东海广场塔楼结构静力弹塑性分析

温正慧,周建荣,陈厚飞,周 斌

(1.宏地置业集团有限公司,浙江 温州 325106；2.温州市城市道路建设研究中心,浙江 温州 325000;3.融创集团东南公司, 浙江 温州 325000;4.台州市城乡规划设计研究院,浙江 台州 318000)

1 工程概况

东海广场位于温州市城市中心区西南部,东北靠市府大道,东南为划龙河,西为站东路。主要规划为超高层办公楼、商业楼,地上建筑面积92 482 m2,地下室总建筑面积45 703 m2,建筑立、剖面见图1。

东海广场主塔楼为办公楼,地上主体44层,高度189.75 m,地下室3层,属于B级高度高层建筑。其中13层及28层为避难兼机电设备层,结构在该两层设置加强层。该工程抗震设防烈度为6度,场地类别为Ⅵ类,设计地震分组为第一组,设计基本地震加速度为0.05 g,设计特征周期为0.65 s。建筑结构安全等级为二级,设计使用年限为50年,结构重要性系数为1.0。100年重现期基本风压为0.70 kPa,地面粗糙度为B类,基本雪压为0.35 kPa。该项目地处沿海,常年经受台风,因此风荷载较大。

2 结构体系和超限情况

2.1 结构体系

东海广场主塔楼采用框架核心筒结构体系。为保证地下室顶板的嵌固作用,塔楼地下室顶板厚度均≥200 mm,地下1层的剪切刚度大于地上1层剪切刚度的2倍,满足嵌固条件。

图1 工程立面剖面图

图2为办公区部位的典型楼层,结构平面尺寸为54 m×22.4 m,宽比约为8.5,核心筒平面呈长方形,位置偏左,属核心筒偏置。核心筒混凝土强度等级从低到高为C40～C60,核心筒剪力墙厚度从上到下为400～800 mm。结构外围框架柱均采用SRC截面柱,钢骨的含钢率为4%～5.5%。采用SRC柱是由于其具有较高的承载能力和良好的延性耗能能力,并且也利于建筑防火。28层以上变为普通混凝土柱,并根据建筑内退造型倾斜。塔楼典型框架SRC柱截面尺寸从上到下为φ1 100～φ1 700,SRC柱混凝土强度等级从上到下为C40～C60。

图2 办公区标准层

楼盖体系为常规钢筋混凝土梁板体系。标准层楼板厚度一般为120 mm,在加强层及上下楼层板厚加厚为200 mm及150 mm,同时配筋进行加强。

东海广场属于B级高度的超限高层结构,其Y向面宽较小,高宽比较大(8.5),Y向抗侧向力刚度较X向偏小很多,因此本工程在避难层(13、28层)采用伸臂桁架加强其Y向刚度。伸臂桁架采用Q345B级工字钢,并在混凝土核心筒同桁架相连部位墙体内部设置钢骨柱,其设置情况见图3。型钢混凝土柱截面见图4。

图3 伸臂桁架做法

图4 型钢混凝土柱截面

2.2 结构超限情况

结构高度189.75 m,超过A级高度限值150 m,属于B级高度的超限高层。考虑偶然偏心的扭转位移比超过1.2,但是小于1.4；首层框柱高度10 m,层高为办公区标准层的2.5倍。13层及28层为避难层,同时设置结构加强层。本工程高度未超过200 m,根据《高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ 3—2010)》(以下简称《高规》)第3.11.4条要求，可采用静力弹塑性分析方法(Pushover推覆)进行弹塑性分析来评估结构的抗震性能。

2.3 结构抗震设防性能目标

本工程为B级高度的超高层建筑。为确保安全,对本建筑采用了性能化设计,抗震性能目标设为D级,主要结构构件的性能目标见表1。

表1 抗震设防性能目标D级

3 多遇地震及风荷载作用分析

3.1 弹性静力分析

本工程采用PKPM-SATWE和MIDAS Building软件进行结构整体弹性计算分析,计算结果汇总见表2。

比较两种软件计算结果可知,PKPM-SATWE算得的整体质量及基底剪力比MIDAS Building略偏大,其他指标基本一致。根据《高规》3.7.3要求插值计算得本高层建筑位移角限值为1/645。结构最大层间位移角为Y向风荷载作用下的计算值1/690,满足规范要求。根据以上可知计算结果是可靠和可信的。本工程各项整体指标均满足抗震规范及高层规范的有关要求,墙柱轴压比均控制在0.5以内,构件强度和变形均能满足相关规范要求。

表2 主要分析结果

3.2 多遇地震作用下弹性时程分析

采用2组天然波和1组人工波对结构进行弹性时程分析。在地震波计算下,底部剪力均满足大于CQC法的65%,三组地震波分析所得底部剪力平均值大于CQC法的80%,满足规范要求。抗震设计时宜采用三组时程分析结果的包络值与振型分解反应谱法计算结果的较大值。在结构低区反应谱法结果要大于时程分析法包络值结果,在高区局部楼层,时程分析法的包络值要大于反应谱法结果。

