皇都花園二期2號(hào)樓超限高層結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

陶文霞

（大地建筑事務(wù)所（國(guó)際）上海分公司，上海 200122）

近年來(lái)，隨著人們生活水平不斷提高，對(duì)居住環(huán)境的要求越來(lái)越高，對(duì)房型的要求越來(lái)越挑剔。精明的開(kāi)發(fā)商為了迎合消費(fèi)者的心理，側(cè)重于營(yíng)造居住生活空間的舒適性，由此大量不規(guī)則住宅出現(xiàn)?！犊挂?guī)》3.4.3條明確規(guī)定了不規(guī)則類型主要有平面不規(guī)則和豎向不規(guī)則，其中平面不規(guī)則包含扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，凹凸不規(guī)則，樓板局部不連續(xù)；豎向不規(guī)則包含了側(cè)向剛度不規(guī)則，豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)，樓層承載力突變[1]。

1 工程概況

本工程為友富（上海）有限公司投資開(kāi)發(fā)的皇都花園二期。皇都花園位于上海閔行七寶鎮(zhèn)地區(qū)，與莘莊鎮(zhèn)比鄰?；啬厦鏋轭櫞髀?，東為新鎮(zhèn)路，西面為北橫涇，北側(cè)為寶銘路，總用地面積22.89公頃?；识蓟▓@二期主要由10棟高層住宅建筑組成，住宅層數(shù)從12層到20層，其中2號(hào)樓為20層。本工程屬丙類建筑，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，合理使用年限為50年，設(shè)計(jì)特征周期0.9，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，抗震設(shè)防烈度7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g。多遇地震時(shí)，水平地震影響系數(shù)最大值為0.08，建筑場(chǎng)地屬IV類場(chǎng)地。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)選型及布置

2號(hào)樓結(jié)構(gòu)平面為‘Y’形，采用剪力墻結(jié)構(gòu)，剪力墻抗震等級(jí)為三級(jí)。主樓高度為20層，61.0m，出屋面塔樓一層高4.8m。結(jié)構(gòu)高寬比為1.42。地下室層高為3.5m，地面以上一層層高為3.5m，其余為3.0m，屋面層為3.5m。地下室外墻厚350mm，地面以上外墻為300mm，內(nèi)墻為250mm及200mm，個(gè)別部分為300mm。地下室頂板厚180mm，二層樓板因開(kāi)大洞加強(qiáng)厚150mm，頂層厚150mm，其余層厚120mm（其中各肢連接部位加強(qiáng)厚150mm）。二層和標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置圖見(jiàn)圖1，圖2。

2.2 結(jié)構(gòu)超限情況與不規(guī)則性

2號(hào)樓平面形狀為‘Y’形，其中Bmax=43.104m，L=49.441m，l=24.970m，b=10.075m。根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)計(jì)指南》[2]其超限主要在如下幾個(gè)方面：

1)l=0.58Bmax>0.30Bmax;b<0.30L且b<0.5l

2)樓板不連續(xù)：二層樓板開(kāi)洞后，有效寬度小于該樓層樓板典型寬度的50%,開(kāi)洞面積大于該樓面面積的30%[2]

3)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則：考慮偶然偏心影響的地震作用下，樓層的最大彈性水平位移（層間位移）大于該樓層兩端彈性水平位移（層間位移）平均值的1.2倍[2]。由于平面不規(guī)則，南北不對(duì)稱，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)較大，某些樓層豎向構(gòu)件的最大水平位移與樓層平均值之比大于1.2，屬扭轉(zhuǎn)不規(guī)則

