关于曼哈顿商业广场的抗震结构设计分析

关于曼哈顿商业广场的抗震结构设计分析

摘要：本文主要介绍曼哈顿商业广场抗震结构设计超限情况，并对结构超限抗震加强措施进行分析。

关键词: 曼哈顿商业广场；抗震；结构设计 1、工程概况

曼哈顿商业广场位于徐州市睢宁县，西侧紧邻文学路，南侧为元府路，总建筑面积（含地下）为：86918 平方米。地上建筑为：2栋高层住宅楼，建筑高度97.2米，采用部分框支剪力墙结构，为B级高度高层建筑；4层商业裙房，高度21.45米，采用框架结构。地下部分为：二层（塔楼范围为局部三层）地下车库，兼为设备房及人防地下室，埋深约为11米。地地面相对标高在22.2～23m之间。该场地地下水抗浮设防水位按高程22.0米考虑。地下水对混凝土结构及钢筋混凝土结构中的钢筋具微腐蚀性。

2、抗震设计的理论

2.1 拟静力理论

拟静力理论在估计地震对结构的作用时，假定结构为刚性，地震力水平作用在结构或构件的质量中心上。地震力的大小等于结构的重量乘以一个比例常数。

2.2 反应谱理论

反应谱理论基于强地震动加速度观测记录的增多和对地震地面运动特性的进一步了解，以结构动力反应特性研究为基础，是加州理工学院的一些研究学者对地震动加速度记录的特性进行分析后取得的一个重要成果——动力理论。

2.3 动力理论

动力理论也称地震时程分析理论，它把地震作为一个时间过程，选择有代表性的地震动加速度时程作为地震动输入，建筑物简化为多自由度体系，计算得到每一时刻建筑物的地震反应，从而完成抗震设计工作。

3、地基基础与地下室设计

3.1地下室

地下室共两层，负一层层高为5.4m,负二层层高为4.8m。地下室平面尺寸约为99米×93米，不设置永久性伸缩缝。采取设置若干条后浇带，用来减少砼的早期收缩的不利影响，同时调节塔楼与裙房之间的沉降差异。

地下均采用梁板结构。主要功能为商业、车库、设备房。地下一层塔楼投影范围内抗震等级同上部结构，其余部分逐层递减。地下室外墙受土压力，水压力及地面堆载，上部荷载作用，拟采用地下室外墙厚为350~400mm。地下室底板、外墙、顶板等临土临水结构构件采用结构自防水，抗渗砼强度等级为P8，砼强度等级为C35。

3.2地基基础

本工程依据岩土工程勘察报告，塔楼采用预制桩基础，裙房地下室采用筏板基础，并布置一定数量的抗拔桩。有效桩长约18~22m。塔楼以层⑨中砂，桩端极限阻力标准值7000kPa，计算抗压承载力特征值为2200kN。裙楼筏板以层⑤粘土层为基底持力层，修正后承载力特征值fak=320kPa。由于地下水位较高，需配置一定数量的抗拔桩。计算单桩抗拔承载力特征值为900kN。基桩承载力最终取值均以静载试验为最终依据。地下室底板兼为基础筏板，一般厚度600mm，柱底局部加厚，满足冲切的要求。筏板砼强度等级为C35。垫层厚度为100mm，砼强度等级为C15。因地下室平面尺寸较大，属超长钢筋砼结构，为减少砼收缩及温差所引起的砼开裂，采用无缝设计。拟从地下室顶板至地下室底板(含地下室外墙)设置间距为30m左右的施工后浇带若干条，同时掺入外加剂（膨胀剂）以改善砼的抗裂性能。

塔楼与裙楼之间设置超前止水后浇带，满足裙楼施工完毕后的停止降水要求。同时，该后浇带保留至塔楼施工接近顶层，减小裙楼、塔楼之间的沉降差异造成的影响。

3.3地下室顶板嵌固

① 地下室顶板的板厚180mm，并采用双层双向配筋。

② 塔楼投影外扩2跨范围内的地下一层的等效剪切刚度大于地上一层的2倍。

③ 当地下室顶板的降板高差超过周边梁宽时，降板区域的板边采取加腋措施，以保证水平力的有效传递。

④ 地下一层的抗震等级按对应上部结构的抗震等级采用（按投影范围确定），以下各层抗震等级逐层递减

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）5.1.13条规定，本建筑为超限高层结构，需要进行多遇地震弹性时程分析。采用中国建筑科学研究院编制的结构分析程序进行分析，建立分层模型，将各楼层的质量集中于楼层处，形成弹性多质点体系，然后输入地震波（数字化地震地面运动加速度）进行时程动力分析，可得结构各点的位移、速度和加速度反应，由位移反应计算结构内力。

