超限高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

王炳洪

(同濟(jì)大學(xué) 建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司,上海200092)

文昌花園位于山東省昌邑市,規(guī)劃濱河路以東,交通街以北,共分四期開發(fā),文昌國際大酒店工程為二期工程。酒店總建筑面積為30 848m2,其中地上總建筑面積為23 521m2,地下總建筑面積為7 327m2,建筑高度為43.5m(主屋面標(biāo)高)。主樓地上10層,裙樓地上3層,一層層高7.5m,二、三層層高為5.4m,其標(biāo)準(zhǔn)層層高均為3.6m。設(shè)地下室一層,地下室層高5.4m。擬建工程區(qū)域范圍內(nèi),有兩條斷裂帶及兩條斷裂系對(duì)工程場(chǎng)地地震危險(xiǎn)性有影響。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

將西面3層裙樓與主樓設(shè)置抗震縫分開。該酒店主樓平面呈S形,標(biāo)準(zhǔn)層中間軸向長度約124.1m,在主樓中部凸出的樓電梯井邊設(shè)置一道抗震縫,將主樓切分為兩個(gè)獨(dú)立的振動(dòng)體系,地下室頂板結(jié)構(gòu)連成一體,地下室頂板(±0.000處)作為裙樓及主樓的嵌固端,結(jié)構(gòu)布置時(shí)保證地下室的樓層側(cè)向剛度大于相鄰上一層側(cè)向剛度的2.0倍,滿足規(guī)范嵌固條件的要求。主樓標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置圖見圖1,本文以主樓抗震縫左側(cè)的結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)的介紹。

1.1 斷裂帶(系)對(duì)本工程的影響

項(xiàng)目區(qū)域范圍內(nèi),對(duì)工程場(chǎng)地地震危險(xiǎn)性影響較大的活動(dòng)斷裂帶主要有北北東走向的郯廬斷裂帶和北西西走向的渤海—威海斷裂帶及魯西斷塊內(nèi)的北西西—北西、北東向活動(dòng)斷裂系和魯東斷塊內(nèi)北北東—北東向斷裂系。郯廬斷裂帶和渤海—威海斷裂帶為強(qiáng)震構(gòu)造帶,魯西斷塊內(nèi)斷裂系控制中強(qiáng)地震。山東濰坊康平工程地震研究所經(jīng)過綜合分析認(rèn)為工程場(chǎng)地內(nèi)無活動(dòng)斷裂通過。昌邑—大店斷裂和安丘—莒縣斷裂分別從工程場(chǎng)地東側(cè)和西側(cè)通過,距場(chǎng)地距離遠(yuǎn)大于300m,且昌邑—大店斷裂和安丘—莒縣斷裂在近場(chǎng)區(qū)內(nèi)分別為中更新世活動(dòng)斷裂和晚更新世活動(dòng)斷裂,可忽略斷裂錯(cuò)動(dòng)對(duì)場(chǎng)地的影響。工程設(shè)計(jì)地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜參數(shù)見表1。

表1 設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)表Tab.1 Design ground motion parameters

1.2 基礎(chǔ)及地下室

本工程設(shè)有一層地下室,底板結(jié)構(gòu)面標(biāo)高-5.400m,主樓及裙房基礎(chǔ)采用樁承臺(tái)+防水板的型式,樁端持力層為⑧層(中砂層),均按抗壓樁設(shè)計(jì),有效樁長約14m左右。單樁豎向承載力特征值在樁基全面施工之前通過試樁確定。地下室底板、外墻、頂板有覆土部分均采用結(jié)構(gòu)自防水+建筑外防水做法,采用C35防水密實(shí)性混凝土,抗?jié)B等級(jí)為P6。

