“新疆丝路中心”结构设计

“新疆丝路中心”结构设计摘要：新疆丝路中心总建筑面积145442.62㎡，分为二个结构单元。主楼地上40层，结构高度198.90m，采用钢筋混凝土框架-核心筒结构，为超过B级高度的超限高层建筑；裙房地上四层，高度21.00m，采用框架结构。本文重点介绍了主楼超限高层的结构设计，供大家参考。关键词：超限高层；性能化设计；弹性动力时程分析；弹塑性时程分析1.工程概况新疆丝路中心位于新疆乌鲁木齐市高新区，总建筑面积145442.62㎡，整个建筑地下部分连为一体，地上部分由于主楼及商业裙房的结构体系不同，且结构超长较多，为避免地震作用下相互间的不利影响，主楼和商业裙房间采用防震缝分开，整栋建筑分为相互独立的二个结构单元。本工程主楼地上40层，地下3层；其中1-4层为商业,10层、19层、29层为避难层，其余楼层为办公；结构高度（大屋面）为198.9m，采用钢筋混凝土框架-核心筒结构，为超过B级高度的超限高层建筑。主楼标准层结构布置图如下：本工程抗震设防类别为乙类，抗震设防烈度为8度（0.2g），多遇地震影响系数αmax=0.16，场地类别为Ⅱ类，设计地震分组为第二组，场地特征周期Tg=0.40s。2.地基基础及地下结构设计采用天然地基以圆砾层作为持力层，地基承载力特征值不低于800KPa，地基基床反力系数120000kN/m³。主楼采用2500厚平板式筏型基础，外挑2500，核心筒局部加厚区3500厚。裙房部分采用柱下独立基础+防水底板+抗浮锚杆。2.1超长地下室结构设计本工程地下室平面尺寸为159.2mx80.4m，从建筑使用功能及场地地质情况出发，都不宜设置永久性结构缝。为解决超长结构温度应力带来的不利影响，要求施工单位采用跳仓法施工，以消除浇筑混凝土过程中产生的温度应力；施工进度上要求当年入冬前地下一层顶板必须封顶，基坑周边及室外地下室顶板回填土必须回填完毕，对室内地下室顶板采取保温措施，这样整个地下室就基本处于恒温状态，以确保地下建筑不会产生过大的温度应力；在主楼与裙房间设置沉降后浇带，以克服主楼与裙房间不均匀沉降带来的不利的影响。2.2主楼结构设计利用建筑中部公共交通区域布置核心筒剪力墙。核心筒作为主要抗侧力体系。在建筑周边布置框架，框架柱采用型钢混凝土柱。为减小外框缺角的影响，在15轴上J～K轴间增设剪力墙。楼（屋）2.3盖采用现浇混凝土梁板结构、结构抗震分析与计算在多遇地震作用下使用盈建科系列建筑结构软件YJK和Midas软件进行结构的承载力和变形计算及对比分析。结构主要动力特性如下：表3.3.1主要周期及振型YJK-AMidasgen振型号周期(s)转角平动系数周期(s)平动系数14.727080.081.004.87081.0024.4111170.081.004.36791.0033.263149.050.003.26660.0041.36186.631.001.33850.9951.185596.840.981.19520.9861.122285.370.021.13100.02表3.3.2周期比及有效质量系数YJK-AMidasgen周期比0.690.67总振型数6145X向有效质量系数90.20%90.28%Y向有效质量系数91.10%91.34%表3.3.3总质量对比YJK-A（t）Midasgen（t）相差百分比总质量199232.406201394.9521.09%表3.3.4风荷载最大层间位移角统计表层号塔号YJK风载Midas风载X向Y向X向Y向X差值Y差值2611/25561/10371/24501/984-4.35%-5.39%表3.3.5小震弹性最大层间位移角统计表层号塔号YJK地震作用Midas地震作用X向Y向X向Y向X差值Y差值2611/7071/6241/7271/6392.75%2.35%通过计算分析，结构刚度合理，层间位移角均满足“1/615”限值的要求，抗扭刚度大，周期比远小于0.85，结构布置均匀位移比不超过1.2，框架部分承担的剪力大部分楼层超过层剪力10%。3.3.2、采用yjk设计软件进行多遇地震下结构的弹性动力时程补充分析。3.3.2.1地震选波：采用了5组天然和2组人工合成的加速度时程波，在波形的选择上，除符合有效峰值、持续时间等方面的要求外，尚需满足底部剪力及高阶振型方面的相关要求。