4、结构体系的选择和罕遇地震下剪力墙底部加强区部位抗剪承载力计算

本工程结构形式为部分框支剪力墙结构

塔楼层数为31层，整体高度97.75m，为B级高度高层建筑。建筑平面尺寸为42.1×19.2m，高宽比为5，满足《高规》表3.3.2最大适用限值（5）。

结构平面布置均匀，较对称。典型平面布置见下图：

图1标准层平面布置图2框支层平面布置

取大震不屈服计算模型中剪力较大的墙肢剪力进行截面抗震验算：VGE+VEk≤0.15fckbh0

图3底层部分墙编号图表4剪力墙受剪截面承载力验算

根据上表计算结果所示，剪力墙抗剪截面验算均满足要求。框支柱柱底剪力均较小，均可满足抗剪截面验算的性能要求。

5、结构超限的抗震加强措施

5.1采用两个不同力学模型的空间分析程序SATWE、MIDAS Gen对结构进行弹性内力分析，采用MIDAS Gen对结构进行静力弹塑性分析，验证本工程在各种受力状态下的各项指标，以满足各项要求。

5.2 静力推覆分析中，中、低区域的连梁率先出现受弯屈服。随着侧向荷载加大，底部加强区剪力墙开始出现塑性铰。查看底部加强区剪力墙构件内力，控制内力为拉力和弯矩组合，即周边剪力墙主要破坏形态为拉弯破坏。因此，可适当提高底部加强区的剪力墙整体的纵筋配筋率（0.6~0.8%），提高其拉弯承载能力，以满足中震不屈服的要求。

5.3底部加强区剪力墙出现塑性铰后，随着侧向荷载加大，7~9层有少量剪力墙进入塑性状态。因此，除底部加强区外，7~9层部分剪力墙也应适当加强配筋，即符合规范要求的设置过渡区要求（《高规》7.2.4条）。过渡区剪力墙构造边缘构件的纵筋、配箍适当加大。

5.4结构在框支转换后，落地剪力墙数量较少。为此，对落地剪力墙、框支柱尺寸进行了加厚、加大，以满足框支层上下侧向刚度比、等效侧向刚度比的要求。同时，小震弹性阶段，仍手动指定框支层及其下层为薄弱层，进行薄弱层地震力放大。

5.5 对框支层楼板采取加强措施。框支层楼板厚度取230mm，核心筒区域楼板应力较大，加厚至280mm。采用双层双向配筋最小配筋率不小于0.25%，局部应力较大区域尚应附加配筋。

5.6 对结构重要构件，如：框支框架、落地剪力墙、底部加强区剪力墙均采用性能设计的方法，满足中震不屈服、大震抗剪不屈服的要求。

5.7 底层角柱设置型钢，增强其延性的同时，加大其拉弯承载能力。

结论：

当侧向荷载到达大震水平时，结构多数构件处于弹性状态，部分构件出现屈服。从推覆能力曲线上可以看出，结构侧向刚度出现轻微弱化。在大震下，框支柱及落地剪力墙均没有出现屈服。因此，有如下结论：

①在X及Y向推覆力下，塑性铰主要发生在连梁、框架梁及部分剪力墙，其中连梁、框架梁发生在建筑物的中部及下部，剪力墙发生在建筑物下部。符合预期的底部加强区的设计位置。

②在推覆荷载作用下，中部连梁首先屈服，并逐渐向上部及下部扩展。

③竖向构件：底部剪力墙首先开始进入屈服，并逐步向上延伸，随着侧向荷载加大，7~9层有少量剪力墙进入塑性状态。由于底部剪力墙底端出现抗弯屈服时，剪力墙顶端尚未抗弯屈服，因而，剪力墙所受的剪力呈现下降的趋势，表明此时结构内力出现塑性重分布。

④结构体系在性能目标点对应的地震力作用下，结构沿Y向的层间位移角1/322出现在14层，X向层间位移角1/330出现在13层，两个方向的层间位移角均满足性能目标最大弹塑性层间位移角限值1/135。

⑤通过结构在大震下的变形和塑性铰出现的位置和发展状态，可确定现有设计是安全的、抗震构造措施是适当的。