某双筒式高层框剪结构设计与分析.pdf

———文章编号：１００９４５３９（２０１８）０６００２６０４・设计咨询・某双筒式高层框剪结构设计与分析刘丰（中铁第四勘察设计院集团有限公司武汉４３００６３）摘要：结合南京灵山地铁控制中心特殊的建筑方案和工艺要求，采用一种双筒式高层框剪结构体系。采用空间有限元软件ＳＡＴＷＥ和ＭＩＤＡＳ对该结构进行静动力对比分析，同时采用弹性时程分析进行补充计算。通过计算分析，优化了剪力墙布置，并对主体结构构件设计进行指导。结果表明：该体系可有效控制此类高层建筑易扭特性，具有较好的抗震性能，同时满足大空间的使用要求。研究结论可供类似高层结构设计参考。关键词：地铁控制中心双筒式框剪结构弹性时程分析扭转中图分类号：ＴＵ９７３＋．１６文献标识码：ＡＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００９．４５３９．２０１８．０６．００７ＤｅｓｉｇｎａｎｄＡｎａｌｙｓｉｓｏｆａＨｉｇｈ・ｒｉｓｅＦｒａｍｅ－ｓｈｅａｒＷａｌｌＳｔｒｕｃｔｕｒｅｗｉｔｈＴｗｏＴｕｂｅｓＬｉｕＦｅｎｇ（ＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙＳｉｙｕａｎＳｕｒｖｅｙａｎｄＤｅｓｉｇｎＧｒｏｕｐＣｏ．Ｌｔｄ．，ＷｕｈａｎＨｕｂｅｉ４３００６３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＮａｎｊｉｎｇＬｉｎｇｓｈａｎｓｕｂｗａｙｃｏｎｔｒｏｌｃｅｎｔｅｒｉｓａ—ｈｉｇｈｒｉｓｅ—ｆｒａｍｅｓｈｅａｒｗａｌｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗｉｔｈｔｗｏｔｕｂｅｓａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｓｐｅｃｉａｌｂｕｉｌｄｉｎｇｆｕｎｃｔｉｏｎｓａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．Ｓｔａｔｉｃａｎｄｄｙｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｍａｉｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｂｙｔｗｏｋｉｎｄｓｏｆｓｐａｃｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｏｆｔｗａｒｅｓ，ｎａｍｅｌｙ，ＳＡＴＷＥａｎｄＭＩＤＡＳ．Ａｓａｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔｔｏｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ，ｔｈｅｔｉｍｅｈｉｓｔｏｒｙａｎａｌｙｓｉｓｈａｓｂｅｅｎｕｓｅｄｆｏｒｔｈｉｓｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓａｒｅｕｓｅｄｔｏｏｐｔｉｍｉｚｅｔｈｅｌａｙｏｕｔｏｆｓｈｅａｒｗａｌｌｓａｎｄｇｕｉｄｅｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｍａｉｎｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｉｔｃａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｔｏｒｓｉｏｎａｌｅｆｆｅｃｔＯｆｆｔｈｅｈｉｇｈ・ｒｉｓｅｂｕｉｌｄｉｎｇ．Ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｈａｓｇｏｏｄｓｅｉｓｍｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｅａｒｌｍｅｅｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｌａｒｇｅｓｐａｃｅ．Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｃｏｎｃｅｐｔｏｆｔｈｉｓｂｕｉｌｄｉｎｇｈａｓａｇｏｏｄｒｅｆｅｒｅｎｃｅｖａｌｕｅｆｏｒｓｉｍｉｌａｒｐｒｏｊｅｃｔｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｕｂｗａｙｃｏｎｔｒｏｌｃｅｎｔｅｒ；ｆｒａｍｅ－ｓｈｅａｒｗａｌｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗｉｔｈｔｗｏｔｕｂｅｓ；ｅｌａｓｔｉｃｔｉｍｅｈｉｓｔｏｒｙａｎａｌｙｓｉｓ；ｔｏｒｓｉｏｎａｌｅｆｆｅｃｔ１引言地铁控制中心有着工艺布局复杂、建筑限制多、结构安全度高等特点¨。Ｊ。灵山地铁控制中心为南京轨道交通网络规划的４个控制中心之一，集中设置４、７、８、１３、１４、ｓ５、Ｓ６及预留１条线共８条线路控制中心以及协调应急处理中心。控制中心对上述８条线路的信号、通信、综合监控、ＦＡＳ、自动售检票、乘客信息等系统的各种信息进行监控、管理。紧急状态下负责对地铁内各种人员、设备进行应急调度指挥。针对该高层建筑中部大空间和工艺功——收稿１５１期：２０１７０４一０１；修回日期：２０１８０ｌ一２４基金项目：中铁第四勘察设计院集团有限公司科技研究开发计划项目（２叭４Ｉ（５５）作者简介：刘丰（１９８８一），男，工程师，主要从事隧道结构工程方面的工作。能灵活布局的要求，结合建筑两侧竖向通道布置，采用了双筒式高层框剪结构体系。通过对结构进行计算分析，优化了结构方案。２工程概况该工程位于南京仙林副城区南部灵山组团核心区，地铁４号线与８号线换乘车站灵山车站的东南侧。总建筑面积约５．８５万ｍ２，主体建筑２２层，建筑高度９９．６７—ｉｎ。１９层为各类设备用房，１０层为档案库，１１～２１层为工区及运营管理用房，２２层为多功能厅。建筑效果图见图１。图１建筑效果图铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１８（０６１万方数据・设计咨询・该工程设计使用年限５０年，耐久性符合１００年的要求。安全等级一级，结构重要性系数取１．１。抗震设防烈度为７度，设计地震基本加速度０．１０ｇ，设Ⅱ计地震分组为第一组，建筑场地类别为类，特征周期为０．３５ｓ，抗震设防类别为重点设防类（乙类）。根据《南京地铁４号线一期工程灵山控制中心工程场地设计动参数补充计算报告》，本工程超越概率６３％时的水平地震影响系数最大值理一＝０．１０５。基本风压取０．４０ｋＮ／ｍ２（承载力设计时，按基本风压的１．１倍采用），地面粗糙度Ｂ类。基本雪压取０．６５ｋＮ／ｍ２。基础形式为桩筏基础，地基基础设计等级为甲级。３结构设计３．１结构设计参数地铁控制中心具有地铁行车调度、监控、管理及应急指挥等功能，属于重要的城市生命线工程，需相应提高其设计标准。参考《工程结构可靠性设计统一标准》（ＧＢ—∞５０１５３２００８）ｏ３．３．２条，本工程设计使用年限取５０年，耐久性提高为１００年。本工程结构设计完成后，根据２０１４年修订实施的《地铁设计规范》（ＧＢ—５０１５７２０１３）＂１１．０．１２条及条文说明，明确地铁运营控制中心设计使用年限应采用１００年，故建议今后此类建筑均应按１００年进行结构设计。３．２方案比较本工程建筑高度９９．６７ｍ，位于７度区，属于Ａ级高度高层建筑。建筑平面较规则，纵向长５９．７ｍ，横向宽２１．６ｍ，结构高宽比约４．６，长宽比约２．８，标准层结构布置见图２（单位以ｍｍ计）。参考相关工程经验旧一０。，可采用钢筋混凝土框架一剪力墙或框架一双核心筒结构（见图３，单位以ｍｍ计）。根据建筑使用功能，２层５轴～８轴交Ｋ轴～Ｍ轴楼板需全开大洞，形成门厅高大空间。预留３层ＴＣＣ指挥调度大厅、１０层大档案库、２２层多功能厅等，楼层根据使用功能要求均需在上述范围形成大空间，故６轴交Ｌ轴、７轴交Ｌ轴无法设立竖向受力构件。图２地铁控制中心标准层结构布置（框剪方案）图３地铁控制中心标准层结构布置（框筒方案）对两方案进行初步计算发现，由于双筒间水平方向的联系较弱，外围框架柱与核心筒无法有效协同工作，导致４层～１３层Ｍ轴框架柱变形过大，层间位移角最小仅为１／６４６，小于规范要求的１／８００。同时，框筒结构在地震作用下扭转效应明显，第一平动周期为３．４４ｓ，较框剪结构第一平动周期２．