某超高层建筑续建结构方案可行性论证
付斌 刘建江 黄刚 李颖. 某超高层建筑续建结构方案可行性论证[J]. 建筑结构，2018，48（24）：70-73.
Fu Bin Liu Jianjiang Huang Gang Li Ying. Feasibility of structural scheme for the reconstruction of a super high-rise building[J]. Building Structure，2018,48（24）：70-73.
1 工程概况
20世纪90年代初设计的某超高层写字楼, 主楼地上62层, 地下3层, 带5层裙房, 其中主楼停机坪屋面高度218.18m, 裙房高度19.50m。施工期间因甲方投资计划的变化, 主楼地上仅建设至6层楼面, 装修后投入使用至今。
2017年甲方计划续建写字楼主楼, 需进行项目续建技术可行性论证。经过20多年的发展, 现行的规范与原设计依据的规范相比, 已发生很大变化。现在若进行续建, 须根据现行设计规范重新进行设计, 并考虑其对既有结构的影响。
2 既有结构现状
2.1 基础形式和持力层
主楼基础原设计采用泥浆护壁钻孔灌注桩, 持力层为第
2.2 地下室结构
本工程主楼设置三层地下室 (含夹层) , 地下室结构形式同上部结构, 主楼地下室与商业裙房地下室之间设缝脱开, 地下室周边设置钢筋混凝土外墙。主楼基础形式为桩筏基础, 筏板厚度为4m, 地下室楼板、顶板均为现浇混凝土梁板结构。地下室混凝土结构抗震等级均为一级 (根据《建筑抗震设计规范》 (GBJ 11—89) ) 。
2.3 上部结构
本工程主楼上部结构为框架-核心筒结构, 在6层楼面标高处外围框架设置转换梁, 框架和核心筒抗震等级均为一级 (根据《建筑抗震设计规范》 (GBJ 11—89) ) 。核心筒剪力墙外墙厚度由低至高从1 000mm变化至500mm, 核心筒内部剪力墙厚度由低至高从500mm变化至400mm。6层楼面标高以下主楼外围框支混凝土柱的截面尺寸为1 600×2 200, 6层楼面标高以上外围框架柱截面尺寸由低至高从1 300×1 100变化至1 300×400, 随高度逐渐减小。
图1 结构三维模型
3 续建结构方案
经过分析比较, 续建结构确定采用“钢管混凝土框架柱+钢框架梁+钢筋混凝土核心筒+角部支撑”组合结构体系。续建结构三维模型、标准层结构平面布置图分别见图1, 2。
3.1 续建结构设计原则
本工程主楼的续建结构设计遵循以下原则:1) 上部续建部分结构按国家现行有关规范标准进行设计, 并且考虑到续建部分结构与已建结构连接的可行性;2) 对既有结构的评估中, 采用现行有效的规范标准复核原设计图纸, 原结构必须满足新规范标准下承载力要求, 不满足的构件须进行加固或拆除重建, 使其达到性能化设计要求。
图2 标准层结构平面布置图
3.2 续建结构分类分级
主体结构设计使用年限50年, 建筑抗震设防类别为乙类, 建筑结构安全等级为一级, 结构抗震等级:钢筋混凝土核心筒体为特一级, 外围框架为一级。
3.3 风荷载和地震作用
3.3.1 风荷载
地面粗糙度类别为C类。计算结构位移时采用 50年重现期风压0.45kN/m2, 计算结构承载力时采用50年重现期风压的1.1倍, 阻尼比采用0.04。体型系数取为1.54 (考虑风力相互干扰的群体效应) 。验算结构舒适度时采用10年重现期风压0.30kN/m2, 阻尼比采用0.02。
(1) 结构顺风向风振
根据《建筑结构荷载规范》 (GB 50009—2012) (简称荷载规范) 8.4.1条, 本结构应考虑风压脉动对结构产生的顺风向风振的影响。按照荷载规范采用风振系数法计算其顺风向风荷载。
(2) 结构横风向风振
本结构风荷载计算高度为218.18m, 建筑高宽比约为4.87, 可能出现较为明显的横风向风振效应, 应考虑横风向风振影响。本工程风荷载计算分析中考虑了横风向风振等效风荷载的影响, 横风向风振等效风荷载根据荷载规范附录H.2计算。
3.3.2 地震作用
根据《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) (2016年版) , 抗震设防烈度为7度, 设计基本地震加速度值为0.15g, 设计分组为第二组。按照《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》第十二条, 在选择预期水准的地震作用设计参数时, 中震和大震可仍按规范的设计参数采用。综上所述, 本工程抗震计算的主要地震作用参数如表1所示。
