高烈度地區(qū)超高層結(jié)構(gòu)方案研究

李博宇, 曲 原, 王 然, 束偉農(nóng), 張連河, 畢鵬飛

(北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100045)

0 引言

超高層建筑由于質(zhì)量大、高度高,因此所承受的水平作用相對于中低層建筑更加明顯。隨著建筑高度的提高,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要控制因素是以風(fēng)荷載和地震作用為代表的水平荷載作用。在高烈度地區(qū),超高層建筑的抗震設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)中重點(diǎn)需要關(guān)注的部分,整體剛度與承載力的控制在設(shè)計(jì)中顯得尤為重要[1]。

按照以往工程的經(jīng)驗(yàn),對于250m左右的超高層建筑一般采用框架-核心筒或者筒中筒等傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式。但在高烈度地區(qū),采用常規(guī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手段很難在滿足結(jié)構(gòu)抗震要求的同時(shí)滿足建筑的使用要求。近年來,國內(nèi)外學(xué)者對高烈度地區(qū)的建筑采用消能減震技術(shù)進(jìn)行了大量的研究工作[2-4]?；诖?本工程擬采用消能減震技術(shù),即采用屈曲約束支撐對超高層建筑進(jìn)行設(shè)計(jì)。

在不影響建筑使用功能的情況下,為更有效地控制超高層結(jié)構(gòu)的整體變形,采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系的超高層建筑中一般利用設(shè)備層作為結(jié)構(gòu)加強(qiáng)層,在層間設(shè)置伸臂桁架和腰桁架,加強(qiáng)核心筒與周邊框架柱,以及周邊框架柱間的聯(lián)系,提高整體結(jié)構(gòu)剛度。加強(qiáng)層的設(shè)置部位對于控制整體結(jié)構(gòu)的變形能力有著至關(guān)重要的作用,本文對于伸臂桁架和腰桁架的布置位置進(jìn)行了效率分析,并根據(jù)專業(yè)功能需求,確定了伸臂桁架和腰桁架的布置方式。

本文從工程實(shí)例入手,對比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和消能減震結(jié)構(gòu)的抗震分析結(jié)果,從而選擇更適合于工程的結(jié)構(gòu)方案,同時(shí)根據(jù)伸臂桁架和腰桁架布置位置的效率分析,選擇了相對合理的布置方式,并通過大震非線性時(shí)程分析,驗(yàn)證了該方案的抗震性能,以期為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

西安萬博酒店項(xiàng)目位于陜西省西咸新區(qū),±0.000絕對標(biāo)高為390.2m。項(xiàng)目用地南北寬約170m、東西長約230m,項(xiàng)目建筑總規(guī)模約44萬m2。項(xiàng)目由超高層酒店、辦公樓及配套商業(yè)等建筑構(gòu)成,如圖1所示,地下室為停車庫及設(shè)備機(jī)房,地下3層部分區(qū)域兼做平戰(zhàn)結(jié)合六級(jí)人防區(qū)。塔樓與裙房地下部分連為整體,±0.000以上通過設(shè)置變形縫脫開,形成7個(gè)結(jié)構(gòu)段,本文主要探討的是1#酒店的結(jié)構(gòu)方案選型。

圖1 西安萬博酒店建筑布局圖

初步設(shè)計(jì)階段,1#酒店結(jié)構(gòu)高度為249.2m,地上55層、地下3層,主要功能為酒店、辦公,嵌固部位為地下室頂板,采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系,為超B級(jí)高度超高層建筑。

本工程抗震設(shè)防烈度8度(0.20g),場地類別Ⅲ類,設(shè)計(jì)地震分組第二組,特征周期0.55s?？拐鹪O(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類,設(shè)計(jì)使用年限50年,結(jié)構(gòu)安全等級(jí)二級(jí)[5]。1#酒店標(biāo)準(zhǔn)層平面圖如圖2所示。

圖2 1#酒店標(biāo)準(zhǔn)層平面圖

1#酒店建筑立面造型仿照中式塔樓建筑,建筑平面從底層到頂層分層收進(jìn),收進(jìn)位置均在設(shè)備避難層。建筑平面尺寸由53.2m×53.2m收進(jìn)至41.4m×41.4m,核心筒尺寸為21.7m×21.4m,核心筒高寬比為12.4,梁跨度由14.5m收進(jìn)至11.3m。1～4層層高6.0m,5～8層層高4.2m,標(biāo)準(zhǔn)層層高4m,9、20、30、40、50層為避難層,層高5.2m,55層以上為機(jī)房層和塔冠,如圖3所示。各層材料:板混凝土采用C30,框架柱及剪力墻采用C60～C40;鋼筋均采用HRB400;鋼材采用Q355B及Q390B。綜合考慮地質(zhì)情況及抗浮等因素,1#酒店塔樓采用樁筏基礎(chǔ)。

