Seismic Analysis of a High-rise Overrun Frame Core-tube Structure

Civil Engineering and Technology March 2015, Volume 4, Issue 1, PP.15‐20

Seismic Analysis of a High-rise Overrun Frame Core-tube Structure Kewei Ding1, Changyu Zhao1, Ping Sun2 1

School of Civil Engineering, Anhui Jianzhu University, Anhui 230601, PR China

2

Anhui Provincial Architectural Design and Research Institute Co., Ltd, Anhui 230002, PR China

Abstract Seismic analysis of a project using high-rise overrun frame core-tube structure was studied. The programs of SATWE, PMSAP and ETABS procedures were applied to carry out the structural seismic analysis and the Performance-based design of various earthquake actions in the whole designing process. With the overrun problems such as torsional irregularity, characterized by floor partial discontinuous and lateral stiffness varying in vertical direction were settled, the scheduled performance objectives and the three-level earthquake fortification objects were achieved. The numerical computation results show that this structural system is safe and reliable.

Keywords: Flame Core-tube, Overrun Problem, Seismic Analysis, Performance-based Design

某超限高层框架-核心筒结构抗震分析* 丁克伟 1，赵昌禹 1，孙苹 2 1. 安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230601 2. 安徽省建筑设计研究院有限公司，安徽 合肥 230002 摘

要：某项目工程采用框架-核心筒结构体系，存在楼板局部不连续超限问题，工程设计时选用 SATWE、PMSAP、

ETABS 程序进行了多遇地震、设防地震以及罕遇地震作用下的抗震分析和性能化设计。相关计算结果表明，结构设计 成功解决了结构超限问题，达到了预定的性能目标，满足了三水准抗震设防要求，本工程结构体系和构件具有较好的抗 震性能和安全储备。 关键词：框架—核心筒；超限问题；抗震分析；性能化设计

1

工程概况和结构体系 本工程建筑标准层比较规则，外轮廓尺寸长 48.1m，宽 39.4m，长宽比 1.22:1，核心筒 X 向 16.1m，Y 向

26.4m，柱距为 8.7m，地下 3 层，层高为 5.4 米、3.9 米、3.9 米；地上 35 层，首层及二层层高为 6.0 米，标 准层为 4.0 米，在 11 层和 23 层设置两个避难层，层高 4.5 米；出屋面幕墙高 9.7 米。本工程主要抗侧力体系 为混凝土框架—核心筒结构，为满足建筑造型及使用要求并提高结构的延性，塔楼的中下部分楼层（建筑楼 层 18 层<相当于结构模型 20 层、标高 72.800>以下）采用型钢混凝土柱，以减小柱截面并加强其抗震性能。 主楼地下室埋深约 13.0 米，主楼区域采用人工挖孔桩，主楼在地下室位置周边设置后浇带。主楼的主要楼层 平面及整体三维空间模型见图 1。根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）和《高层建筑混凝土结构技 术规程》（JGJ3-2010），本工程高度为 145.3 米，属于超限高层结构，属于 B 级高度范围内，超出 A 级高度 130 米约 12%；建筑为造就一个开阔大气的大堂，在地面二层北侧和东侧形成楼板大开洞，开洞面积约占该 楼层面积的 38%（楼板局部不连续）；此开洞造成地面 2 层高度范围内（12 米）部分框架柱没有与梁、板连 *

国家自然科学基金资助项目 11472005 和安徽省重点实验室建设项目 1106c0805024 - 15 http://www.ivypub.org/cet

接，形成了 12 米高穿层柱。 表 1 结构超限类型和程度 高度超限

是 (屋面高度 145.3m)