主要地震参数表1
|
工况 |
阻尼比 |
静力分析 |
动力时程分析 | |
|
周期Tg/s |
最大地震影响系数αmax | Amax/gal | ||
|
小震 |
0.04 | 0.40 | 0.125 | 55 |
|
中震 |
0.05 | 0.40 | 0.34 | 150 |
|
大震 |
0.07 | 0.45 | 0.72 | 310 |
3.4 续建结构抗震性能设计
3.4.1 续建结构超限判定
本工程建筑高度超过《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3—2010)
3.4.2 结构抗震性能设计
根据高规中3.11节结构抗震性能设计方法, 结合本工程实际情况, 设定抗震性能能目标为C, 性能目标C的具体要求见高规表3.11.1及表3.11.2。结构抗震性能设计所采用的结构分析以及抗震性能设计目标如下:
(1) 结构分析
分析内容包括:1) 按高规进行小震作用下结构分析;2) 中震作用下等效弹性分析;3) 大震作用下等效弹性分析。
(2) 抗震性能设计目标
按照高规3.11.3条进行设计, 本结构抗震设防性能目标细化见表2。
结构抗震设防性能目标细化表2
|
地震 |
多遇地震 | 设防地震 | 罕遇地震 | |
|
宏观损坏程度 |
无损坏 | 轻度损坏 | 中度损坏 | |
|
层间位移角限值 |
1/568 | — | 1/100 | |
|
关键 构件 |
底部加强部位、核心筒外墙、8层屋面以下主体框架柱、8个角柱及斜撑 | 弹性 | 正截面抗弯承载力不屈服, 受剪承载力弹性 | 抗震承载力不屈服 |
|
普通竖 向构件 |
除关键构件外, 筒体其余剪力墙、其余框架柱 | 弹性 | 正截面抗弯承载力不屈服, 受剪承载力弹性 | 部分构件抗弯屈服、满足受剪截面限制条件 |
|
耗能 构件 |
连梁、框架钢梁 | 弹性 | 部分进入屈服阶段, 受剪承载力不屈服 | 大部分进入屈服阶段, 形成充分的塑性铰 |
3.5 结构方案初步分析结果
3.5.1 小震弹性分析
采用PKPM3.1.1对结构进行小震弹性分析, 分析结果均满足规范要求。主要计算结果如表3所示。
小震弹性分析结果表3
|
周期/s |
T1 (X向平动) |
5.012 3 |
|
T2 (Y向平动) |
4.956 3 | |
|
T3 (扭转) |
2.851 2 | |
|
周期比 |
T3/T1 | 0.569 |
|
基底剪力/kN |
X向 |
37 644.65 |
|
Y向 |
37 770.02 | |
|
结构总质量/t |
184 150.500 | |
|
基底剪重比 |
X向 |
2.04% |
|
Y向 |
2.05% | |
|
有效质量系数 |
X向 |
97.54% |
|
Y向 |
97.60% | |
|
地震作用下最大层间位移角 |
X向 |
1/724 |
|
Y向 |
1/727 | |
|
风荷载作用下最大层间位移角 |
X向 |
1/1 469 |
|
Y向 |
1/1 500 | |
|
地震作用下最大位移与平均位移的 比值最大值 |
X向 |
1.09 |
|
Y向 |
1.09 | |
|
地震作用下最大层间位移与平均层间 位移的比值最大值 |
X向 |
1.08 |
|
Y向 |
1.08 | |
|
层侧移刚度与上一层相应 侧移刚度70%的比值或上三层平均 侧移刚度80%的比值中较小者 |
X向 |
0.90 |
|
Y向 |
0.90 | |
|
层与上一层的承载力之比 |
X向 |
0.80 |
|
Y向 |
0.80 | |
3.5.2 小震弹性时程分析
(1) 地震波的选用
时程分析采用5条天然波 (TH001TG040, TH002TG040, TH004TG040, TH006TG040, TH008TG040) 和2条人工波 (RH2TG040, RH3TG040) , 天然波及人工波均由PKPM自带地震库提供。本工程弹性动力时程分析主方向设计峰值加速度为55cm/s2, 次方向设计峰值加速度为46.75cm/s2。时程分析时对各条波峰值加速度均按此值进行修正。
图3给出了上述7条地震波平均谱 (5%阻尼比) 曲线与规范谱曲线比较。从图3可以看出, 各条地震波平均谱和规范谱在前两个周期点对应的地震影响系数相差较小, 满足规范规定。
图3 地震波平均谱与规范谱对比
