成都某广场办公楼结构设计.pdf

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·房建工程· 收稿日期:2015 11 08 成都某广场办公楼结构设计 林晓娜 (奥雅纳工程咨询〈上海〉有限公司北京分公司 北京 100020) 摘 要 成都某广场办公楼高139.37 m,采用框架-剪力墙结构体系。为满足建筑功能的要求,在裙房范围内多处设有 穿层柱,在裙房以上楼层设置空中花园,导致外框架无法连续拉通。采用性能化的设计方法,且进行了线弹性分析、非线 性分析,针对分析结果,结合概念设计,采取一系列抗震加强措施,能够满足规范要求和性能化设计目标。 关键词 高层建筑 抗震性能化设计 穿层柱 中图分类号 TU973 文献标识码 A 文章编号 1009 4539 (2016)02 0103 04 Structural Design on a Plaza Office Tower in Chengdu Lin Xiaona (Beijing Branch Company,Arup International Consultants 〈Shanghai〉Co.Ltd.,Beijing 100020,China) Abstract The structural height of a office tower in Chengdu Union Sun is 139.37 m with system of frameshear wall. There are some twostoreyheight columns in podium and some layer above podium which cause some edge beams unable to be connected to satisfy architecture requirement.In design progress,we adopt the antiseismic performance design method and do some linear elastic analysis and nonlinear analysis.According to the analysis result and conceptual design,a series of reinforce measures are used to meet the code and performance goals. Key words highrise building;antiseismic performance design;twostoreyheight column 1 工程概况 成都某广场为集办公楼、酒店、住宅为一体的 商业住宅混合开发项目,总建筑面积(地上) 324 669 m2,容积率为8.0。项目包括两幢超高层办 公楼,三幢超高层住宅楼,一幢超高层酒店,以及六 层裙房商场及五层深的地下室。由于裙房平面形 状复杂,塔楼均位于裙楼周边,结构受力相对复杂, 结合建筑要求,从首层以上利用抗震缝将塔楼和裙 房分开,地下室和基础不设缝。 办公楼平面呈弧形,主屋面高度139.37 m,塔 楼地面以上29 层,地面以下5 层,其中1 至7 层为 商业裙房,第8 层及以上为办公楼,典型层高为 455 m,结构体系为框架-剪力墙结构。 工程抗震设防烈度7 度,设计基本地震加速度 为0.10 g,地震分组为第三组,根据地勘报告场地类 别为II 类,场地特征周期0.45 s,多遇地震下水平影 响系数最大值为0.08,基本风压0.30 kN /m2。结构 设计使用年限为50 年,设计基准周期为50 年,安全 等级为二级,抗震设防分类为丙类。 2 结构体系 2.1 结构基础 拟建场地主要为城市旧建筑拆迁地和空地。 根据地勘报告,场地土为中硬土,场地类别属于II 类。本工程地下室埋深在-28 m 左右,拟建建筑物 基底的持力层是中风化泥岩,为比较均匀的地基, 地基承载力特征值约1 000 kPa,压缩性低,为良好 的基础持力层。由于本工程属均匀地基且地基持 力层沉降量很小甚至可不考虑,未对拟建筑沉降和 倾斜进行计算。 办公楼高度139.37 m,据初步估算,基底平均 压力最大约为600 kPa,小于中风化泥岩的地基承载 铁道建筑技术 RAILWAY CONSTRUCTION TECHNOLOGY 2016(02) 103 ·房建工程· 力特征值,拟采用整体筏板基础,筏板厚度约 2.8 m。