綜上所述，2號(hào)樓為平面不規(guī)則的超限結(jié)構(gòu)，需按超限高層的有關(guān)要求設(shè)計(jì)。

3 結(jié)構(gòu)分析

由于2號(hào)樓屬平面不規(guī)則的超限高層結(jié)構(gòu)，所以采用SATWE，PMSAP兩種計(jì)算軟件進(jìn)行整體計(jì)算分析與比較，并進(jìn)行了抗震專項(xiàng)審查。計(jì)算地震作用時(shí)采用空間扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)的振型分解反應(yīng)譜法，計(jì)算振型數(shù)為15，以地下室底板面作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端，計(jì)算單向地震作用時(shí)考慮偶然偏心的影響，同時(shí)由于結(jié)構(gòu)質(zhì)量和剛度分布明顯不對(duì)稱，計(jì)算中也考慮了雙向地震作用下的扭轉(zhuǎn)影響。另外由于結(jié)構(gòu)體型為‘Y’型，結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件非正交，計(jì)算中按多個(gè)角度進(jìn)行了驗(yàn)算，由程序自動(dòng)算出最不利方向角，找出了最弱方向進(jìn)行抗震驗(yàn)算。在整體計(jì)算中采用樓板剛性假定，但是在樓，電梯間附近和開(kāi)大洞的周邊，計(jì)算時(shí)設(shè)置為彈性板，各樓層中如樓板缺失較多時(shí)也將該樓層板設(shè)為彈性板。按總剛模式進(jìn)行計(jì)算分析，找出結(jié)構(gòu)的剛度突變部位和薄弱部位。各種計(jì)算結(jié)果見(jiàn)列表所示。

計(jì)算成果表

從計(jì)算結(jié)果來(lái)看兩個(gè)程序計(jì)算的結(jié)果基本吻合，結(jié)構(gòu)性能包括結(jié)構(gòu)的自身振動(dòng)特性，地震作用和結(jié)構(gòu)位移均能滿足規(guī)范要求。以扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期為第三周期，其值小于第一平動(dòng)周期的0.90，但比較接近。結(jié)構(gòu)水平位移由地震作用控制，各樓層的最大層間位移角均小于規(guī)范規(guī)定的限值；在考慮偶然偏心影響的單向地震作用下，樓層的最大彈性水平位移（層間位移）與該樓層兩端彈性水平位移（層間位移）平均值的比值控制在1.3以內(nèi)，能較好的控制地震作用下的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)；計(jì)算的累計(jì)有效質(zhì)量系數(shù)大于90%，說(shuō)明所選計(jì)算振型數(shù)滿足要求；各樓層水平地震剪力與樓層重力荷載代表值的比值均滿足《抗規(guī)》[1]5.2.5條的要求。

計(jì)算程序 SATWE PMSAP自振周期扭轉(zhuǎn)成份T1 1.6061 1.00 0.00 1.531763 1.00 0.00 T2 1.5409 1.00 0.00平動(dòng)成份周期周期1.461405 0.98 0.02扭轉(zhuǎn)成份1.327660 0.03 0.97 T3/T1=86.7%T3 1.3207 0.00 1.00周期比 T3/T1=82.2%第一地震方向91.59%第一地震方向98.02%第二地震方向91.58%第二地震方向98.36%有效質(zhì)量系數(shù)地震作用X：1/1131 X：1/1097最大值層間位移角Y：1/1146 Y：1/1124 X：1.23最大層間位移與平均層間位移的比值（最大值）X：1.30 Y：1.18 Y：1.23 X：1/4301 X：1/3808平動(dòng)成份風(fēng)載作用 最大值層間位移角Y：1/3472 Y：1/3658 Qox/Ge=3.57%Qox/Ge=3.12%剪重比Qoy/Ge=3.54%Qoy/Ge=3.05%

