满足要求的情况,形成抗剪薄弱区,该部分梁需加大截面,并提高配箍率。结构薄弱区如图15所示。
5 结构加强措施
(1)所有塔楼底部6层出现拉应力的角部墙肢按特一级抗震构造措施进行构造,墙肢水平和竖向分布筋最小配筋率取0.4%,约束边缘构件纵向钢筋最小构造配筋率取1.4%,配箍特征值增大20%。
(2)剪力墙底部加强区水平和竖向分布钢筋的最小配筋率按0.3%进行设计;约束边缘构件纵向最小配筋率按1.2%进行设计,即底部加强区剪力墙抗震构造措施提高为一级。
6 结语
本工程11栋超高层住宅塔楼,根据超限情况,采用抗震性能设计方法,对不同部位构件指定合理的性能目标,并进行了大量的计算分析,同时适当加强抗震构造措施,确保本工程结构在小震、中震和大震作用下各项指标均满足规范要求,不同部位构件能够达到预期的抗震性能目标。本工程9栋超限塔楼(A3~A11)已于2018年8月通过湖北省超限高层审查,现正处于施工阶段。
[2] 建筑结构荷载规范:GB 50009—2012[S].北京:中国建筑工业出版社,2012.
[3] 高层建筑混凝土结构技术规程:JGJ 3—2010[S].北京:中国建筑工业出版社,2011.
[4] 考虑周边环境下三金潭车辆段上盖物业开发项目A区等效静力风荷载与风振分析研究报告[R].长沙:湖南大学,2018.
[5] 建筑抗震设计规范:GB 50011—2010[S].2016年版.北京:中国建筑工业出版社,2016.
[6] 中国地震动参数区划图:GB 18306—2015[S].北京:中国标准出版社,2015.
[7] 超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点:建质[2015]67号[A].北京:中华人民共和国住房和城乡建设部,2015.
[8] 张微伟.某超限高层住宅结构抗震设计[J].建筑技术开发,2013,40(8):6-10.
[9] 贾文文,李远辉.某超限高层住宅结构的弹塑性对比分析研究[J].建筑结构,2012,42(S1):132-135.
[10] 段海涛,徐艳军,王玥.某超限高层住宅结构的整体计算分析[J].建筑结构,2012,42(S1):281-286.