圖3 1#酒店結(jié)構(gòu)剖面圖

2 加強(qiáng)層布置情況對比

已有的分析結(jié)果表明,利用水平伸臂桁架和腰桁架使外圍參與結(jié)構(gòu)整體抗彎是一種有效的控制整體變形的方式。當(dāng)伸臂的剛度和數(shù)量足夠時(shí),頂點(diǎn)側(cè)移的減小量在90%以上。

《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)[6](簡稱《高規(guī)》)中對設(shè)置多個(gè)加強(qiáng)層的建議是:當(dāng)布置2個(gè)加強(qiáng)層時(shí),可分別設(shè)置在頂層和房屋高度的1/2附近;當(dāng)布置多個(gè)加強(qiáng)層時(shí),宜沿豎向從頂層向下均勻布置。

由于本項(xiàng)目中柱位均在各層建筑邊界范圍內(nèi),伸臂桁架及腰桁架的布置對于設(shè)備機(jī)電層的使用影響較大,因此對于結(jié)構(gòu)加強(qiáng)層的布置不能僅以結(jié)構(gòu)專業(yè)的合理性作為唯一的前置條件,應(yīng)該通盤考慮全專業(yè)設(shè)計(jì)的合理性。為了使加強(qiáng)層的布置更有效率,分別在5個(gè)機(jī)電設(shè)備層布置伸臂桁架或腰桁架,對大震作用下整體周期、位移、地震剪力、構(gòu)件受力情況分別進(jìn)行了分析,以期待可以找到最有效率的加強(qiáng)層布置方式。各個(gè)模型中各層荷載及結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸均相同,相關(guān)模型參數(shù)統(tǒng)一,具體對比情況詳見表1。

表1 大震作用下分層取消桁架與保留全部桁架計(jì)算結(jié)果對比

從表1可知,在20層及以下設(shè)置加強(qiáng)層可以更有效地減少底層墻肢的拉力,對整體結(jié)構(gòu)變形幾乎沒有影響。其中取消9層的伸臂桁架及腰桁架,底層墻肢拉力提高近9%,取消20層的伸臂桁架及腰桁架,底層墻肢拉力提高近5%。對其余加強(qiáng)層的桁架應(yīng)力比的影響:取消9層的伸臂桁架及腰桁架對其余加強(qiáng)層的桁架應(yīng)力比幾乎沒有影響,取消20層的伸臂桁架及腰桁架,其余加強(qiáng)層的桁架應(yīng)力比將提高10%左右。

在30層以上設(shè)置加強(qiáng)層可以有效控制結(jié)構(gòu)整體變形,對底層墻肢拉力幾乎無影響。其中取消30層的伸臂桁架及腰桁架,結(jié)構(gòu)整體變形增大了近7%;取消40層的伸臂桁架及腰桁架,變形增大了近12%;取消50層的伸臂桁架及腰桁架,變形增大了近10%。對其余加強(qiáng)層的桁架應(yīng)力比的影響:取消30層的伸臂桁架及腰桁架對其余加強(qiáng)層的桁架應(yīng)力比幾乎沒有影響;取消40層的伸臂桁架及腰桁架,其余加強(qiáng)層的桁架應(yīng)力比將提高10%左右;取消50層的伸臂桁架及腰桁架,40層加強(qiáng)層的桁架應(yīng)力比將提高15%左右,對其余加強(qiáng)層的桁架應(yīng)力比幾乎沒有影響。通過各項(xiàng)對比,伸臂桁架比腰桁架對受力及變形的影響更顯著。

經(jīng)過對比可知,在本項(xiàng)目中在9層設(shè)置加強(qiáng)層對整體變形和桿件受力幾乎無影響,僅對減少底層墻肢拉力有幫助;在50層設(shè)置加強(qiáng)層對減少底層墻肢拉力和其余各加強(qiáng)層桁架應(yīng)力比幾乎沒有影響,對整體變形影響沒有在40層設(shè)置加強(qiáng)層大。根據(jù)本項(xiàng)目實(shí)際布置分析,雖然按規(guī)范要求可將加強(qiáng)層布置在頂層,但由于建筑平面不斷收進(jìn),實(shí)際本項(xiàng)目中頂層加強(qiáng)層所提供的剛度和抗整體變形的能力并不如想象的大。