(2) 地震作用下结构底部剪力比较
将各条地震波计算所得的结构底部剪力及其平均值与振型分解反应谱法计算结果进行了对比, 对比分析表明, 本工程所采用各地震波计算所得结构底部剪力均不小于振型分解反应谱法计算结果的65%, 7条地震波计算所得结构底部剪力平均值 (Qx, Qy) 不小于振型分解反应谱法计算值 (Qx0, Qy0的80% (Qx=33 815.45kN>0.80Qx0=0.80×37 616.99=30 093.59kN;Qy=34 523.23kN>0.80Qy0=0.80×37 745.86=30 196.69kN) , 满足抗规规定。
7条地震波计算所得楼层剪力曲线变化形式各不相同, 但其楼层最大剪力平均值曲线、楼层最大弯矩曲线与振型分解反应谱法计算结果变化趋势基本一致。7条地震波的弯矩平均值曲线与振型分解反应谱法计算的弯矩曲线差异较小。振型分解反应谱法计算所得弯矩大于7条地震波的弯矩平均值。因此在对本工程进行结构设计时, 可采用振型分解反应谱法计算地震作用。
3.5.3 中震等效弹性分析
结构在中震作用下, 由于部分结构构件已经屈服, 结构的整体阻尼会增大, 周期也会增大, 可以看出, 结构阻尼和周期的增大都会减小结构地震力。等效弹性方法通常是通过增加阻尼比和折减连梁刚度来近似考虑结构阻尼增加和刚度退化。计算中可适当考虑结构阻尼比的增加以及剪力墙连梁刚度的折减。中震不屈服设计时, 结构阻尼比取为0.05, 连梁刚度折减系数取为0.5, 周期折减系数取为1.0。
根据高规3.11.3条条文说明, 为方便设计, 允许采用等效弹性方法计算竖向构件及关键部位构件的组合内力。
计算结果表明:既有结构底层2 000×1 600截面的框架柱能够满足中震下正截面承载力不屈服的要求, 不能满足中震下抗剪弹性要求;主楼核心筒角部暗柱在3～5层不能够满足中震下正截面承载力不屈服的要求, 需要加固;既有结构的核心筒外墙及内墙能够满足中震下正截面承载力不屈服的要求;既有结构部分框架梁和连梁屈服, 参与耗能。既有结构以上新建结构刚度合适, 配筋适当, 能够满足后期中震不屈服的设计要求。
中震下既有结构框架柱未出现小偏心受拉情况, 核心筒外围剪力墙四角部分小墙肢出现小偏心受拉情况, 但未超过截面的混凝土抗拉强度标准值。
综上所述, 中震下, 2 000×1 600截面的框架柱能够满足中震下正截面承载力要求, 不需加固, 但需根据中震弹性结果进行抗剪配筋加固, 主楼核心筒角部暗柱需要按中震下计算结果进行纵筋加固, 核心筒外围部分连梁抗剪需要加固。
3.5.4 大震等效弹性分析
大震不屈服设计时, 结构阻尼比取为0.07, 连梁刚度折减系数取为0.4, 周期折减系数取为1.0。
计算结果表明, 既有结构底层2 000×1 600截面的框架柱能够满足大震下正截面承载力不屈服的要求, 不能满足抗剪不屈服要求;主楼核心筒角部暗柱不能够满足大震下抗震承载力不屈服的要求, 需要加固;既有结构的核心筒外墙及内墙不能够满足大震下抗震承载力不屈服的要求, 大部分配筋均较大, 加固难度很大;既有结构大部分框架梁和连梁屈服, 形成充分的塑性铰, 参与耗能。既有结构以上新建结构刚度合适, 配筋适当, 能够满足后期大震下性能设计要求。大震下最大层间位移角发生在45层, X向1/139, Y向1/140, 满足大震下性能目标的层间位移角限值设计要求。
综上所述, 既有结构的核心筒剪力墙暗柱配筋由大震不屈服结果控制, 大震下绝大部分暗柱配筋结果很大, 需要加固, 且加固难度较大。2 000×1 600截面的框架柱能够满足大震下正截面承载力要求, 不需加固, 但需根据大震不屈服结果进行抗剪配筋加固, 核心筒角部暗柱需要按大震下计算结果进行纵筋及抗剪加固。
3.6 续建结构与既有结构的连接
本工程属于续建结构, 续建面在6层结构楼面处。续建结构核心筒采用钢筋混凝土结构, 7层结构楼面以上外围框架柱采用钢管混凝土柱, 6层楼面至7层楼面设置一层钢管混凝土柱过渡。钢管混凝土柱与与既有结构连接作法待初步设计阶段再进行进一步详细论证。
4 结语
续建结构采用“钢管混凝土框架柱+钢框架梁+钢筋混凝土核心筒+角部支撑”的组合结构体系, 采取抗震性能设计方法进行分析论证其结构体系可行, 在小震作用下既有结构构件能够达到抗震设防性能目标要求, 在中大震作用下既有结构部分墙柱加固处理后可以达到抗震设防性能目标要求。
初步设计阶段会根据《民用建筑可靠性鉴定标准》 (GB 50292—2015) 的要求, 对已建成结构进行可靠性鉴定, 并作为后期结构设计依据。