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一栋超高层剪力墙结构的设计流程

2024-03-01文化

NO.1 项目情况 概况

本项目是一栋软土地区的 超高层建筑 ,使用功能为酒店公寓(首层商业),全楼设置有两个避难层,建筑总高度149米(不含装饰架及机房层)。8度0.2g,IV类场地,建筑方案如下:

平面图

效果图

NO.2 结构方案 选择纯剪优先

拿到建筑方案后,结构专业面对的第一个问题就是 选择结构形式 。一般来说,超高层公共建筑多为框筒结构,但实际上纯剪结构更为适用,有条件 采用纯剪时一定要采用纯剪。 原因在于:

【1】剪力墙结构混凝土落地面积足够大,容易满足轴压比限值;而框筒结构的外框柱截面积远远小于纯剪,难以以 常规混凝土柱子 满足受力要求。

【2】剪力墙结构 更容易满足水平位移角等规范限值 ,尽管其限值要严于框筒结构。

【3】剪力墙结构的 设计、施工更常规 ,可避免采用组合结构或钢结构等更贵更复杂的工艺。

【4】 综合造价最低 :超高层剪力墙结构材料用量少于框筒结构,又因其更常规更成熟的施工工艺,使 综合造价更低 。本项目混凝土用量约为0.47m3/m2,钢筋用量不到90kg/m2.

基于上述原因,结合平面布局, 最终确定采用剪力墙结构。

注:剪力墙结构不适用于大开间办公,本项目为小开间,有条件采用纯剪。

NO.3 设计要点 特殊之处

与非超高层剪力墙结构相比,超高层剪力墙结构在设计上有如下 特殊之处

【1】 要进行超限审查。

本项目剪力墙结构高度超过了B级高度130限值 (见下表,B级高度混凝土高层建筑最大适用高度) ,应进行超限审查。

在超限审查报告中各类分析 (小震弹性时程分析,中、大震补充分析) 得到的 加强措施应体现在施工图中 。在方案阶段即应有所预估,以免造成颠覆性修改。

【2】 标准层很多很复杂。

非超高层剪力墙 多为住宅,平面、混凝土标号、层高均较为单一,标准层也较少。

超高层剪力墙公共建筑 平面变化多,有商业、有办公、有公寓、有避难层,层高也各不相同;平面不同则平面荷载不同,层高不同则梁上线荷载不同。

超高层剪力墙结构的墙厚 向上逐渐内收,混凝土标号多(从C30-C60不等)。

上述因素叠加在一起,造成了超高层剪力墙结构的标准层非常多,建议拟一个 项目信息一览表 ,对于理清计算关系、施工图分区都非常有用。

本项目的一览表样例如下供参考:

NO.4超限审查 概述

超限审查 应在施工图开展之前进行。 超限审查报告 一般包括如下部分:

【1】 项目概况、结构规则性分析

也就是 常规的电算 及其结果分析,对各类不规则项进行汇总并提出应对措施。此部分内容比较常规。

但也有 特别之处: 底部加强区周圈剪力墙的抗震等级一般要提升一级

注:超高层剪力墙结构的底部加强区周圈剪力墙是塑性铰产生的部位,对整体结构来说非常重要,一般要从一级提升至特一级,墙身钢筋配筋率0.4%。整体计算时应采用两个软件计算。

【2】 小震弹性时程分析

是对常规电算的补充分析,常规电算的抗震分析是基于反应谱法,而弹性时程分析则基于地震波。

注:反应谱法与时程分析法,可以类比为板的常规计算方法与限元分析方法之间的关系。也就是说,常规项目用反应谱法,特殊或重要项目要用时程分析方法来验证(补充分析)。

【3】 中、大震分析

选定性能目标为 性能目标D ,即:

设计人也可能不是超限报告的编写人,但应该了解超限报告的内容,尤其是 各类分析所形成的结论要点 ,以便于与报告编写人精准沟通,得到用于施工图的 设计指导意见

NO.5时程分析 多遇地震

【1】计算目的:对反应谱法进行 验证性补充分析

【2】计算流程 (以YJK为例) :

❖ 打开弹性时程分析模块,点 地震波选择 读取前处理参数

添加地震波 (如果已有地震波则删掉),点 自动筛选 ,其中的 Tg不要改 ,是自动读取前处理的。

注:加速度峰值应相同,8度0.2g按规范其地震加速度时程曲线最大值为70cm/s2.