是否复杂高层

否

平面凹凸不规则

否

平面扭转不规则

否

楼板局部不连续

是

侧向刚度不规则

否

竖向布置不规则

否

抗侧力构件不连续

否

楼层受剪承载力突变

否

图 1 结构体系几何模型

2

抗震设防性能目标 本工程抗震设防性能目标细化如下表 2 所示： - 16 http://www.ivypub.org/cet

表2 遭受地震烈度 （超越概率）

3

多遇地震（小震） （50 年 63%）

性能水准

完好无损

允许层间位移 框架梁 框架柱（除穿层柱） 底部加强区（含底 框架 部加强区的穿层 柱及 柱） 剪力 墙 非加强区

1/800

设防烈度(中震) (50 年 10％) 轻度损坏

罕遇地震(大震) (50 年 3％) 比较严重的损坏，但不致倒塌或 发生危及生命的严重破坏 1/100 允许屈服，但应控制弯曲塑性变 形

弹性

不屈服

弹性

不屈服

弹性

不屈服

连梁

弹性

允许部分抗弯屈服，但 抗剪不屈服

楼板

弹性

部分屈服

整体计算方法

振型分解反应谱法、弹 性时程分析

振型分解反应谱法

静力弹塑性分析

计算软件名称

SATWE/PMSAP

SATWE

PUSH

允许局部抗弯屈服，但抗剪不屈 服，控制塑性变形 允许部分抗弯屈服，满足抗剪截 面控制条件 允许屈服，但应控制弯曲塑性变 形 允许屈服，但应控制弯曲塑性变 形

结构抗震分析

3.1 小震计算结果分析 （1）根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）第 5.1.12 条规定，体形复杂、结构布置复杂 以及 B 级高度的高层建筑结构，应采用至少两个不同力学模型的结构分析程序进行整体分析计算。SATWE 和 PMSAP 两个程序的计算结果对比可知，整体计算指标，如前三阶振型、周期、基底剪力，结构总质量等 均较吻合，未出现原则性冲突或矛盾的结果，说明程序计算结果是可信的，结构布置与构件尺寸也是基本 合理的。 （2）根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）第 3.4.5 条规定，结构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，复杂高层建筑不应大于 0.85。本工程该值两个模型中最大为 0.70，满足 规范要求。 （3）根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）第 3.4.5 条规定，结构平面布置应减少扭转 的影响。在考虑偶然偏心影响的地震作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移，B 级高度高层建筑 不宜大于该楼层平均值的 1.2 倍，不应大于该楼层平均值的 1.4 倍，计算结果显示，在考虑偶然偏心的地震 作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移与该楼层平均值的比值的最大值 x 向为 1.19，Y 向为 1.10，均小于 1.2。满足规范要求。 （4）根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）第 3.7.3 条规定，本工程楼层层间最大位移 与层高之比 u/h 限值按框架.简体结构计为 l/800。本工程计算的最大层间位移角两个程序计算大值分别为 X 向 1/1334（28 层）和 Y 向 1/1122（17 层），满足规范限值要求。 （5）根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）第 3.5.2 条关于侧向刚度不规则的规定，楼 层与其相邻上层的侧向刚度比的比值不宜小于 0.9。经验算，本工程该项指标符合本规定关于侧向刚度规则 的要求。 （6）根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）第 3.5.3 条规定，B 级高度高层建筑的楼层 层间抗侧力结构的受剪承载力不应小与其上一层受剪承载力的 75%。经验算，本工程该项指标符合本规定 的要求。 （7）根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）第 7.2.13 条规定，一级抗震等级的剪力墙墙 - 17 http://www.ivypub.org/cet

肢，其重力荷载代表值作用下墙肢的轴压比不宜超过 0.5，经验算，本工程剪力墙最大轴压比为 0.41，满足 要求。 （8）根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）第 6.4.2 条规定，对抗震等级为一级的框筒 结构的钢筋混凝土框架柱，其轴压比限值为 0.75，当剪跨比不大于 2.0 时，轴压比限值为 0.70。经复核，本 工程混凝土柱轴压比最大为 0.59。满足限值要求。 （9）按《高层建筑钢-混凝土混合结构设计规程》（CECS 230：280）表 6.3.8：对抗震等级为一级的框 架结构的钢骨混凝土框架柱，其轴压比限值为 0.70，本工程钢骨混凝土框架柱轴压比为 0.57，满足限值要 求。 （10）根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3—2010）第 3.7.6 条规定，经计算结构顶点顺风向 最大加速度 a max=0.040m/s2，横风向最大加速度 a max=0.059m/s2，满足规范规定。

3.2 中震作用分析 一般建筑结构在中震作用时的抗震性能目标为：结构的薄弱部位和重要构件轻微损坏，出现轻微裂 缝，其它选定的具有延性的构件中等损坏，出现明显的裂缝，进入屈服阶段，需要修理并采取一些措施方 可继续使用。本工程为超限高层建筑，应按超限程度针对薄弱部位及重要构件采取比规范和规程的规定更 严格的措施。 本工程在中震作用时的抗震性能水准见抗震性能目标细化表。中震结构承载力计算采用 SATWE 中震不屈服方法完成。 经验算底部加强区的墙柱在中震不屈服计算下，剪力墙施工缝验算超限，《高层建筑混凝土结构技术 规程》（JGJ3-2010）7.2.12 条，抗震等级为一级的剪力墙，水平施工缝的抗滑移应符合下式要求： 1 Vwj  (0.6 f y As  0.8 N)

 RE

增加底部加强区的水平施工缝处剪力墙腹板内竖向分布钢筋和边缘构件中的竖向钢筋总面积，由程序 默认的 0.3%增加为 0.6%，个别墙肢需调整至 0.8%，进经过计算，施工缝满足要求。经中震不屈服验算， 部分连梁和少数框架梁进入抗弯屈服，根据《高规》3.11.3 第 4 条公式 VGE+V*Ek≤0.15fckbh0，查的第 7 层连 梁剪力包络值为 1248KN，连梁尺寸为 400X700，C60 混凝土轴心抗压强度标准值为 38.5N/mm2，计算满足 要求，未发生抗剪屈服。中震不屈服结构整体计算结果如下表所示： 表3 T1=3.97,T2=3.60,T3=2.64, T4=1.17,T5=0.86,T6=0.85