６３ｓ增大３１％，且第二振型是以扭转为主的振型，结构两方向刚度差异较大。综上所述，采用框筒结构方案容易削弱整体结构安全度，难以获得较好抗震性能。结合建筑两侧电梯及楼梯等竖向通道布置，在建筑长向两端呈筒式对称布置剪力墙，形成双筒式框剪结构，既加大结构水平方向抗震承载能力，又可增强结构抗扭刚度，较好地控制此类高层结构的易扭特性。３．３构件设计根据建筑方案，本工程纵向柱距主要为８．１ｍ、８．７ｍ，横向柱距主要为７．４１ＴＩ、７．６ｍ、６．６ｍ。通过试算和优化，各结构构件主要设计情况如下：（１）柱墙设计由于建筑较高，墙柱截面均采用分段设计。１一１２层框架柱截面主要为ｌ３００Ｘ１３００、１１００Ｘ１１００、１０００×１０００；１３～２２层框架柱截面主要为１１００×１１００、９００Ｘ１１００、７００Ｘ７００。本工程多为各类设备工艺用房和档案库等较重房间，再叠加中间抽柱影响，若采取常规钢筋混凝土构件设计，门厅处底部柱将由１３００Ｘ１３００变为１３００×１７５０或１５００Ｘ１５００，截面过大影响建筑空间和使用效果。①通过采取以下措施较好地解决这一问题：１～５层６轴一７轴交Ｋ轴框架柱采用十字形钢骨混凝土②柱，有效提高框架柱承载能力；ｌ～１２层底部框架柱沿柱全高均采用１２＠１００ｍｍ井字复合箍，增加③框柱轴压比限值；提高底部框架柱混凝土材料等级。１～３层为底部加强区，剪力墙厚度均取４００ｍｍ；—４７层最外侧周边剪力墙厚度取３５０ｍｍ，中间剪力铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１８（０６Ｊ２７一一一一７一岔丑斟剽可烈丝⑩①⑩①一一一一１，一种过斟过斟丑丝◇⑩①＠万方数据・设计咨询・墙厚度取３００ｉｎｍ；８～１１层剪力墙厚度均取３００ｍｍ；—１２２０层最外侧周边剪力墙厚度取２５０ｍｍ，中间剪力墙厚度取２００—ｍｍ；２１２２层剪力墙厚度均取２００ｍｍ。在保证剪力墙呈筒式布置的前提下，通过有针对性调节不同楼层、不同部位墙体厚度，达到优化楼层刚度、提高结构整体安全度的作用。（２）梁板设计ｌ～１２层框架梁主要截面为４００×７５０、４５０Ｘ８００、７００×１２００；１３～２２层框架梁截面主要为３５０Ｘ７５０、４５０×８００、６００Ｘ１１００。为增强框架柱与中间双筒式剪力墙的连接，提高结构横向整体刚度，横向框架梁沿建筑通高均采用了较大截面，对应连接处也增设了边缘构件进行加强。楼板结合建筑分隔一般按单向板、采用分离式配筋进行设计，板短边跨度不大于３．０ｍ，板厚取１１０ｍｍ。２层门厅洞口处，建筑有效楼板宽度９０５０ｍｍ，仅为楼板典型宽度的４０％。采用有限元软件进行楼板应力补充分析，在多遇地震作用下计算得出的楼板应力云图见图４。由图４可以看出，竖向构件和框架梁处的附近楼板主要出现拉应力，连续板块的中部主要出现压应力，在楼电梯洞口处应力明显集中。多遇地震作用下楼板拉应力大多小于２．３９ＭＰａ（ＣＡＯ混凝土轴心抗拉强度标准值）。故２层楼板均加厚至１２０ｍｍ，门厅及楼电梯洞口附近全部采用双层双向配筋，且每层单向配筋率不小于０．４％。图４多遇地震作用下２层楼板应力（单位：ＭＰａ）混凝土等级：采用高强度混凝土，剪力墙、框架—柱分段设计，１～１３层为Ｃ５５，１４１７层为Ｃ５０，１８～２２层为Ｃ４５，梁板均为Ｃ４０。４结构计算分析４．１常规计算—主体结构采用空间有限元软件ＳＡＴＷＥ和ＭＩＤＡＳ进行了静力计算和模态分析，具体对比分析结果及与规范限值比较情况见表１（位移以ｍｍ计）。２８钐｝道建麓技术表１整体结构主要计算结果计算内容ＳＡＴＷＥＭＩＤＡＳ规范限值最大弹性层间位移角１／９２９ｌ／ｌ０８５≤ｌ／８００最大位移／层平均位移１．１１１．０４≤≤宜１．２，应１．４最大层间位移／平均层间位移１．１１１．０５≤≤宜１．２，应１．４侧向刚度比１．３２１．３４≥１．０最小楼层剪重比２．０６２．０６１．６整体稳定验算（刚重比）４．５９４．４７＞１．４本层与上层抗剪承载力比值Ｏ．８２Ｏ．８１宜＞／８０％由表１可知：２种软件分析结果较为接近，且最大层间位移及位移比、侧向刚度比、剪重比、刚重比、抗剪承载力比值等均满足规范要求。表２自振周期及振型周期ＳＡＴＷＥＭＩＤＡＳ振型周期比（ｒ。／Ｔ１）五２．６３２．６７Ｙ平动疋２．４９２．５４ｘ平动ⅣＳＡＴＥ：０．８６Ｍｉｄａｓ：０．