4 结构大震静力弹塑性(Pushover)分析

东海广场高度为189.75 m,根据《高规》 3.11.4条规定,可采用静力弹塑性分析方法对结构进行大震分析。因此本工程采用MIDAS Building通用有限元软件对结构进行Pushover分析。Pushover方法是一种计算非线性地震反应的简化方法,因为简便和易操作被认为是基于性能分析方法的重要工具[1]。该方法基本原理为对结构施加沿高度呈某种分布(均匀分布、倒三角、抛物线)的递增荷载来将结构推覆至位移限值或形成倒塌机制,了解结构的弹塑性性能以及结构薄弱部位,从而对结构的薄弱部分进行评估[2]。本工程高度较高,为考虑超高层结构高阶振型的影响,因此本文采用振型分解法得到的沿楼层分布的层剪力作为侧向加载模式来考虑高阶阵型的影响。

4.1 材料本构关系

梁柱单元的骨架曲线均采用三折线,计算时采用MM相关曲线来模拟梁弯矩弹塑性本构关系,采用PMM相关曲面来模拟柱的三维弹塑性本构关系。剪力墙则采用纤维模型来模拟,墙纤维数量水平和竖向均划分为4个。采用纤维模型可以获得墙体具体部位的变形和受力情况,方便我们判断墙体的破坏程度。混凝土及钢材滞回模型的本构关系按规范取用,见图5、图6。

图5 混凝土单轴受压应力-应变曲线

图6 双折线钢筋本构关系

4.2 静力弹塑性计算结果分析

推覆分析时施加的初始荷载为1.0恒+0.5活。计算分析后根据ATC-40方法确定性能点的位置,性能控制点在一定程度上反映了结构在罕遇地震下的性能特点。在加载过程中,控制屋顶水平位移超过限值时结束推覆分析[3],从而得到X向及Y向的能力谱和需求谱曲线,他们的交点为性能点,见图7、图8。从图中可知X向性能点对应的结构最大层间位移角1/668,顶点位移为163 mm；Y向性能点对应的结构最大层间位移角1/402,顶点位移为356 mm。这是因为结构Y向抗侧刚度要明显弱于X向。在罕遇地震作用下,结构无薄弱层,竖向构件最大层间位移角满足规范1/100的要求且有较大余地。其性能点的计算结果汇总见表3。

表3 性能点处相关指标

图7 X向Pushover分析大震下性能点

图8 Y向Pushover分析大震下性能点

图9 Pushover分析大震下楼层剪力分布

大震弹塑性相关计算结果图形见图7～11。根据计算分析可知,结构在罕遇地震作用下未出现较大不可恢复的变形和破坏,满足“大震不倒”的抗震设计目标。在性能点处,底部加强部位的剪力墙及框架柱均未出现较大的变形和破坏,连梁及框架梁部位有塑性铰出现。上部的塑性变形主要集中在28～32层部位,塑性变形区域不多,且均为梁铰屈服。核心筒底部加强区的剪力墙均未屈服。推覆分析下X向的基底剪力为39 180 kN,为反应谱法的4.20倍；Y向基底剪力为39 930 kN,为基底剪力法的4.37倍。结构两个方向的刚度相差较大,因此两个方向的位移角沿层高的分布曲线也差别较大。由于在13层及28层设置了加强层,因此在加强层部位层间位移角有突变(图10)。一般情况下,性能点处的基底剪力约为反应谱法分析得出的基底剪力的3～5倍。根据以上分析可知，基底剪力计算结果是合理的。该结构塑性变形区域并不多, 而且最大位移角为1/668(X向)和1/402(Y向),同规范的1/100相比留有较大余地。这是由于该建筑核心筒尺寸较大且核心筒剪力墙较厚,整体刚度较大,因此具有较好的抗震性能。

图10 Pushover分析大震下层间位移角分布

图11 Pushover分析大震下框架铰状态

5 结 语

本文对温州东海广场超高层结构在罕遇地震作用下的抗震性能进行了分析研究。由分析可知,在多遇地震作用下,该建筑周期比、侧向刚度、竖向规则性等指标均符合现行规范的要求；经过静力弹塑性分析可知,在罕遇地震作用下,结构Y向较X向薄弱,这是由建筑平面造成的,结构能满足变形要求及重要构件不发生严重损坏的设防要求[4]。剪力墙底部加强部位轴压比较小,只有连梁部位出现了极少部位的塑性变形；整体结构框架部分也只有少量框架梁产生了塑性铰,主要集中在28～32层部位。因此该结构在遭遇罕遇地震作用时,能满足“小震不坏,中震可修,大震不倒”的抗震设防目标,是安全可靠的。