结构自震周期 底层地震力（KN） 地震力倾覆力矩（KN·m） 最大层间位移角

X向

45655.27（剪重比 4.26%）

Y向

39906.31（剪重比 3.73%）

X向 Y向 X向 Y向

3507702.50 3529909.75 1/ 492(第 28 层） 1/ 443(第 17 层）

结构在中震不屈服计算中，在 Nmin 组合柱底未出现拉力，外框筒剪力墙底部出现拉力，最大值为 7981KN。

3.3 大震静力弹塑性分析 本工程采用弹塑性静力推覆法(Push-over)，对结构进行水平地震作用下的全过程弹塑性分析。PUSH 程 序是中国建筑科学研究院开发的适用于多、高层建筑的三维有限元空间弹塑性静力分析程序，程序的单元 库包括梁柱元和剪力墙元两种非线性单元，梁柱等一维构件采用纤维束模型模拟，采用微观方法构造，单 元切线刚度直接基于混凝土材料微元和钢筋材料微元的本构关系。程序给出了直观的杆系单元端部塑性铰 - 18 http://www.ivypub.org/cet

判断方法。PUSH 程序将 SATWE 程序中使用的弹性墙单元进行了推广，考虑其弹塑性性质，使用弹塑性墙 单元来模拟剪力墙。弹塑性墙单元面内刚度也直接基于混凝土材料微元和钢筋材料微元的本构关系。由于 墙元的面外刚度相对次要，程序用简化的弹塑性板元进行考虑。程序忽略混凝土的抗拉能力，对混凝土的 受压应力一应变曲线的上升段采用 Saenz 曲线，下降段采用直线表示，该直线的左端是极值点，斜率通过逼 近原 Saenz H 由线得到。当该直线下降接近零时，用一水平线模拟残余应力。钢筋的本构关系采用理想弹塑 性模型。推覆沿着互相垂直的 X、Y 方向分两次进行，每个方向的加载过程分两大步，第一步先施加竖向的 静力荷载，第二步施加侧推荷载。静力荷载和侧推荷载均采用分步的非线性分析。本工程采用倒三角侧推 荷载模式。构件配筋直接读取 SATWE 的分析配筋结果，材料强度取标准值。杆件铰的判别条件为：截面刚 度退化为初始截面刚度的 70%时，被认为出现塑性铰。根据抗震规范，本工程 50 年罕遇地震的地震影响系 数最大值取 a max=0.500，场地特征周期增加 0.05s 取 Tg=0.40s。初始弹性状态下结构的阻尼比为 0.05，程 序对需求谱曲线考虑附加阻尼折减，即考虑结构弹塑性变形较大时阻尼比的增大。两个方向推覆分析的抗 倒塌验算结果如图 2 和图 3 所示，主要结果如下：

图 2 X 方向抗倒塌验算图

（1）性能点最大层间位移角：x 方向 1/180；Y 方向 1/120。（2）罕遇地震下性能点的基底剪力：X 方 向 59668.9KN，约为小震剪力的 3.69 倍；Y 方向 51209.3kN，约为小震剪力的 3.71 倍。（3）罕遇地震下性 能点顶点位移：x 方向 717.0mm；Y 方向 1021.2mm。（4）由推覆分析结果可知：在罕遇地震作用下结构楼 层的最大层间位移角 x 向为 1/180，Y 向为 1/120，满足抗震规范罕遇地震作用下 1/100 层间位移角限值的要 求，本工程在罕遇地震作用下，可满足大震不倒的设防目标及位移变形控制要求。

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图 3 Y 方向抗倒塌验算图

4

结论 根据《建筑结构抗震设计规范》的有关规定，我们对本超限超高层结构，设定了适用于本工程的抗震

性能目标，进行了合理的结构布置，对关键部位采取了加强措施。除进行常规的计算分析外，采用性能设 计法对本工程进行了中震和大震的补充计算分析。分析结果表明，虽然本工程结构总高度超出规范 A 级高 度限值（在 B 级高度范围内）。但通过合理的结构布置并对关键部位采取重点加强的措施，本工程能满足 “小震不坏，中震可修，大震不倒”的抗震设防目标，本工程结构设计是安全可行的。

REFERENCES [1] GB 50011—2010 建筑抗震设计规范[S].北京: 中国建筑工业出版社,2010 [2] JGJ3—2010 高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京: 中国建筑工业出版社,2011 [3] 建质[2010]109 号《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》[S].北京: 住建部,2010 [4] GB 50010—2010 混凝土结构设计规范[S].北京: 中国建筑工业出版社,2011 [5] GB50009—2001 建筑结构荷载规范(2006 版) [S].北京: 中国建筑工业出版社,2006 [6] JGJ 99—98 高层民用建筑钢结构技术规程[S].北京: 中国建筑工业出版社,1998

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