８４乃２．２５２．２５扭转结构各阶振型与周期见表２，前３阶振型模态见图５。结果表明，第一、二振型是以平动为主的振型，第三振型以扭转为主。结构扭转为主的第一自振周期ｆ与平动为主的第一自振周期丁。之比均小于０．９０，满足规范要求。振型２振型３图５结构振型４．２弹性时程分析本工程参照《高层建筑混凝土结构技术规程》（ＪＧＪ—３２０１０）¨¨４．３．４条中规定：结构属于７度设防地区的乙类建筑且房屋高度接近１００ｍ，可采用弹性时程分析法进行多遇地震作用下的补充计算。采用Ｍｉｄａｓ对主体结构进行弹陛时程分析，根据高规４．３．５要求选用了５条实测波（ＴＨ４ＴＧ０４０、ＴＨ３ｑＶ，０５５、ＴＨ２＇Ｗ＿，０６５、ＴＨｌＴＧ０７５、ＴＨ２ｑＶ＿，０７５）和２条人工波（ＲＨＩＴＧ０４０和ＲＨｌＴＧ０４５），地震波的持续时间取３０Ｓ，时间间距取０．０２Ｓ。按照安评报告地震动力参数，将地震波进行调幅，调至０．０４２ｇ。七条时程波分析所得楼层最大层问位移角见表３，楼层剪力如图６～图７所示。ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１８ｆＤ６ＪⅫ㈨㈨；０；；．ｏ¨¨¨¨㈨■■■■■■●■●■■■■■■●－万方数据・设计咨询・－、．Ｗ黛ｒｘ．礅、慰鼻、夕’∑强ｘ匈哝曳ｌ（一登÷Ⅶ、礤｝，鼍ｆ飞芯心基＼＼飞斑ｆ、、＼至融、疆醒４】图６Ｘ向各反应谱楼层剪力曲线’－－－．■１蛏［、、量蕊、ａ湖ｋ夕、ｆ澍扣／－≮橘＜＿胬恐，Ｎｊ斌厂吣蕊嫩．＼、、，？冀坤ｆ、、心㈣、Ｉ譬ｌ弦】ＴＲＢｌＴＲＢ２ＴＲＢ３１ＲＢ４ＴＲＢ５ＲＧＢｌＲＧＢ２平均值ＣＱＣ＼作用方莳＼ＴＲＢｌＴＲＢ２ＴＲＢ３ＴＲＢ４ＴＲＢ５ＲＧＢｌＲＧＢ２ｘ向１／１６６０１／２３１５１／１４４１１／１５７８１／１６３６１／１９５６１／１６７９ｙ向１／１４４０ｌ／ｌ９蛇１／１１１４１／１３４５１／１４３９１／１３２２１／１５３５５结束语（１）对于地铁控制中心类建筑建议均应按１００年进行结构设计。（２）通过两种有限元软件对比分析结果表明：该双筒式高层框剪结构位移比、周期比、剪重比、刚重比等均满足规范要求，结构布置合理，具有较好的抗震性能。（３）该双筒式高层框剪结构可满足此类建筑中部大空间和工艺功能灵活布局的使用要求，具有较好的适用性，是比较合理可行的结构体系。（４）根据包络计算结果，对１９～２２楼层剪力进行相应的放大处理。对于此类重要建筑，宜采用弹性时程分析进行补充设计。参考文献［１］林志强．厦门交通枢纽控制中心大楼结构设计［Ｊ］．—福建建筑，２０１０（９）：３０３２．［２］彭扬．昆明市地铁线网控中心结构设计［Ｊ］．科技创—业，２０１２（６）：１８２１８３．［３］张敏，苗平洲．苏州轨道交通控制中心结构设计［Ｊ］．—建筑结构，２０１３（ｓ１）：４８５１．［４］李宝雄，张雪涛，谷宇春．某城市轨道交通运营控制中—心结构设计［Ｊ］．山西建筑，２０１５（１８）：３７３８．［５］赵伟，田予东，戴玉买，等．某地铁控制中心复杂高层建筑结构设计［Ｊ］．建筑工程技术与设计，２０１５（３）：—３７２３７３．［６］中华人民共和国住房和城乡建设部．工程结构可靠性设计统一标准：ＧＢ—５０１５３２００８［ｓ］．北京：中国建筑工业出版社，２００８．［７］中华人民共和国住房和城乡建设部．地铁设计规范：ＧＢ—５０１５７２０１３［ｓ］．北京：中国建筑工业出版社，２０１４．［８］徐秀良带转换层框剪结构施工顺序对结构受力影响—的计算研究［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１３（４）：６４６７，７２．［９］宋怀金．超高层大偏心框架一核心筒结构抗震性能分—析［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１５（１１）：１０６１１０．［１０］林晓娜．成都某广场办公楼结构设计［Ｊ］．铁道建筑—技术，２０１６（２）：１０３１０６，１１３．［１１］中华人民共和国住房和城乡建设部．高层建筑混凝土结构技术规程：ＪＧＪ—３２０１０［ｓ］．北京：中国建筑工业出版社，２０１０．［１２］中华人民共和国住房和城乡建设部．建筑抗震设计规范：ＧＢ５００１ｌ一２０１０［ｓ］．北京：中国建筑工业出版社，２０１０．２０Ｔ８ｆ０６Ｊ２９万方数据