通過經(jīng)濟(jì)性分析,在其余加強(qiáng)層不變的前提下,在9層或50層不設(shè)置加強(qiáng)層,為滿足整體變形的要求,需要在其他層增加混凝土構(gòu)件配筋及增大鋼構(gòu)件截面,但比較下來可以減少整體結(jié)構(gòu)用鋼量。但是在20、30層或40層不設(shè)置加強(qiáng)層,需要在其他層增加混凝土構(gòu)件配筋及增大鋼構(gòu)件截面,會(huì)提高整體結(jié)構(gòu)的用鋼量,因此在20、30層或40層設(shè)置加強(qiáng)層的經(jīng)濟(jì)性更好。

因此,本項(xiàng)目中將20、30、40層設(shè)置為加強(qiáng)層是較有效率的布置方式,但由于20層及40層設(shè)備管線較多,布置伸臂桁架或腰桁架后,設(shè)備層無法滿足要求,因此經(jīng)過精細(xì)化分析并與建筑專業(yè)討論后,最終采用30層設(shè)置伸臂桁架及腰桁架,40層設(shè)置伸臂桁架的方案。

3 消能減震方案對比

對超高層建筑,傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法通過提高結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度來承擔(dān)水平地震作用,由此帶來的問題是結(jié)構(gòu)剛度增大的同時(shí),需要承擔(dān)的地震作用也較大,同時(shí)在地震作用下只能通過結(jié)構(gòu)構(gòu)件的塑性變形來耗散能量[2]。近年來,隨著消能減震技術(shù)的發(fā)展,由于消能減震結(jié)構(gòu)在抗震作用中可以起到良好的耗能作用,在超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用消能減震技術(shù)成為一種新的設(shè)計(jì)思路。

3.1 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用型鋼混凝土柱+鋼梁+混凝土核心筒+伸臂桁架結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行設(shè)計(jì)。柱截面尺寸為1 200×1 800、1 300×1 300,主梁截面為H1 000×400×24×30,次梁截面為HN800×300,核心筒外圈墻體厚度為1 400mm,伸臂桁架上下弦截面為H1 000×700×26×40,腹桿截面為□800×800×30×30。

型鋼混凝土柱+鋼梁+混凝土核心筒+伸臂桁架結(jié)構(gòu)方案的主要問題在于:1)為解決伸臂桁架腹桿的穩(wěn)定問題,腹桿截面尺寸較大,影響建筑空間使用;2)由于伸臂桁架截面較大,導(dǎo)致加強(qiáng)層剛度偏大,加強(qiáng)層下一層形成薄弱層,整體結(jié)構(gòu)剛度不均勻;3)結(jié)構(gòu)整體剛度提高,地震作用較強(qiáng),導(dǎo)致各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面尺寸及配筋均增加。

以上是一般傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系抗震設(shè)計(jì)共有的結(jié)構(gòu)布置問題,在高烈度地區(qū)的超高層結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中此類問題更加突出。

3.2 框架-核心筒+消能減震結(jié)構(gòu)方案

綜合傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案的利弊,結(jié)構(gòu)體系調(diào)整為型鋼混凝土柱+鋼梁+混凝土核心筒+伸臂桁架+消能減震結(jié)構(gòu)(防屈曲約束支撐)結(jié)構(gòu)方案(簡稱消能減震結(jié)構(gòu)方案)進(jìn)行設(shè)計(jì)。該方案在型鋼混凝土柱+鋼梁+混凝土核心筒+伸臂桁架體系的基礎(chǔ)上,將兩層加強(qiáng)層伸臂桁架的腹桿替換為防屈曲約束支撐(BRB),并且伸臂桁架上下弦截面優(yōu)化為H1 000×500×26×40。伸臂桁架減震結(jié)構(gòu)布置及典型樓層BRB布置圖詳見圖4～6。

圖4 伸臂桁架消能減震結(jié)構(gòu)示意

圖5 30層BRB平面布置圖

圖6 40層BRB平面布置圖

采用BRB的主要作用:1)可以解決桁架腹桿的穩(wěn)定問題;2)對BRB的剛度進(jìn)行控制,解決加強(qiáng)層下一層的剛度突變問題,使得整體結(jié)構(gòu)剛度更加均勻;3)中大震作用下BRB有一定的耗能能力,保證結(jié)構(gòu)有一定的安全儲(chǔ)備,最終達(dá)到提高結(jié)構(gòu)抗震性能的目的。

BRB支撐采用“V”字撐或“人”字撐,屈服承載力主要為11 000kN,屈服位移為6.5mm,原則上保證小震作用下BRB不屈服,中震及大震作用下BRB發(fā)揮耗能作用。BRB參數(shù)詳見表2。

