青岛某超限高层及裙房抗震设计

发布时间：2016-06-25 22:25

第一章   绪论

1.1 地震灾害
地震自古便是一种难以预测的自然灾害，也是大部分工程结构的主要控制荷载，地震的强烈程度严重影响建筑物的安全[1]。我国自古就是一个多地震的国家之一，我国汶川在内的 20 多个城市曾被地震造成毁灭性的灾害，伤亡与财产损失不计其数，我国地处太平洋地震带，西北与西南位于欧亚地震带，建筑物在地震产生的横波与纵波作用下会产生横向与纵向的抖动，使结构承重构件破坏，，建筑物整体发生倾倒[2]。地震灾害对人类的伤害和建筑物的破坏是十分严重的，面对地震对人类生活的威胁，建筑工程抗震设计是必须存在的，20 世纪以来，科学的迅猛发展带动建筑行业的发展，自从新中国成立以后，我国人民生活和平而富足，为我国工程方面科学创造良好的发展空间，同时我国颁布了多版的建筑相关规范，体现出我国抗震理论在进步[1]。汶川地震以惨痛的教训警醒人类关于减少地震灾害是人类目前迫切需要实现的目标之一，然而，国内的抗震设计在建筑完成的过程中，仍存在令人不满意的地方，这些不足之处不仅需要设计者高度重视，还需要施工队伍提高抗震意识，按图施工从而提升国内建筑的抗震水平[3]。
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1.2 高层建筑结构体系形式及要求
高层建筑结构体系是指按构件的传力性能与组成方式不同进行的分类，高程结构受力状态与多层结构相差不多[4]。竖向荷载方面，结构的竖向荷载由恒、活两部分构成，高层与多层结构竖向荷载基本一致，只是叠加到最后的层数不同。但对于水平荷载而言，则有较大的差别，众所周知，水平荷载——风荷载对高层结构的位移作用非常大，故在高层设计中应该充分考虑风荷载对结构产生的不良影响，所以随高度的增加高层建筑的顶层位移会增大很多.  结构设计是为建筑设计服务并提出结构专业对建筑的要求，经过反复的核对，最终达成建筑物在结构安全能够满足要求，结构设计中结构选型时比较重要的部分之一，这是决定结构高度与造价的关键，结构形式伴随着混凝土的诞生也由最初的砖混结构变成框架结构，进而衍生出高端的“框架”结构，剪力墙、框架——核心筒等。对高层建筑而言，框架结构柱提供的抵抗风荷载的刚度明显不能满足高层结构的要求，所以高层建筑用框架结构的较少，剪力墙与框架核心筒较为常见。以下主要介绍各种结构的优势与缺点：框架结构体系是由柱子和梁共同承受竖向作用和水平作用，梁与柱通过节点连接在一起形成受力框架，框架结构理想的施工时现浇混凝土，因为现浇混凝土的节点核心区具有刚性，框架结构能够满足布置灵活的特点，能够实现跨度较大的办公室、实验室、会议室等，但框架结构的抗震性能一般，框架柱与梁的截面不大，抗侧刚度不大，在地震来袭时难免会由于水平荷载作用较大而产生侧向位移较大的情况，另框架结构节点核心区受力十分复杂，是结构设计中尤为关键的部位之一[5]。框架结构一般采用对称布置，防止因不对称而对结构产生偏心与扭转效应。  
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第二章   工程概况

伴随科技的进步，理论的完善，计算机硬件的更新与施工方法、技术的变革，为建筑高度的突破创造有利条件，并且随着大城市寸土寸金的现状，开发商也争相开发高层建筑，高层建筑如雨后春笋般拔地而起，高层建筑是体现人类利用自然的智慧。高层建筑成为城市生活空间中不可缺少的元素，在不影响建筑使用功能和立面效果的基础上，经济安全的进行结构设计，是设计师面对的棘手问题，对设计师来说是存在的挑战，楼层的变高，设计中存在的问题也会随之增加，下文将以实际工程的设计诠释遇到的问题和解决的方式与方法。  