中风化泥岩持力层在开挖后应立即用垫层 封闭,避免遇暴晒或浸泡后崩解、软化。 2.2 抗侧力体系 办公楼典型层平面长度和宽度分别为65 m 和 44.4 m,高宽比和长宽比分别为3.1 和1.46,平面 布置见图1;结构高度为139.25 m,属于B 级高度; 采用框架-剪力墙体系,剪力墙从承台面延伸至酒 店顶层,外框架在典型层由间距7 ~11 m 的矩形混 凝土柱和周边混凝土梁组成,作为整个结构体系的 第二道抗震防线,提高了整体结构安全性。 图1 办公楼典型层结构平面布置 (1)周边的梁柱框架体系,Y 向刚度较大,在大 多数楼层承担约46%的楼层剪力,而X 向刚度较 小,在大多数楼层承担约35%的楼层剪力。外框架 柱在7 层以下为1 650 mm ×1 650 mm(由轴压比控 制),7 ~19 层为1 350 mm ×1 350 mm,19 层以上缩 小到1 000 mm ×1 000 mm。竖向构件的混凝土等 级在11 层以下为C60,12 ~23 层为C50,23 层以上 为C40;水平构件均为C30。 (2)在办公楼中部楼梯、电梯周边设置剪力墙。 核心筒和外框的间距较大约13 m,而核心筒Y 向长度 约17 m,由于X 向刚度偏小,故在底部外侧X 向墙体厚 度略大于Y 向墙体厚度,厚度从700 mm 过渡到400 mm; 内部的剪力墙厚度一般在350 mm 或300 mm 左右。 (3)为满足建筑的使用功能,在裙房层对部分 楼板进行开洞,开洞面积均小于该层楼板面积的 30%,产生部分穿层柱。在裙房以上塔楼与局部楼 层存在2 层高的空中露台,为实现建筑效果该处部 分框架梁在空中露台上层处不能连通,导致局部出 现穿层柱,外框架梁无法拉通。在配筋计算时对穿 层柱进行构造加强,见图2 和图3。 图2 L2 层结构平面图 图3 办公楼剖面图 (4)嵌固端的选取。本工程塔楼地下室与裙房 地下室连接在一起,首层结构采用梁板体系,地下 室顶板取200 mm 厚,办公楼北侧有坡道(见图 4)。由于坡道坡度较小(1∶10),采取如下措施,以 保证坡道内塔楼L1 层水平力可有效传至外围 土体: ①坡道板加厚至250 mm,双层双向配筋; ②坡道板下方垂直坡道方向设梁,通过该梁 (定义该梁为B22)将水平力传至外围土体; ③加强与B22相连的柱子,以保证其能支撑 并有效传递水平力。 采取加强措施后,可认为地下室顶板已满足首 层嵌固的构造要求。 图4 首层局部结构平面布置图 3 情况总结及抗震性能目标 3.1 主要超限情况 依据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技 术要点》,主要的超限情况为: (1)办公楼结构高度为139.37 m,属于B 级 高度。 (2)扭转不规则,局部楼层的最大扭转位移比 为1.31,该值大于1.2 小于1.4。 (3)裙房层以及裙房以上个别楼层存在穿 层柱。 104 铁道建筑技术 RAILWAY CONSTRUCTION TECHNOLOGY 2016(02) ·房建工程· 3.2 抗震性能要求 根据结构构件的重要性和建筑使用功能,并考 虑经济因素,参照《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3 -2010),结合概念设计中“强柱弱梁”、“强 剪弱弯”、“强节点弱构件”和外框架“二道防线”的 基本理念,制定本工程的抗震性能目标,性能目标 定位D 级,见表1。 表1 办公楼抗震性能目标 抗震烈度多遇地震设防烈度地震罕遇地震 性能目标1 4 5 层间位移角限值1 /800 1 /110 竖向 构件 墙肢弹性 加强区部位: 抗弯不屈服抗 剪:中震弹性 允许比较多的竖向 构件进入屈服,满 足抗剪截面条件 框架柱弹性 加强区部位: 抗弯不屈服抗 剪:中震弹性 允许比较多的竖向 构件进入屈服,满 足抗剪截面条件 耗能 构件 连梁弹性进入塑性 允许部分构件发 生比较严重破坏 框架梁弹性进入塑性 允许部分构件发 生比较严重破坏 其它结 构构件 弹性进入塑性 允许部分构件发 生比较严重破坏 节点不先于构件破坏 混凝土构件在最不利工况下不出现截面剪切破坏 4 计算分析 4.1 地震作用设计参数(见表2) 4.2 弹性计算分析 采用PKPM和ETABS 两种软件对酒店塔楼进 行计算分析,结果表明两种软件的计算结果基本一 致,结构的周期比、位移角等指标均可满足规范要 求,分析结果见表3。 