表2 BRB參數(shù)

3.3 抗震性能目標(biāo)

針對本工程的超限項(xiàng)及重要部位,采用《高規(guī)》中抗震性能化設(shè)計(jì)的手段對結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵部位進(jìn)行加強(qiáng)。本工程高度超限,并存在樓板不連續(xù)、局部不規(guī)則、構(gòu)件間斷三項(xiàng)一般不規(guī)則項(xiàng),綜合考慮建筑的功能規(guī)模和不規(guī)則程度,設(shè)定的性能目標(biāo)詳見表3。

表3 1#酒店抗震性能目標(biāo)[5]

3.4 基于反應(yīng)譜理論的彈性及彈塑性分析

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系由于結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸較大,結(jié)構(gòu)剛度較大,自振周期略小于設(shè)置消能減震結(jié)構(gòu)體系。兩種方案的自振周期結(jié)果見表4。

表4 自振周期結(jié)果/s

在大震作用下,采用消能減震技術(shù)的結(jié)構(gòu)地震作用比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)要更小,且由于BRB可以作為一道抗震防線,提高了結(jié)構(gòu)整體的抗震性能。從結(jié)構(gòu)整體剛度方面來看,傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系為達(dá)到抗震性能目標(biāo),導(dǎo)致加強(qiáng)層部位構(gòu)件尺寸較大,結(jié)構(gòu)剛度存在突變情況,加強(qiáng)層以下樓層形成了薄弱層;而消能減震結(jié)構(gòu)體系則由于BRB在大震作用下發(fā)揮了耗能作用,使得結(jié)構(gòu)整體剛度較為均勻,結(jié)構(gòu)體系更為合理。大震作用下兩種方案的地震作用結(jié)果見表5。采用消能減震技術(shù)的結(jié)構(gòu)層間位移角均小于1/504,說明整體結(jié)構(gòu)剛度良好,可以滿足《高規(guī)》要求。

表5 地震作用結(jié)果

小震作用下兩種方案的整體變形結(jié)果見表6。通過兩種結(jié)構(gòu)方案整體指標(biāo)的對比,可知傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用“抗”的辦法承擔(dān)水平地震作用,帶來的問題主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸較大和加強(qiáng)層剛度過大。在本項(xiàng)目中,采用BRB后加強(qiáng)層伸臂桁架上下弦桿件截面明顯減小,采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)考慮抗震性能目標(biāo)下的鋼構(gòu)件穩(wěn)定要求,需截面尺寸為800×800×30×30的桿件,影響建筑使用空間,不能滿足使用需求。采用BRB桿件,直徑僅為400mm,有效節(jié)省了建筑空間,且使得使用功能更加合理。

表6 層間位移角結(jié)果

采用消能減震技術(shù)的結(jié)構(gòu)體系,小震作用下可以通過BRB的剛度調(diào)節(jié)主體結(jié)構(gòu)剛度,在解決加強(qiáng)層構(gòu)件穩(wěn)定的基礎(chǔ)上,使整體結(jié)構(gòu)剛度更加均勻,同時(shí)在大震作用下BRB作為耗能構(gòu)件可以耗散地震能量,使得結(jié)構(gòu)原本應(yīng)該承受的地震作用減小。從結(jié)果來看,消能減震結(jié)構(gòu)體系整體抗震性能更好。

4 大震彈塑性時(shí)程分析

4.1 有限元建模

為了驗(yàn)證結(jié)構(gòu)能否實(shí)現(xiàn)“大震不倒”的設(shè)防要求,本項(xiàng)目采用結(jié)構(gòu)動(dòng)力彈塑性計(jì)算軟件SAUSAGE,對結(jié)構(gòu)進(jìn)行大震彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析。

在非線性地震反應(yīng)分析模型中,鋼材的非線性材料模型采用雙線性隨動(dòng)硬化模型,混凝土本構(gòu)模型采用彈塑性損傷模型,桿件非線性模型采用纖維束模型,BRB單元采用非線性單元Plastic(Wen)模擬。

4.2 地震波輸入

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)[7](簡稱《抗規(guī)》)第5.1.2條的規(guī)定,選擇3組波(兩向)取包絡(luò)的方式進(jìn)行時(shí)程分析,分別是2組天然波(TH038TG055和TH093TG065)和1組按抗震規(guī)范反應(yīng)譜合成的人工波(RH1TG055),3組地震波的波形曲線見圖7、8。