图3.3.2.1-1规范谱与反应谱对比图3.3.2.2层剪力、最大位移、层间位移角结果图3.3.2.2-10度主方向最大楼层剪力曲线图图3.3.2.2-290度主方向最大楼层剪力曲线图图3.3.2.2-30度主方向最大层间位移角曲线图图3.3.2.2-490度主方向最大层间位移角曲线图3.3.2.3基地剪力对比及放大系数地震波产生基底(地上首层)剪力与CQC法基底剪力比较当前主方向：0.0度波名称塔号基底剪力比值CQC法剪力(考虑放大)142484.910人工波1144751.081105%人工波2151221.086120%ImperialValley-06_NO_172,Tg(0.39)130895.59572%ImperialValley-06_NO_186,Tg(0.47)130526.63671%SanFernando_NO_67,Tg(0.46)135038.56282%ImperialValley-06_NO_161,Tg(0.45)134152.51280%ImperialValley-06_NO_163,Tg(0.55)130539.39771%平均剪力136732.12486%当前主方向：90.0度波名称塔号基底剪力比值CQC法剪力(考虑放大)45112.174人工波1150016.616110%人工波2154221.918120%ImperialValley-06_NO_172,Tg(0.39)131620.51470%ImperialValley-06_NO_186,Tg(0.47)137233.92282%SanFernando_NO_67,Tg(0.46)141981.80993%ImperialValley-06_NO_161,Tg(0.45)144766.65899%ImperialValley-06_NO_163,Tg(0.55)131565.96969%平均剪力141629.62992%小结：1、七组时程波的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所用的地震影响系数曲线相比，在对应于结构主要振型的周期点上相差不大于20％。2、每条时程曲线计算所得结构底部剪力不小于振型分解反应谱法计算结果的65％，多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不小于振型分解反应谱法计算结果的80％。3、层间位移角均满足《高规》表3.7.3中“1/615”限值的要求。3.3.3、采用YJK程序进行设防地震性能设计。采用《高规》的等效弹性计算方法，阻尼比增加1%，连梁刚度折减系数减小0.1，整体结构按线弹性计算。考虑双向地震中震不屈服验算结果，大部分墙肢在底部出现拉应力，当拉应力超过混凝土抗拉强度标准值ftk时，墙内增设型钢或钢板。钢板或型钢含钢率超过2.5%的，限值按比例放大。一层计算结果如下图。图3.3.3剪力墙型钢布置及拉应力3.3.4、采用YJK弹塑性时程分析软件（YJK-EP）进行动力时程分析方法对结构进行大震弹塑性分析，以评估结构在大震下的抗震性能，判断其层间位移角是否满足1/110的要求。大震性能设计计算采用《高规》的等效弹性计算方法，阻尼比增加2%，连梁刚度折减系数减小0.2，整体结构按线弹性计算。下表所示为各条地震波在X、Y为主方向的基底剪力计算值。各条波在基底剪力与小震弹性CQC的剪力比值均与经验值比较符合。波名X主方向Y主方向X向基底剪力(kN)波剪力/小震弹性CQC剪力Y向基底剪力(kN)波剪力/小震弹性CQC剪力人工波1134530.43.02158895.83.31人工波2156296.23.52144430.53.01TH4TG055145937.23.28192439.94.00ImperialValley-06_NO_186,Tg(0.47)137945.83.10156167.93.24SanFernando_NO_67,Tg(0.46)130850.82.94170960.23.55Chi-Chi,Taiwan-03_NO_2474,Tg(0.53)134275.63.02149000.93.10ImperialValley-06_NO_161,Tg(0.45)182642.34.11191682.33.98平均值146068.33.28166225.33.46弹性反应谱CQC44448.748066.8楼层最大响应显示的是各个楼层在地震波作用下响应的最大值。