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    部分框支剪力墙高层建筑结构设计.pdf

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    部分框支剪力墙高层建筑结构设计.pdf

    第25卷第4期 2008年12月 华中科技大学学报城市科学版 J.ofHUST.Urban Science Edition Vo1.25 NO.4 Dec.2o08 部分框支剪力墙高层建筑结构设计 张骥,张仲先 华中科技大学a.土木工程与力学学院;b.控制结构湖北省重点实验室,湖北武汉430074 摘要带有转换层的剪力墙结构高层建筑在我国应用较广泛。本文结合某超限高层商住楼的结构设计,探讨 部分框支剪力墙高层结构的分析方法。该工程由一道防震缝分为两个结构单元,东座为长矩形平面,西座平面 严重不对称,两座都附有偏置裙房,结构高宽比很大。介绍了结构总体布局的调整,分析计算模型的建立,设 计软件的力学模型和驾驭手段,针对高宽比过大的特点展开分析并提出应对措施,克服了扭转和转换等困难, 使不规则的复杂高层建筑结构的整体设计满足规范要求,取得良好的效果。 关键词剪力墙;转换层;高宽比;高层建筑结构;抗震设计 中图分类号TU973 .16 文章标识码A 文章编号1672.7037200804.024504 1工程概况 本项目为某住宅小区高层建筑群中的一座商 住综合楼。1,2层用于商业,层高分别为4.2 m, 5.1 m,转换层设在2层顶;3~3O层为住宅,层 高2.9 m;带2层裙房,用于商业;1层地下室, 用于车库、水池和设备间。室外地面至主要屋面 的高度为90.5 m,至局部电梯机房女儿墙顶的高 度为99.2 m。标准层和转换层结构平面分别如图 1和图2所示。 j~ ’ ’ k上 一 图1标准层结构平面 图2转换层结构平面 典型的板式住宅,南北通透,进深小,立面 宽。由于建筑平面狭长,并且西端局部轴线转向, 如图设一道防震缝将建筑物分为东、西两个结构 单元。东座为长矩形平面,西座平面严重不对称, 高宽比都很大。本工程为丙类建筑,抗震设防烈 度为6度,基本地震加速度为0.05g,建筑场地类 别为II类,设计地震分组为第一组,基本风压为 0.35 kN/m ,地面粗糙度为C类。 2结构布置与计算调整 住宅建筑平面形状复杂,高宽比的计算方法 没有明确的标准。如果按所考虑方向的最小投影 宽度计算高宽比【J J,东座达90.29.3--9.7,西座 达87.39.39.4,远远超过了规范限值6L2J。本 工程平面中,局部突出部分占有相当大的面积, 并且其外伸长宽比4.557.2--0.63比较小,如果 按包括突出部分的最大投影宽度计算高宽比,东 座为90.217.25.2,西座为87.317.25.1。 为了得到理想的户型布置,尽量不加大平面 南北向最小宽度,而是通过剪力墙的平面布置来 控制结构的侧向刚度和承载能力,保证稳定,防 止倾覆,并实现良好的技术经济指标。结构布置 中增加Y轴方向剪力墙的数量和长度,南北立面 上局部突出的部分加强了剪力墙布置,尤其注意 保证了足够的Y轴方向落地剪力墙。 弹性计算显示风荷载作用下,东座y向最 大层间位移角为1/1 184,西座为1/1 250多遇 地震作用下东座y向最大层间位移角为112 219, 西座为112 420;东座y向刚重比为3.4,西座为 3.83,均远大于1.4,满足规范的整体稳定要求L2J; 收稿日期2008.04.10 作者简介张骥1978一,男,湖北武汉人,博士研究生,研究方向为高层建筑结构分析与设计, zhangjimails.gucas.ac.ca。 246 华中科技大学学报城市科学版 2008年 剪力墙、框支柱等抗侧力构件配筋量正常,多数 是构造配筋,无异常超限情况;基础底面也未出 现零应力区。 计算中发现,东座由于平面狭长,扭转为主 的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比 偏大。延长周边剪力墙,同时缩短内部剪力墙, 使抗侧力构件的平面布置更加合理有效。调整剪 力墙布置时,同时关注刚心的移动,避免无意问 增大了偏心率而收到降低耦联周期比的效果 I4j。 西座由于严重不对称,楼层扭转位移比很大。 通过调整剪力墙布置,尽可能减小楼层刚度中心 与质量中心之间的偏心。关于多层结构刚心的定 义存在争议 。j,现代空间结构计算方法并不需要 确定刚心的位置,但刚心仍是概念设计的有用工 具。SATWE软件把每一楼层当作单层结构计算 出楼层刚心L8J,PMSAP软件按照某种方式考虑所 计算楼层与整体结构的关系而得出楼层刚心【9】。 参考软件计算的刚心和质心位置,调整平面布置。 东座平面规则,框支柱距比较大,而且由于 商场建筑布局的需要以及保证结构Y向刚度和控 制落地墙间距的考虑,Y向落地剪力墙较多,x 向落地墙较少,使得X向转换层附近竖向刚度突 变比较明显。