大底盤不對稱雙塔樓高層建筑的抗震設計

楊 驀 馬光磊

近年來由于公眾審美觀的多樣化和居住者對居住建筑的多樣化使得建筑師對建筑形態不斷創新,從而使突破現行規范的超限高層建筑越來越多。筆者結合大連海事大學科技園2號建筑實例介紹大底盤不對稱雙塔樓超限高層建筑的抗震設計。

1 工程概況

大連海事大學科技園2號建筑總建筑面積228 349 m2,是集辦公研發、商業配套、會展、學術交流為一體的大型綜合建筑。包括兩棟高層塔樓(A,B棟)。裙房6層,地下4層。地上1層～6層為商場。A,B棟塔樓為7層～34層大空間辦公室,房屋總高度150.0 m。

2 超限分析及相應的結構措施

1)房屋高度超限A,B棟高層房屋高度為150.0 m,超過了JGJ 3-2002鋼筋混凝土高層建筑結構設計與施工規程中規定的框架—核心筒結構7度區適用高度130 m的限值。2)采用大底盤雙塔樓結構,質量、剛度分布不均勻。3)由于商場使用功能的限制,A,B棟塔樓布置在大底盤的最右側和中部,其中A塔,B塔與裙房的質心偏心距分別為80 m(A塔),37 m(B塔),A塔超出了《高規》10.6.1條“塔樓結構與底盤結構質心的距離不宜大于底盤相應邊長的20%”的規定。針對塔樓偏心,采取了以下措施:a.裙房頂部樓板板厚加厚至180,同時裙房各層與塔樓相連的兩跨梁板適當加強,以增強兩棟塔樓的變形協調能力。b.增加底部剪力墻,調整底部剪力墻位置,尤其是在遠離塔樓的裙房部分適當布置了一些剪力墻,以調整裙房部分結構的剛心,使其盡可能的靠近質心。c.由于塔樓偏置過多,在進行結構內力計算時,大底盤部分2層～6層均設置了彈性板進行計算。4)平面不規則,樓板局部不連續。該工程在裙樓各層中間部位因建筑設有中庭,開有較大面積洞口,樓面開洞尺寸超過樓面寬度的1/2。針對樓板局部不連續的情況,采取的措施有:a.加厚了洞口附近樓板和加強了邊梁,以增加平面剛度和利于水平力的傳遞;b.加強洞口所對應的上層同一位置處的梁板;c.考慮因開洞削弱而產生的平面內變形,設計上選用能考慮樓板變形影響的設計軟件(SATWE程序)進行整體內力分析計算,分析時采用彈性樓板假定。

3 結構設計與計算

3.1 計算軟件

該工程采用中國建筑科學研究院《多層及高層建筑結構空間有限元分析與設計軟件》SATWE程序進行計算分析,并采用北京邁達斯技術有限公司開發的韓國《建筑及土木結構通用的結構分析與優化設計軟件》MIDAS/GEN進行設計驗證。

3.2 結構計算參數取值

本建筑的結構安全等級為二級,裙房商業面積大于17 000 m2,由于塔樓與裙房均不設縫,兩個塔樓辦公面積相加達到110 000 m2,所以建筑抗震設防類別均為乙類,設計地震分組為第一組。基本風壓0.75 kN/m2,地面粗糙度為B類。建筑主體結構采用現澆鋼筋混凝土框架—核心筒結構,其中地下4層～地下2層剪力墻和框架的抗震等級均為三級,地下1層～屋頂層剪力墻和框架的抗震等級均為特一級。

1)振型組合數:分別考慮單、多塔扭轉耦聯抗震計算,振型數kt=36。2)時程分析地震波的選取:該工程按7度、Ⅱ類場地,選用了Elcent波、oakwh1波和場地合成人工波進行分析計算。3)周期折減系數:考慮到兩個塔樓的填充墻,周期折減系數取0.9。

3.3 整體計算結果

結構計算周期見表1,結構位移見表2。

表1 結構計算周期

表2 結構位移

3.4 計算結果分析

下面以SATWE程序為主進行分析:1)自振周期在合理范圍之內,結構扭轉為主的第一自振周期與平動為主的第一自振周期之比為0.48,滿足規范要求。2)振型曲線光滑符合規律。3)底層剪重比調整后滿足規范要求。4)最大層間位移和頂點位移小于1/1 000,滿足規范要求。5)動力時程分析復核結果表明,不需要調整各樓層構件的內力和斷面配筋。

從以上計算結果看出,由于剪力墻和筒體布置較合理,結構平動周期比較合適,扭轉效應影響不大,各層的層間位移角能基本滿足規范的要求,整體受力合理、安全可靠。

4 局部計算及結構構造措施

4.1 重要樓層板厚加厚

1)首層(地下室頂板,裙房的嵌固端)板厚180 mm,配筋率大于0.35%,雙層雙向貫通。2)對裙房屋面層(塔樓的嵌固端),樓板采用板厚180 mm,配筋率大于0.35%,雙層雙向貫通。3)對開洞較多的核心筒內樓板的板厚適當加強,板厚采用150 mm;加強核心筒邊梁和樓面洞邊梁的截面和配筋,以減少筒體較多開孔和樓層開洞對結構剛度的削弱。4)對2,3層大開洞周邊樓板加厚至150 mm,配 Ф 10@150雙層雙向鋼筋網。

4.2 剪力墻底部加強部位

嚴格執行規范,對剪力墻底部加強部位的抗震等級按特一級抗震等級設計;對約束邊緣構件的縱向鋼筋和箍筋予以特別提高,對剪力墻的水平及豎向分布鋼筋配筋率適當提高。

4.3 框架梁和連梁

建筑外周邊和裙樓室內開洞周邊適當加高外框邊梁截面并且加強梁筋構造,提高結構的整體剛度,提高建筑物的抗震性能。剪力墻底部加強部位的連梁配置交叉暗撐,以增加連梁的延性,讓結構在大震作用下過渡到一個具有較高變形能力的結構體系,避免結構倒塌。

4.4 加強塔樓外圍框架柱

控制軸壓比,為此采用鋼管混凝土疊合柱(簡稱疊合柱),它是由截面中部的鋼管混凝土和鋼管外的鋼筋混凝土疊合而成的,見圖1。該工程中,剪力墻墻肢最大軸壓比為0.46,框架柱最大軸壓比為0.65。構件連接包括鋼筋混凝土梁與疊合柱連接,見圖2。

5 結語

該工程由于平面布置的需要,造成樓板局部不連續,而且又是塔樓偏置的雙塔建筑,對建筑物抗震不利,屬復雜高層結構。為提高抗震能力,解決超限問題,筆者認為:1)要有合理的結構體系;2)要進行合理的概念設計;3)要采取必要、有效的構造措施。只有這樣,才能使結構設計達到合理性、經濟性。

[1] GB 50011-2001,建筑抗震設計規范[S].

[2] JGJ 3-2002,高層建筑混凝土結構技術規程[S].

[3] 郭 雷,賈曉坤,王從英.考慮樓板變形時大底盤多塔結構二階分析[J].山西建筑,2009,35(6):101-102.