规范明确规定弹塑性位移角不能超过位移角限值，否则判定结构不能达到大震不倒的设防水准。各条波最大的层位移角曲线如下列图所示：图3.3.4-1人工波1X、Y方向楼层位移角曲线包络图图3.3.4-2人工波2X、Y方向楼层位移角曲线包络图图3.3.4-3TH4TG055X、Y方向楼层位移角曲线包络图图3.3.4-4ImperialValley-06_NO_186,Tg(0.47)X、Y方向楼层位移角曲线包络图图3.3.4-5SanFernando_NO_67,Tg(0.46)X、Y方向楼层位移角曲线包络图图3.3.4-6Chi-Chi,Taiwan-03_NO_2474,Tg(0.53)X、Y方向楼层位移角曲线包络图图3.3.4-7ImperialValley-06_NO_161,Tg(0.45)X、Y方向楼层位移角曲线包络图上述图中看出:1)大震下X、Y分别为主方向时，弹塑性位移普遍大于弹性位移，说明结构都可能已进入了不同程度的非线性，最大位移均位于顶层。2)大震下X、Y分别为主方向时，弹塑性位移角普遍大于弹性位移角，说明都已进入了非线性，但程度有些不同。构件损伤因子：各条波下结构损伤顺序有些差别，但总体上规律基本一致。以人工波1地震波结果为代表进行说明，以下图片显示了该地震波在0s时刻、5s时刻、15s时刻、25s时刻与最后时刻的混凝土受压损伤计算结果与最终时刻的钢/钢筋受拉损伤结果。与此同时，依据《建筑结构抗倒塌设计规范》中建议的判定原则，给出了结构构件的损伤等级判定结果图。图3.3.4-8人工波1X向最后时刻混凝土受压损伤图图3.3.4-9人工波1X向最后时刻钢筋受拉损伤图从上述图中可以看到，在地震波开始激励之前，即重力代表值施加完成后，结构基本上没有出现损伤，随着地震激励时间的增加，塑性逐渐发展，最后时刻的损伤图中可以看出，连梁损坏严重，框架梁损坏比较严重，靠上部框架柱有轻度~中度损坏且框架柱未出现贯通成片的严重损坏，满足大震性能目标需求。3.3.5风振舒适度验算10年一遇的风荷载标准值作用下按《荷载规范》附录J计算，结构顶点的顺风向和横风向振动最大加速度计算结果如下表：表3.3.5顶点最大加速度(m/s2)X向顺风向X向横风向Y向顺风向Y向横风向计算值0.0440.0700.0740.052规范限值0.25从以上计算结果中可以看出风振舒适度验算满足《高层建筑混凝土结构技术规程》3.7.7条规定。3.4结构超限设计的加强措施主体结构采用框架—核心筒结构体系，为保证外围框架与核心筒协同工作，形成双重抗侧力结构体系，对框架部分在地震作用下承担的楼层地震剪力按以下原则进行控制：合理控制框架梁、柱截面，多数楼层框架部分按侧向刚度分配的楼层地震剪力标准值不低于结构底部总地震剪力的8%且最大值不低于10%，顶部个别楼层不小于5%；对框架部分分配的地震剪力标准值小于结构底部总地震剪力标准值的20%的楼层框架地震剪力按《高规》9.1.11条第3款的要求进行调整。采用型钢混凝土柱，以提高柱的抗震性能。为减小外框缺角的影响，在15轴上J～K轴间增设剪力墙。对中震作用下受拉的框架柱，保证型钢能全部承担拉力，含钢率不低于5%。中震双向地震作用下部分剪力墙出现小偏心受拉，对该类墙拟采取以下措施处理：对全截面由轴向力产生的平均名义拉应力超过混凝土抗拉强度标准值的剪力墙采用钢板剪力墙或型钢混凝土剪力墙，并控制该类剪力墙的平均名义拉应力不大于2倍的混凝土抗拉强度标准值（钢板或型钢含钢率超过2.5%的，限值按比例放大）。4结构性能设计方法根据《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010第3.11.1条及条文解释，结合本工程超限情况，综合考虑场地条件、经济性、震后修复难易程度等因素后，本工程抗震性能目标选C级，具体设计方法如下：4.1多遇地震：采用YJK和Midas两种程序进行分析比较，并补充弹性动力时程分析，控制整体结构处于弹性状态，相关指标按规范要求控制，计算时考虑抗震等级的内力调整系数，荷载取标准组合值，材料强度取设计值。4.2设防地震：采用YJK程序进行设防地震性能设计。选用性能目标3，定义关键构件、