❖ 天然波、人工波均全选备用,对于高层要勾选 持续时间 的两个复选框;第1阶周期改为 第1-3阶周期 ,最后点 筛选地震波组合

注:规范要求地震波的持续时间不宜小于建筑结构基本自振周期的5倍,且不小于15s,时间间距可取0.02s.

❖ 点击 第1组结果 (认为是最优的组合) ,确定(自动生成最优的2组人工,5组天然),选波完成,回主界面计算。

注:不建议采用1组人工波+2组天然波的组合,这种组合在选波合理性方面不太好满足规范的限制要求。

【3】 主要结论 (也是设计人向超限报告编制人索要的结论) :

根据时程分析得到的 楼层地震剪力放大系数值 放大部位

NO.6 中震分析 设防地震

【1】计算工具:可采用YJK,但弹塑性变形一般用PKPM.

【2】计算参数 (供参考) :

❖ 场地特征周期同小震; 最大地震影响系数 按高规表4.3.7-1:

注:本案例取0.45(设防地震).

❖ 结构阻尼比取6%

❖ 连梁刚度折减系数取0.30.

❖ 荷载作用分项系数取1.0.

❖ 不计入不同抗震等级的内力调整.

❖ 不考虑风荷载。

【3】计算内容

墙肢小偏拉验算 (本项为重点) .

注:按超限审查要点,平均名义拉应力不小于1.5倍混凝土抗拉强度标准值时,应设置型钢承担拉力。因此本项为中震计算的重点,需要经 计算确定哪些墙肢需要设置型钢

❖ 大开洞楼层板的验算 (本项目没有) 。

关键竖向构件 承载力按照标准值复核。 (指底部加强区墙体)

其他竖向构件 承载力按照极限值复核。 (除底部加强区之外的墙体)

所有构件 满足抗剪截面限制条件。 (所有剪力墙,柱,连梁,框架梁)

❖ 中震下桩基验算。

❖ 静力弹塑性下位移≤4倍小震下弹性变形 。

【4】 主要结论 (也是设计人向超限报告编制人索要的结论) :

需要设置型钢的墙肢位置及层数。

个别需要加强的构件 (若有)

注:除第一项墙肢小偏拉验算外,其它复核一般是弹性计算控制 (小震起控制作用) ,大多不需要进行额外加强。

NO.7 大震分析 罕遇地震

【1】计算工具:建议采用PKPM.

【2】计算参数 (供参考) :

❖ 场地特征周期同小震; 最大地震影响系数 按高规表4.3.7-1:

注:本案例取0.90(罕遇地震).

❖ 结构阻尼比取7%

框架梁刚度系数取1.0 连梁刚度折减系数取0.1 . (框架梁、连梁刚度进一步退化)

❖ 荷载作用分项系数取1.0.

❖ 不计入不同抗震等级的内力调整.

❖ 不考虑风荷载。

❖ 承载力抗震调整系数γRE取1.0.

【3】计算内容

竖向构件 满足抗剪截面限制条件.

关键构件 承载力按极限值复核。 (本项为重点) .

注:关键构件是指 底部加强区墙肢 ,不论是正截面纵向抗弯钢筋还是斜截面水平抗剪钢筋均为大震极限值起控制作用。因此本项为大震计算的重点,需要 经计算明确墙肢配筋值

❖ 复杂楼板应力验算,楼板应力按照极限值复核。

❖ 结构整体承载力达到极限值后维持稳定降低5%. (按照静力弹塑性方法估算)

【4】 主要结论 (也是设计人向超限报告编制人索要的结论) :

关键构件 (底部加强区墙肢) 的竖向筋及水平筋数值。

❖ 经 大震弹塑性分析 ,得到的 其它个别需要加强的部位。

NO.8 归纳 小结

根据上文内容,再次归纳 超限报告重点结论

【1】底部加强区周圈墙体抗震等级提高及其配筋率、复杂平面楼板加强措施、不规则性应对措施。( 来自 常规小震分析

注:复杂平面包括开洞、内收、凹凸等。

【2】楼层剪力放大系数。( 来自小震时程分析

【3】加型钢墙体的 部位、层数( 来自中震分析 )。

【4】底部加强区墙肢的配筋数值;及其它个别需要加强的部位( 来自大震分析 )。

【5】存在重要节点的建筑(如转换桁架节点,连体连接节点),应进行节点验算。

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