2.1 工程位置
本项目位于青岛市崂山区金家岭金融商务区的核心，项目毗邻会展中心，大剧院，博物馆，体育中心等城市级配套，金融及教育机构众多。本项目东面紧邻秦岭路，西面为赤岭路，北面为苗岭路，南面为梅岭东路[17]。本项目总建设用地面积 2.48 万㎡，总建筑面积 30.73 万㎡，总计容面积为 24万㎡，在用地范围内，商业裙房上落有三栋办公塔楼，地下设有三层地下车库。地上总建筑面积24万㎡，其中办公建筑面积15万㎡，商业建筑面积26万㎡，LOFT、创意办公面积 6 万㎡，地下总建筑面积 6.7 万㎡。本项目包括 3 栋超高层塔楼（1#办公楼，2#办公楼，3#公寓楼，建筑总高171.700m），独立两栋 3 层商业裙房和三层地下室。项目通过结构分缝及滑动支座连桥将整个地上结构分为四部分，第一部分为 1#、2#楼双塔及相连裙房，第二部分为 3#公寓楼及相连裙房，第三、四部分为 2 栋三层独立商业网点。本工程 1#塔楼、2#塔楼、3#塔楼与裙房相连，各部分平面尺寸（长 x 宽）如下：裙房为215mx75m；1#楼 40.9mx49.9m；2#楼 38mx47.1m；3#楼 64.8mx29.9m。1#办公楼为框架核心筒结构，地下 3 层，裙房 3 层，裙房上部办公 37 层，主要屋面高度 162.9m，局部机房层屋面高度为 170.7m，超过 7 度抗震设防烈度框筒结构 A 级最大适用高度 130m。
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2.2 建筑功能及各层平面
建筑功能是为满足人类正常活动、休息等主要生活对建筑的基本要求，建筑根据用途的不同，楼层设计不同，通常也对建筑功能进行类别划分，主要功能分区和各层层高情况如表 2-2-1 所示： 风荷载是高层建筑设计中必须要重点考虑的一种荷载，一般呈倒三角式分布，其作用最高层结构的抗侧移等内容有着尤为显著的影响，对于风荷载影响其作用的因素较多，例如风振系数、建筑高度等都是其重要因素，青岛地区地处海边，崂山区的粗糙等级为 B 级，查规范得基本风压为 0.6Kpa，此风压需扩大 1.1 系数才能够用于结构的承载力控制，另外考虑舒适度问题时则采用 0.45Kpa 的风压。    建设方委托中国建筑科学研究院建研科技股份有限公司对 2 号地块 1#、2#、3#塔楼进行了风洞试验。试验根据建筑图纸以 1:250 的模型准确的模拟了建筑外形，以反映建筑外形对建筑外表面风压分布的影响。
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第三章   结构设计 ........ 21 
3.1 结构体系 ........... 22
3.2  楼盖体系 .......... 27 
3.2.1  裙房及车库 ......... 27 
3.2.2  塔楼 ..... 28 
3.3  主要构件的截面 ...... 28 
3.4  结构材料 .......... 31
3.5 结构超限类型和程度 ....... 32 
3.6 抗震等级及性能目标 ........ 34
3.7  本章小结 ........... 36 
第四章  结构分析的主要结果汇总比较 ....... 37 
4.1 计算分析程序 .... 37 
4.2 小震计算 .... 37
4.3 倾覆弯矩、楼层剪力分析和剪力调整 .... 49 
4.4  弹性时程分析 ........... 50 
4.5  中震计算 ........... 55
4.6  大震计算 ........... 60 
第五章   动力弹塑性分析 ..... 69
5.1  分析软件及方法 ....... 69
5.2 钢筋一维本构关系 .... 71 
5.3 混凝土二维本构关系 ........ 72

第五章     动力弹塑性分析

结构在较大的地震作用下某些部位可能发生屈服甚至破坏退出工作，从而使结构的工作状态从弹性过渡到弹塑性，随着塑性的发生和发展，结构的反应特征出现改变，不再保持弹性状态，此时应考虑结构进入非线性状态的地震反应分析。通过非线性弹塑性分析，研究结构在罕遇地震作用下的变形形态、构件的塑性及其损伤情况、整体结构的弹塑性行为（具体的研究指标包括最大顶点位移，最大层间位移，最大扭转位移比以及最大基底剪力）以及结构关键部位、关键构件的变形形态和破坏情况是否满足规范要求，是否符合预定的抗震性能目标，能否达到结构“大震不倒”的设防水准要求[34]。 

5.1  分析软件及方法    

本工程塔楼非线性弹塑性分析采用 PKPM-SAUSAGE 软件，本软件适于模拟混凝土、钢材质构件的空间非线性力学行为，PKPM-SAUSAGE 的线单元（梁、柱和斜撑）在全长度采用精细的截面纤维模型，面单元（剪力墙、楼板）采用精细的分层壳模型。该软件在材料应力-应变本构关系层面的材料非线性基础上,时程分析时考虑了结构的几何非线性。软件计算中采用的本构模型如下[35]：  

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结论 

该论文针对实际工程在小震、中震、罕遇地震作用下的具体情况，根据《抗规》设立了抗震性能目标以及性能设计目标，然后采用 Midasbuilding 软件在考虑几何非线性和材料非线性的前提下建立有限元模型，选用多组地震波进行了动力弹塑性时程分析。在进行动力弹性时程分析之前，为了证明 Midasbuilding 建立模型的准确性，将Midasbuilding、SATWE两种种软件计算得到的重力荷载代表值和前三阶周期的结果进行了对比，用 SAUSAGE 软件对结构进行动力弹塑性分析得到如下结论： 
1）1#、2#、3#结构的周期比、有效质量系数、底部剪力、底部剪力墙轴压比、抗侧刚度等均满足规范要求，能够保证结构安全正常使用。 
2）对大底盘楼盖进行有限元分析，分析得到经济的配筋方案，并且满足楼盖体系中震弹性的目标。 
3）对基底的应力与倾覆验算得到在风荷载或中震作用下，塔楼基底均没有出现零应力区，大震作用下的零应力区未超过 15%，结构均不会发生整体倾覆。 
4）对主体结构舒适度分析显示结构顶点的最大加速度小于规范要求限值满足要求。
5)对单结构进行 PKPM 和 Midasbuilding 软件计算，并对单塔进行 Midasbuilding 做进一步分析，比较了单塔、双塔的计算结果，说明单塔、双塔的受力性能是相似的，大底盘不但没有改变各塔楼的自振性能，而且对各塔楼起到了刚度加强作用。 
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参考文献(略)

本文编号：61531