框支框架截面和落地墙厚已无法加 大,主要通过适当缩短上部住宅剪力墙,加宽洞 口,并利用裙房的侧向刚度,使转换层上、下结 构等效侧向刚度比满足规范要求。 3分析模型与设计计算 本工程为带转换层的复杂高层建筑结构,设 计时采用SATWE和PMSAP两种不同力学模型 的三维空间分析软件进行整体计算[mIl1J。 在联肢剪力墙中,连梁是一种对结构整体刚 度很敏感的构件,用壳元建模分析更准确。但是 当连梁跨高比比较大时,对采用单元结点协调的 SATWE会带来与连梁相连处墙肢单元划分困难 的问题。鉴于目前的设计软件不能人工干预单元 的划分,当连梁跨高比不小于5时用杆元建模, 小于5时,用壳元建模。 本工程楼盖整体性较好,无狭长楼板或局部 大洞口,可以采用刚性楼板计算以减少自由度数。 转换层楼板起到传递分配不落地墙水平剪力的作 用,另外在框支剪力墙中需考虑转换梁的轴向拉 力,水平转换和竖向转换都要求考虑楼板平面内 变形,应采用弹性板计算。为了使转换梁转换竖 向荷载的传力路线清楚,不考虑转换层楼板的平 面外刚度,按弹性膜计算,偏于安全。考虑到水 平荷载的转换也不是全部在转换层完成的,其上 相邻的标准层楼板也定义为弹性膜。 裙房屋面与转换层楼面在同一标高,裙房框 架柱的内力也会受到水平荷载转换的影响,故将 裙房屋面板与转换层楼面板一起定义为弹性膜。 但在计算扭转位移比时,为了反映结构的整体扭 转,全楼强制采用刚性楼板假定。 PMSAP中梁、柱不能偏心建模,当转换梁 与其上剪力墙之间存在偏心时,辅助建立若干与 转换梁轴线垂直的分布足够密的小段刚性梁,以 传递剪力墙和转换梁之间的荷载并协调变形,准 确反映框支剪力墙的协同工作。 在结构整体计算中,考虑双向地震作用和偶 然偏心,但二者不叠加。转换层及其附近的弹性 板使整体结构的独立质量总数和固有振型总数大 幅增长,振型复杂。 为了使复杂高层建筑结构的地震反应谱分析 达到足够的精度,保证足够大的各地震作用方向 有效质量系数L1 1 ,在振型分解反应谱计算中取 前30阶振型。 由于在转换层附近采用了弹性板建模,使用 总刚计算方法直接形成结构的总刚度矩阵和总质 量矩阵进行地震反应分析。西座中因轴线转向有 部分斜交构件,增加计算45。和135。方向水平地 震作用。在振型分解反应谱法计算后检查楼层剪 重比,转换层薄弱层处有足够的设计地震剪力。 两种设计软件的各项计算结果比较接近,表 明分析模型和方法合理,计算结果可靠,满足了 规范各项要求。主要计算结果示于表1~表4。 表1东座自振周期计算结果 第4期 张骥等部分框支剪力墙高层建筑结构设计 表3东座主要计算结果 层剪力在转换层附近的突变现象。 注表中最大位移比和最大层间位移比只计塔楼部 分,不含底部裙房和突出屋面的电梯机房。 4弹性时程分析补充计算 用直接动力法与加速度反应谱法的计算结果 作比较,以准确了解复杂高层结构在多遇地震下 的响应。采用SA] wE进行弹性时程分析,选用 场地特征周期为0.35 s,加速度谱和规范设计谱 形状比较匹配的2条天然波MT DIABLO,SAN FERNANDO和1条人工波USER1作为输入,峰 值加速度按照6度多遇地震设防水准调整为18 cms~。由于振型分解反应谱法计算基底剪力时 仅考虑单向地震作用,为了与之比较,在弹性时 程分析中也只输入主分量加速度时程。 东座和西座结构在y向地震波作用下的最大 楼层剪力响应分别示于图3和图4。各条时程曲 线计算所得的结构底部剪力与振型分解反应谱法 求得的底部剪力相比符合规范要求 J。取各条波 反应的平均值作为弹性时程分析的结果,小于加 速度谱法的计算结果。弹性时程分析也反映出楼 图3东座j,向最大楼层剪力曲线 图4西座y向最大楼层剪力曲线 本工程具有高宽比过大,竖向构件不连续和 扭转不规则等特点,为了进一步认识结构在大震 作用下的行为,还进行了弹塑性分析,并提出了 性能评价和抗震构造措施,于另文介绍。 5结语 高层建筑的造型和功能日趋多样化。超限复 杂高层结构设计尤其需要重视抗震概念设计,在 总体布局中融入三水准抗震设防思想,合理建立 分析计算模型,正确运用设计软件,透彻理解规 范条文的含义和背景,在现有认识水平的基础上 设计出安全可靠经济适用的结构。 248 华中科技大学学报城市科学版 2008年 【1】 【2】 【3】 【4】 【5】 [6】 [7】 参考文献 JGJ 3-2002,高层建筑混凝土结构技术规程条文说 明【S】. JGJ 3-2002,高层建筑混凝土结构技术规程[s】. 徐培福,黄吉锋,韦承基.高层建筑结构的扭转反 应控制【J】.土木工程学报,2006,3971-8. 蔡健,潘东辉,黄炎生.高层建筑结构扭转振动 效应控制研究【J】.工程力学,2007,2471 16121. 吴晓云,陈森,魏琏.