4 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)及構(gòu)造加強(qiáng)措施

2號(hào)樓采用了‘Y’型的建筑樣式，而這類建筑由于其平面的嚴(yán)重不規(guī)則性，建筑中抗扭剛度的設(shè)計(jì)與控制成了重中之重。本工程在試算時(shí)，第一振型周期以扭轉(zhuǎn)為主，結(jié)構(gòu)位移比也較大。周期比和位移比是反映結(jié)構(gòu)抵抗地震扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的指標(biāo)，它控制的是側(cè)向剛度與扭轉(zhuǎn)剛度的相對(duì)關(guān)系，直接反映結(jié)構(gòu)抗扭構(gòu)件布置的合理與否[3]。試算結(jié)果對(duì)抗震極為不利。經(jīng)過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析，針對(duì)平面超限可能形成的薄弱構(gòu)件和部位，設(shè)計(jì)時(shí)采取了如下措施：采用兩種不同的空間分析軟件進(jìn)行對(duì)比分析，使兩種計(jì)算結(jié)果盡量接近。在結(jié)構(gòu)布置時(shí)，加大周邊構(gòu)件的截面，如將南面‘A’軸上的外墻加厚至350mm并且將四周角部墻肢加長(zhǎng)，并使正交方向墻肢互為翼緣，使結(jié)構(gòu)質(zhì)心與剛心的偏心率減小，有效降低附加扭距。外圈連梁的剛度對(duì)抗扭效應(yīng)的發(fā)揮也是很關(guān)鍵的，所以設(shè)計(jì)時(shí)將外墻周邊窗臺(tái)處的連梁改為上翻梁，由原先的300 mm×400 mm改為300 mm×900mm，計(jì)算結(jié)果表明，極大改善了結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)性能。由于樓板開(kāi)大洞，嚴(yán)重削弱了樓板傳遞水平力的能力，造成洞口附近梁板應(yīng)力集中現(xiàn)象，為提高各層樓蓋的承載能力和整體剛度，沿孔洞周邊盡量設(shè)置邊梁，增加洞口邊梁側(cè)向抗扭鋼筋，抗扭鋼筋的間距控制在100mm范圍，同時(shí)增加孔洞周邊連接板的板厚，配筋雙層雙向拉通，以提高該部位的抗震能力，避免由于平面剛度突變出現(xiàn)明顯的結(jié)構(gòu)薄弱部位。加強(qiáng)‘Y’形平面兩個(gè)肢與主體連接部位斷面的梁板強(qiáng)度提高其配筋率，并進(jìn)行局部特定分析，所以2號(hào)樓‘Y’形肢連接部位處的各層樓板都加厚為150mm，雙層雙向配筋。加強(qiáng)建筑物外邊梁的強(qiáng)度提高配筋率，加強(qiáng)角部豎向構(gòu)件及水平構(gòu)件的抗震承載力。通過(guò)上述這些構(gòu)造加強(qiáng)措施，結(jié)構(gòu)的整體抗震性能有了明顯的改善。同時(shí)在總體計(jì)算時(shí)控制扭轉(zhuǎn)成份，并盡量減少扭轉(zhuǎn)影響，兩種計(jì)算程序的分析結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)在地震作用和風(fēng)荷載作用下的周期、位移、剪重比等各項(xiàng)指標(biāo)接近，分析結(jié)果可靠，較好地滿足了規(guī)范要求。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上論述，我們知道隨著建筑設(shè)計(jì)及使用功能的日益多樣化，會(huì)出現(xiàn)越來(lái)越多的平、立面不規(guī)則超限高層建筑。對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)分析結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和結(jié)構(gòu)形式的特殊性，能運(yùn)用概念設(shè)計(jì)對(duì)不規(guī)則住宅建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)，結(jié)構(gòu)師必須擁有清晰的結(jié)構(gòu)概念和力學(xué)知識(shí)。本文主要研究通過(guò)一系列計(jì)算和抗震加強(qiáng)措施對(duì)不規(guī)則住宅進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過(guò)工程實(shí)例介紹了不規(guī)則住宅建筑的計(jì)算要點(diǎn)和薄弱部位以及在荷載作用下的受力、變形特征。通過(guò)選擇合理的結(jié)構(gòu)體系，減小結(jié)構(gòu)平面的凹凸程度，加強(qiáng)周邊構(gòu)件的剛度、調(diào)整質(zhì)心與剛心偏心率，來(lái)減小結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)?？傊?，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師針對(duì)不規(guī)則結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，必須通過(guò)可靠的計(jì)算，采取有效的構(gòu)造加強(qiáng)措施對(duì)建筑物的薄弱部位和薄弱構(gòu)件進(jìn)行加強(qiáng)，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗震性能，以此來(lái)控制由于平面或豎向不規(guī)則對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的抗震不利影響，使不規(guī)則住宅的舒適性可以滿足，但是其安全性仍然可以達(dá)到國(guó)家規(guī)范的要求。

[1]建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范 GB50011-2010北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2001.

[2]呂西林.超限高層建筑工程抗震設(shè)計(jì)指南-2版 上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2009.10.

[3]高志建.半島花園9號(hào)樓超限高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).上海建設(shè)科技 2005.

[4]高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程 JGJ3-2002.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.