表2 地震作用设计参数kN 场地类别Ⅱ类(第三组) 抗震设防烈度7.0 度 设计基本地震加速度值0.10 g 周期折减系数 多遇地震:0.8;设防地震:1.0;罕遇 地震:1.0 水平影响系数最大值 多遇地震:0.08;设防地震:0.23;罕 遇地震:0.50 特征周期0.45 s(0.5 s) 阻尼比 多遇地震、设防地震:0.05;罕遇地 震:0.07;风振舒适度:0.02 连梁刚度折减系数 多遇地震:0.6;设防地震:0.4;罕遇 地震:0.3 注:罕遇地震特征周期增加0.05 s 表3 结构主要计算结果 计算程序PKPM ETABS 比值 (ETABS / PKPM) 计算振型数18 18 第1 平动周期(X 向)/s 4.0197 4.179 1.040 第2 平动周期(Y 向)/s 3.509 3.612 1.029 第1 扭转周期(Z 向)/s 3.3398 3.450 1.033 第1 扭转周期/第1 平动周期0.831 0.826 有效质量系数/% X 95.13 94.73 Y 94.15 94.55 风荷载下底部 剪力/kN X 5 418 4 869 0.90 Y 7 056 6 419 0.91 小震下底部剪力/kN X 15 937 15 577 0.98 Y 17 836 17 192 0.96 风荷载下底部 倾覆弯矩/kN·m X 473 858 435 041 0.92 Y 619 167 575 779 0.93 小震下底部倾覆 弯矩/kN·m X 1 396 749 1 360 519 0.97 Y 1 460 920 1 429 469 0.98 风荷载下最大 层间位移角 X 1 /3 844 1 /3 636 1.06 Y 1 /3 494 1 /3 448 1.01 小震下最大 层间位移角 X 1 /897 1 /835 1.07 Y 1 /1 206 1 /1 209 0.998 4.3 弹性时程分析 采用PKPM进行弹性时程分析。根据地震主要 设计参数选用1 条人工波(RH1TG045)和2 条天然波 (S033、S052),按双向地震计算,主方向加速度幅值为 35 cm/s2,主次方向地震加速度峰值比为1∶0.85。 经复核,每条时程曲线计算所得的结构底部剪 力均大于振型分解反应谱法求得的底部剪力的 65%,三条时程曲线计算所得的结构底部剪力的平 均值不小于振型分解反应谱法求得的底部剪力的 80%,选择的波满足规范的规定,计算结果见表4。 表4 小震时程与反应谱基底剪力比较kN X 向Y向 剪重比 调整前 剪重比 调整后 剪重比 调整前 剪重比 调整后 规范反应谱 基底剪力15 937 与反应谱比值100% 人工波 RH1TG045 基底剪力15 809 与反应谱比值99% 天然波S033 基底剪力14 128 与反应谱比值89% 天然波S052 基底剪力16 324 与反应谱比值102% 17 243 17 836 100% 14 677 82% 17 893 100% 14 951 84% 18 853 时程波 平均值 基底剪力15 420 15 840 与反应谱比值97% 89% 铁道建筑技术 RAILWAY CONSTRUCTION TECHNOLOGY 2016(02) 105 ·房建工程· 按规范要求对反应谱及各条时程波均按照最小剪 重比要求进行调整,调整后的层间位移角小于1 /800, 满足规范规定。本工程按地震作用效应取时程法计算 结果的包络值与振型分解反应谱法计算结构的最大 值,即将3 条地震波的楼层剪力与规范反应谱的楼层剪 力(剪重比调整后)进行比较,取包络值进行构件设计。 4.4 动力弹塑性分析 为考察办公楼在罕遇地震下的结构抗震性能, 评估办公楼在最大层间位移角时刻的损伤情况,并 找出结构的薄弱部位,采用EPDA 软件进行大震下 的结构弹塑性动力时程分析,采用三组地震波文件 (1 条人工波和2 条天然波),阻尼比为0.05。 通过计算,结论如下: (1)最大层间位移角均小于1 /110,满足大震不 倒;层间位移角在塔楼部分无较大的突变,说明塔 楼刚度均匀,无明显薄弱层; (2)从损伤结果看,耗能构件(连梁及框架梁) 大部分严重破坏,剪力墙部分(1 /3 左右)产生裂缝, 损伤主要集中在底部加强区范围,以水平裂缝为 主,且框架柱无塑性铰出现;上述结果是符合性能 目标5 的性能状况的; (3)当前最大的弹塑性变形约为4 倍弹性位移 限值,说明较大震不倒的性能目标尚有一定的安全 储备。故,罕遇地震作用下,结构整体及各构件的 抗震性能满足表1 的性能目标。 