论地震作用下多层平扭 耦联建筑的刚心【J】_地震工程与工程振动,1988, 843344. Makarios T,Anastassiadis K.Real and Fictitious Elastic Axis of Multi-storey BuildingsTheory[J]. Structural Design ofTall Buildings,1998,715771. Marino E M,Rossi P P.Exact uation of the Location of the Optimum Torsion Axis[J].Structural Design of Tall and Special Buildings,2004,134 277.29o. 李云贵,苑麒.建筑结构的层刚度中心迭代计算 【J】.建筑科学,1998,14552.54. 吴秀水,王翠坤.建筑结构层刚度中心的计算[J】. 建筑科学,1999,1525657. 中国建筑科学研究院PKPM CADI程部.多层及 高层建筑结构空间有限元分析与设计软件SATWE 用户手册及技术条件【K】.北京中国建筑科学研究 院PKPM CAD工程部,2005. 中国建筑科学研究院PKPM CADI程部.复杂多、 高层建筑结构分析与设计软件PMSAP使用手册【K]. 北京中国建筑科学研究院PKPM CADI程部, 2005. Wilson E.Three Dimensional Static and Dynamic Analysis of Structures【MI.Berkeley,Califomia Computers and Structures,Inc.,2000. 黄吉锋,李云贵,邵 弘,等.抗震计算中几个问 题的研究【J】.建筑科学,2007,2331518. Structural Design of Shear Wall Tall Buildings with a Transfer Story ZHANGJi,ZHANGZhong-xian a.School of Civil Engineering and Mechanics;b.Hubei Key Laboratory of Control Structure,HUST,Wuhan 430070,China AbstractShear wall tall buildings with a transfer story are fairly widely used in China.This paper discusses the analysis of partially framesupported shear wall tall building structures with the presentation of the structural design of a hybrid commercial and residential building beyond code limits.The building is separated into 2 structural units by an aseismic joint,and the east tower has a long rectangular plan,while the west tower a rather unsymmetrical one.Each tower is adjacent to an annex at one side and has a very high heightwidth ratio.The adjustment of overall structural layout,setting up of calculation models,and mechanical models and manipulative means of design software are presented.In view of the high heightwidth ratio,analysis is developed and countermeasures put forward.Through the solution of this problem and other major challenges such as torsion and transfer,an overall design of the irregular complex tall building structures meeting the code requirements is obtained and shows good effects. Key wordsshear wall;transfer story;heightwidth ratio;tall building structure;seismic design 伽 U 陋 n n n 阻

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