1.3 建筑結(jié)構(gòu)布置及超限情況

根據(jù)建設(shè)部第111號(hào)令及《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》[建質(zhì)[2006]220號(hào)],對(duì)本工程的各項(xiàng)指標(biāo)檢查如下:(1)建筑高度,主屋面標(biāo)高43.5m,室內(nèi)外高差0.3m,建筑高度小于100m,屬于A級(jí)高度鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)。(2)長寬比,建筑標(biāo)準(zhǔn)層寬度B=10.7m(計(jì)算至主要抗側(cè)力豎向構(gòu)件邊緣),建筑長度(沿弧向取中間3-F軸的軸向長度)L=61.2m,L／B=61.2／10.7=5.7＜6.0,滿足規(guī)范高層建筑結(jié)構(gòu)長寬比的要求。(3)平面凹進(jìn)或凸出,標(biāo)準(zhǔn)層電梯井處,凸出尺寸L1為9.4m,標(biāo)準(zhǔn)層相應(yīng)方向結(jié)構(gòu)投影尺寸 Bmax=20.1m,L1／Bmax=46.8%＞30%,且大于40%,屬平面凸出特別不規(guī)則。(4)上部樓層豎向收進(jìn),在四層樓面(18.300m 標(biāo)高,18.3／43.5=42%＞20%)處,裙房局部收進(jìn)后的水平尺寸為10.7m,相鄰下一層水平尺寸為17.5m,10.7／17.5=61%,小于75%,且小于65%,屬豎向局部收進(jìn)特別不規(guī)則,豎向收進(jìn)情況見圖2。根據(jù)JGJ3-2002第3.3.4條及4.4.5條規(guī)定,需對(duì)本工程進(jìn)行多遇地震下的彈性時(shí)程分析。(5)在偶然偏心影響下,樓層的最大彈性層間位移大于該樓層層間位移平均值的1.2倍。

綜上所述,本工程存在平面凸出、豎向立面收進(jìn)等規(guī)則性超限,該酒店主樓判定為超限的A級(jí)高度鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)。采用中國建筑科學(xué)研究院的高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析軟件SATWE(ver2008)對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析;同時(shí)采用PMSAP(ver7.0)對(duì)SATWE結(jié)構(gòu)計(jì)算進(jìn)行校核和對(duì)比分析。

2 電算分析

設(shè)防烈度7度(0.15g),設(shè)計(jì)地震分組為第一組,周期折減系數(shù)取0.75,場(chǎng)地類別為Ⅱ類,場(chǎng)地特征周期Tg根據(jù)安評(píng)報(bào)告取0.40s。多遇地震影響系數(shù)(αmax=0.15,地震力振型組合數(shù)30。

(1)嵌固端判別:該工程地下室結(jié)構(gòu)的樓層剛度和相鄰上部結(jié)構(gòu)樓層剪切剛度比,X,Y向均大于2.0,故地下室頂板可以作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端。(2)重力二階效應(yīng)及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定判別:X向剛重比EJd／GH**2=9.54＞1.4且大于2.7,Y向剛重比 EJd／GH**2=11.50 ＞1.4且大于2.7,能夠通過高規(guī)(5.4.4)的整體穩(wěn)定驗(yàn)算,可以不考慮重力二階效應(yīng)。(3)結(jié)構(gòu)周期比:SATWE和PMSAP計(jì)算分析結(jié)果都顯示了第一、二振型為平動(dòng)振型,第三振型為扭轉(zhuǎn)振型,第一扭轉(zhuǎn)周期與第一平動(dòng)周期的周期比均小于0.90,縱橫向的周期也比較接近,對(duì)比分析的結(jié)果可以接受。(4)有效質(zhì)量系數(shù):本工程選取30個(gè)振型,累計(jì)的有效質(zhì)量系數(shù)均大于90%,說明所選的計(jì)算振型數(shù)已滿足要求。(5)側(cè)向剛度和扭轉(zhuǎn)剛度控制:按JGJ3-2002第4.6.3條要求,框架-剪力墻結(jié)構(gòu)彈性層間位移角的限值為1／800,且控制偶然偏心下位移比小于1.3。滿足規(guī)范要求。(6)剪重比:計(jì)算分析結(jié)果顯示了結(jié)構(gòu)在阻尼比為5%時(shí),結(jié)構(gòu)底部第1層及第2層剪重比滿足規(guī)范2.40%的要求,X向、Y向程序調(diào)整系數(shù)均為1.0,滿足抗震規(guī)范(GB50011-2001)第5.2.5條的要求。(7)豎向結(jié)構(gòu)軸壓比控制:框架柱軸壓比均控制在0.85以內(nèi),剪力墻軸壓比均控制在0.5以內(nèi)。(8)層間剛度比:計(jì)算分析結(jié)果顯示,該工程結(jié)構(gòu)沿高度方向的剛度基本均勻變化,無突變。SATWE及PMSAP小震彈性反應(yīng)譜分析結(jié)果見表2。

表2 小震彈性反應(yīng)譜分析結(jié)果Tab.2 Results of elastic response spectrum analysis under small earthquake action

