不同設備層結構方案對比分析

周 洲

在帶裙房的塔樓建筑中，通常將設備層設置在塔樓出裙房樓層位置。在實際結構設計過程中，設備層通常采用如下兩種方式進行處理:

1)將設備層設為單獨結構層，層高2.2 m(方案A);

2)將設備層與相鄰上一樓層合并成一個結構層，層高6 m，放置設備的部分采用一個簡單的框架次結構置于該樓層之中(方案B)。

本文針對兩種設備層結構方案，依照我國現行規范要求進行結構彈性計算分析與設計，對比研究了兩種設備層方案對結構自振特性、結構樓層剪力與傾覆力矩分布、構件內力以及計算配筋等因素的影響。本文研究對象為框架—核心筒體系，塔樓結構共25層，其中裙房5層。建筑結構設計使用年限:50年;建筑結構安全等級:二級，對應結構重要性系數為1.0;抗震設防烈度為8度，設計地震分組為第一組，設計基本地震加速度值為0.20g;建筑場地類別:Ⅲ類;場地特征周期:0.45。

1 結構計算分析

計算模型中，1層 ～5層為裙房部分，層高分別為5.4 m(1 層)、5.1 m(2層 ～5層)，第6層為設備層，層高為2.2 m(方案A)或6.0 m(方案B)，其余樓層層高均為3.8 m。結構梁及樓板混凝土等級均為C30，框架柱及剪力墻混凝土等級沿樓層依次為C50(1層～7層)，C45(8層 ～14層)，C40(15層 ～20層)及 C35(21層～頂層)。

多遇地震作用下計算分析。本工程采用SATWE軟件進行三維空間有限元計算。考慮5%偶然偏心和雙向地震作用兩種情況分別進行驗算;采用剛性樓板假定理論計算樓層位移和位移比;結構內力計算及配筋時考慮樓板開洞及大空間等影響，采用局部彈性膜分析模型。結構主要計算結果見表1～表3。

1)結構動力特性統計表見表1。

由表1可知兩種設備層方案對整體結構的自振特性影響有限，對結構的振型形態基本沒有影響。

表1 結構動力特性統計表

表2 結構位移響應統計表

表3 最大位移比統計表

2)結構位移響應和最大位移比統計表見表2，表3。

由表2，表3可以看到，兩種設備層結構方案對結構樓層位移及層間位移角的分布基本沒有影響。

3)地震作用下的結構樓層剪力及傾覆彎矩。

圖1 X方向最大樓層剪力曲線（一）

圖2 Y方向最大樓層剪力曲線（一）

A方案的結構最大樓層剪力曲線和彎矩曲線見圖1～圖4。

圖3 X方向最大樓層彎矩曲線（一）

圖4 Y方向最大樓層彎矩曲線（一）

B方案的結構最大樓層剪力曲線和彎矩曲線見圖5～圖8。

由圖5～圖8可以看到，除設備層所在樓層位置外，兩種設備層結構方案對結構樓層剪力及傾覆力矩的分布基本沒有影響。

4)結構樓層側向剛度比見表4。

圖5 X方向最大樓層彎矩曲線（二）

圖6 Y方向最大樓層彎矩曲線（二）

圖7 X方向最大樓層剪力曲線（二）

圖8 Y方向最大樓層剪力曲線（二）

表4 結構樓層側向剛度比

樓層剛度比是結構抗震設計中的關鍵指標之一，為了限制結構樓層側向剛度分布的豎向不規則性，我國現行JGJ 3-2002高層建筑混凝土結構技術規程中規定“抗震設計的高層建筑結構，其樓層側向剛度不宜小于相鄰上部樓層側向剛度的70%或其上相鄰三層側向剛度平均值的80%”。當設備層采用方案A時，由于設備層層高低、側向剛度大，使得其相鄰下層與該層的剛度比不滿足要求;而方案B則由于層高較大，在減小設備層側向剛度，解決方案A中問題的同時，又因與上層結構樓層高度相差較大，使得設備層與相鄰上一樓層、與相鄰上三樓層剛度平均值比均增大顯著。

5)設備層及其相鄰樓層典型構件內力。對比兩種設備層方案各構件內力的數值可以發現，層高大小對于設備層樓層剪力的分配有顯著影響:設備層方案A中由于設備層層高較小，框架柱所受剪力存在突變，顯著大于其相鄰上部樓層，墻肢則明顯小于其相鄰樓層;方案B中設備層框架柱剪力則基本保持與方案中設備層以上樓層相同的分布規律;此外還可以發現，結構框架柱是否在樓層內出現反彎點與其所在樓層層高并無直接關系，而與整個樓層的抗側力構件布置及相對剛度有關。地震作用下兩種設備層方案中設備層的框架柱及墻肢的剪力有顯著變化;而彎矩數值則基本相當。這表明，對于高層建筑而言，地震作用下構件所受到的彎矩主要由上部結構的傾覆造成。

6)結構的配筋設計。保持結構設計其他荷載、計算參數及設計條件不變，依照我國現行相關規范要求，對結構分別按8度抗震設防要求，完成兩種設備層方案的結構設計。對比兩種設備層方案的設備層豎向構件配筋情況可以看到，相同設防烈度下，兩種設備層方案的計算配筋差別不大。

2 結語

本文建立了兩種設備層方案的結構分析模型，分別針對結構自振特性、樓層剛度比、設計地震作用下樓層剪力與傾覆力矩的分布規律、樓層最大位移及層間位移角、典型構件內力以及結構設計計算配筋等因素進行了分析。通過以上分析，得到結論如下:

1)兩種設備層方案對于結構自振特性的影響較小。

2)兩種設備層方案中設備層層高較其相鄰上、下樓層均變化較大，從而導致結構樓層剛度出現了不同程度的突變。依照現行規范要求，兩種設備層方案中，設備層層高較小的(方案A)導致的突變程度較大，易于出現不滿足規范限值要求的情況;設備層層高較大(方案B)的方案導致的突變程度較小，易于滿足規范限值要求。

3)地震作用下，兩種設備層方案對結構的樓層剪力及傾覆力矩、結構樓層最大位移及最大層間位移角等計算指標影響不大。

4)分析表明，設備層方案(層高)的不同會對設備層構件地震作用下的剪力造成影響:層高小(方案A)時框架柱剪力突變程度大，且數值顯著大于其相鄰樓層。方案B則基本無突變現象。

5)不同烈度的結構配筋設計結果顯示，兩種設備層方案對構件設計配筋基本無影響。

[1]GB 50011-2010，建筑抗震設計規范[S］.

[2]JGJ 3-2010，高層建筑混凝土結構技術規程[S］.

[3]楊紅艷.結構設計技術總結[J］.山西建筑，2010，36(6):77-78.