圖7 地震波波形圖

圖8 地震波時(shí)程反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜比較

根據(jù)選波分析結(jié)果,3組地震波的地震影響系數(shù)曲線與反應(yīng)譜在統(tǒng)計(jì)意義上相符,計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力均滿足《抗規(guī)》第5.1.2條要求[7]。

4.3 彈塑性分析結(jié)果

4.3.1 位移結(jié)果

彈塑性時(shí)程分析的最大層間位移角結(jié)果見表7。從結(jié)果來看,采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)變形均大于消能減震結(jié)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)變形,說明消能減震結(jié)構(gòu)在大震作用下可以起到耗能作用,控制整體結(jié)構(gòu)變形的能力。

表7 各組地震動(dòng)作用下大震彈塑性最大層間位移角

4.3.2 加強(qiáng)層伸臂桁架及腰桁架的性能評估

計(jì)算結(jié)果顯示,采用消能減震結(jié)構(gòu)方案時(shí),腰桁架及伸臂桁架在時(shí)程波作用下,均處于無損傷～輕微損傷狀態(tài),與BRB連接部位的墻柱,基本處于輕微損傷狀態(tài),見圖9,說明在大震作用下伸臂桁架和腰桁架基本完好。采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案時(shí),部分核心筒墻體及框架柱出現(xiàn)輕度損壞,甚至重度損壞,在大震作用下部分關(guān)鍵構(gòu)件出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的破壞,見圖10,說明在罕遇地震作用下BRB有效消耗了能量,可以保護(hù)關(guān)鍵構(gòu)件處于正常工作狀態(tài)。采用消能減震技術(shù)的結(jié)構(gòu)方案可滿足預(yù)設(shè)的性能目標(biāo)要求。

圖9 加強(qiáng)層性能評估(消能減震方案)

圖10 加強(qiáng)層性能評估(傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案)

4.3.3 耗能能力

為驗(yàn)證BRB在大震作用下的耗能能力,采用能量圖的方式表達(dá)消能減震結(jié)構(gòu)的能耗比[8]。由分析得到的地震波TH093TG065的耗能情況見圖11。

圖11 地震波TH093TG065耗能

根據(jù)SAUSAGE計(jì)算結(jié)果可知,結(jié)構(gòu)彈塑性阻尼比3.7%,位移型阻尼器阻尼比0.7%,總等效阻尼比8.4%。消能減震結(jié)構(gòu)體系耗能可以達(dá)到4 000 000kN·mm左右,占結(jié)構(gòu)總能量的8%左右。說明消能減震結(jié)構(gòu)降低了主體結(jié)構(gòu)的地震作用,有效保護(hù)了主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件,提高了結(jié)構(gòu)抗震性能。

4.3.4 滯回曲線

大震作用下,BRB的滯回曲線如圖12所示,可見BRB的滯回曲線較為飽滿,在大震作用下可有效發(fā)揮作用。

圖12 BRB滯回曲線

5 結(jié)論

(1)在方案設(shè)計(jì)階段,需要考慮各專業(yè)的使用功能要求,重視結(jié)構(gòu)方案的合理選擇,有助于提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

(2)在超高層框架-核心筒結(jié)構(gòu)中,一般需要設(shè)置伸臂桁架或腰桁架,提高整體結(jié)構(gòu)的抗彎剛度。伸臂桁架或腰桁架的布置位置需通過對比分析的方式,根據(jù)工程的實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置,使伸臂桁架及腰桁架更有效率。

(3)針對高烈度地區(qū)超高層建筑自重大,剛度大,地震作用反應(yīng)大的特點(diǎn),經(jīng)過對比分析研究,在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中采用消能減震技術(shù)是一種有效的抗震設(shè)計(jì)思路,應(yīng)該廣泛運(yùn)用。

(4)本項(xiàng)目中采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)+消能減震結(jié)構(gòu)體系,通過調(diào)整BRB的剛度來調(diào)節(jié)整體結(jié)構(gòu)剛度,在解決加強(qiáng)層構(gòu)件穩(wěn)定的基礎(chǔ)上,使整體結(jié)構(gòu)剛度更加均勻,驗(yàn)證了BRB在大震作用下作為耗能構(gòu)件可以有效發(fā)揮作用。

(5)通過對型鋼混凝土柱+鋼梁+混凝土核心筒+伸臂桁架+消能減震結(jié)構(gòu)(防屈曲約束支撐)結(jié)構(gòu)體系的大震彈塑性時(shí)程分析,可得出在大震作用下消能減震結(jié)構(gòu)降低了地震作用,有效保護(hù)了主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件,提高了結(jié)構(gòu)抗震性能。