表3 彈性時(shí)程分析結(jié)果Tab.3 Results of elastic time-history dynamic analysis

2.1 小震彈性動(dòng)力時(shí)程分析

采用PMSAP程序進(jìn)行小震彈性動(dòng)力時(shí)程分析,選用三條波(兩組自然波,一組人工波),每條波的有效持續(xù)時(shí)間均大于結(jié)構(gòu)自振周期的5倍,地面運(yùn)動(dòng)加速度峰值為60.6gal,結(jié)構(gòu)阻尼比為0.05。時(shí)程分析結(jié)果表3及圖3、圖4,從圖表中可以看出,每條時(shí)程曲線計(jì)算的結(jié)構(gòu)底部剪力不小于振型分解反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果的65%,平均值與CQC法的比值,x向與y向分別為99%,97%,均大于80%。

2.2 靜力彈塑性分析

用靜力彈塑性分析PUSH驗(yàn)算了在罕遇地震作用下的樓層位移。側(cè)推荷載類型為倒三角形,基底剪力與總重量的比值為1,走步控制采用球面弧長法。經(jīng)過計(jì)算分析,其罕遇地震下的層間位移角X向?yàn)?／205,Y向?yàn)?／219,小于框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的限值1／100,滿足規(guī)范的要求。Y向抗倒塌驗(yàn)算結(jié)果曲線見圖5。

3 綜合性評(píng)價(jià)

本工程結(jié)構(gòu)處于高烈度地區(qū),屬于不規(guī)則超限的A級(jí)高度鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)。針對(duì)本工程的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),采取了下列抗震加強(qiáng)措施。(1)在豎向急劇收進(jìn)的四層樓面(標(biāo)高18.300),全層結(jié)構(gòu)樓板采用150mm,予以適當(dāng)加強(qiáng)。該層樓板采用雙層雙向配筋,配筋率適當(dāng)提高,同時(shí)加強(qiáng)相鄰上下層樓板配筋。收進(jìn)部位的豎向構(gòu)件配筋也適當(dāng)加強(qiáng),加強(qiáng)的范圍向下、向下各延伸一層。平面局部凸出部位樓板也適當(dāng)加強(qiáng)。(2)在入口大堂挑空處的二層樓面(標(biāo)高7.500)洞口周邊樓板予以加強(qiáng),板厚取150mm,并采用PMSAP進(jìn)行彈性板的應(yīng)力分析,適當(dāng)加強(qiáng)配筋,雙層雙向設(shè)置。同時(shí)適當(dāng)提高周邊框架柱的配筋率和配箍率。(3)主樓框架柱抗震等級(jí)提高一級(jí),按照二級(jí)抗震等級(jí)采用,適度提高二道防線的安全度。(4)采用SATWE及PMSAP進(jìn)行結(jié)構(gòu)的電算對(duì)比分析,并仔細(xì)調(diào)整結(jié)構(gòu)的剛度布置,盡量使得結(jié)構(gòu)的質(zhì)心和剛度中心一致,減少地震作用的扭轉(zhuǎn)效應(yīng),同時(shí)加強(qiáng)端頭邊榀框架梁,提高結(jié)構(gòu)的整體抗扭剛度。控制樓層最大位移比不大于1.3。(5)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性時(shí)程分析,從計(jì)算的曲線分析,各樓層的層間位移曲線基本光滑無突變。層間位移均小于1／800,結(jié)構(gòu)不存在薄弱層。每條時(shí)程曲線計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力均大于CQC法求得的底部剪力的65%,三條時(shí)程曲線計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值大于CQC法求得的底部剪力的80%,很好的滿足了規(guī)范要求。(6)為保證結(jié)構(gòu)在大震下具有足夠的延性和抗倒塌能力,對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行大震下的靜力彈塑性分析,在大震作用下結(jié)構(gòu)的x向、y向結(jié)構(gòu)能力曲線與結(jié)構(gòu)的需求譜曲線相交,結(jié)構(gòu)具有足夠的抗倒塌能力,滿足“大震不倒”的性能目標(biāo)。在大震作用下結(jié)構(gòu)的最大側(cè)向位移均在1／200左右,滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語

通過SATWE及PMSAP兩種有限元程序的結(jié)果對(duì)比分析,在采取了有效的抗震措施后,兩種程序計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)周期、周期比、層間位移、位移比等各項(xiàng)指標(biāo)都較好的滿足規(guī)范的要求,該結(jié)構(gòu)具有較好的抗震性能。

[1]GB 50011-2001建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]JGJ 3-2002高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[3]呂西林.超限高層建筑工程抗震設(shè)計(jì)指南(第2版)[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,2009.