4.5 穿层柱与该层短柱的验算 如前述,由于建筑功能需求,办公楼存在少量穿层 柱,主要分布在L1 层、L3 层、L12 层、L18 层、L24 层。 为保证穿层柱的承载力,对穿层柱做了加强。具体计 算方法为,偏于安全的取穿层柱所在楼层的相邻构件 的剪力,再乘以1 倍层高(假设穿层柱的反弯点在中 点)计算出的弯矩来复核穿层柱的承载力最大值是否 满足要求。对于该层的其他短柱,复核配筋面积,保证 该层的其他短柱可以承担本层的全部地震剪力。 4.6 中震拉应力复核 由于结构高宽比较大,为保证主要构件不发生 全截面受拉的脆性破坏,需考察主要竖向构件的应 力水平,控制中震下拉应力不超过2 倍ftk。 由图5 可知,中震下柱拉应力均小于1 倍ft k;除 个别墙肢外,墙肢的拉应力也小于1 倍ft k。 对于拉应力超过混凝土抗拉强度标准值的墙 肢,可设置钢骨,由钢骨来承担拉力。 图5 中震下墙、柱拉应力 4.7 抗震缝宽度校核 建筑抗震设计应注意防止相邻结构或同一建 筑不同结构单元在地震中碰撞破坏。根据《建筑抗 震设计规范》6.1.4 条,抗震缝宽度为 Δ =(35 -15)/4 ×20 +100 =200 mm 对于相邻建筑或相邻的结构单元之间的净距 要求,参照欧洲规范Eurocode 8(简称EN 1998)的 相关规范规定:当结构两侧结构属性不同时,净距 不应该小于可能碰撞处的最大水平位移,当结构两 侧的结构属性相同时,净距不应该小于可能碰撞处 的最大水平位移的SRSS 组合值,此处位移为设计 结构在重现周期475 年,50 年超越概率为10%的地 震下的弹塑性位移。若相邻楼层楼板标高一致则 上述最小宽度应乘以0.7 的折减系数。 在此,更严格考虑50 年超越概率为2% ~3% 的罕遇地震下的弹塑性位移进行校核,见表5。 表5 裙楼高度内结构弹塑性最大位移mm 裙房办公楼办公楼+裙房折减0.7 后设缝宽度 131 150 281 197 200 由表5 可见,即使在罕遇地震情况下,考虑裙房 和塔楼最不利方向的位移最大值也小于原方案抗 震缝设置宽度200 mm,满足设计要求。 5 结论 本文介绍了成都某广场办公楼的结构体系及 超限情况,采用性能化的设计方法,结构小震反应谱 计算采用两种符合实际情况的不同力学模型进行空 间分析,补充弹性时程分析,严格控制位移及层间位 移角,保证结构具有足够的刚度;严格控制周期比 及扭转位移比,保证结构具有足够的抗扭刚度;进行 (下转第113 页) 106 铁道建筑技术 RAILWAY CONSTRUCTION TECHNOLOGY 2016(02) ·管 理· 表3 PPP 项目主要风险分担机制 风险类别分担机制 政治风险 政府信用风险政府承担 政治不可抗力政府承担 法律风险政府承担 项目唯一性以政府承担为主 公众反对政府和项目公司分担 审批延误以政府承担为主 市场风险 市场需求变化项目公司承担 收费收益不足项目公司承担 运营不可抗力以政府承担为主 市场价格波动项目公司承担 建造风险 征地拆迁与补偿以政府承担为主 不当设计项目公司承担 工期延误项目公司承担 质量风险项目公司承担 成本超支政府和项目公司分担 施工不可抗力以政府承担为主 财务风险 通货膨胀项目公司承担 利率浮动项目公司承担 汇率变化政府和项目公司分担 外汇可兑换性以政府承担为主 4 结束语 在PPP 项目的具体运作和实施过程中,要重点 关注可能对项目成败产生影响的主要因素,加强相 关风险管理与防范。同时,项目参与各方要以精诚 合作的态度,建立高效、务实的合作机制,来保证项 目的成功。PPP 项目所谓的成功,是指项目参与各 方在项目的合作上实现了共赢,即一个项目通过应 用PPP 模式运作,对于政府部门而言获得了预期的 且性价比最高的服务,而私营部门则在成功回收投 资的同时还获得了预期的收益。一个成功的PPP 项目,不是靠政府部门的优惠政策和补贴扶持起来 的,也不是单靠私营部门的高效率和精细化管理打 造出来的。从某种程度上来讲,只有项目参与各方 相互融合、相互妥协、加强合作、充分发挥各方优势 才能推动PPP 项目走向成功。 参考文献 [1] 伍迪,王守清.PPP 模式在中国的研究发展与趋势 [J].工程管理学报,2014(6):75 -80. 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陌南尘
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