某啞鈴型辦公樓抗震分析與設計

周慧鑫 王 干 趙建忠

(蘇州工業園區設計研究院股份有限公司，江蘇蘇州 215021)

1 工程概況

某辦公樓地下1層，地上6層，建筑面積13 480．22 m2，建筑總高23．7 m。設計使用年限為50年，建筑結構安全等級為二級，設計地震分組為第一組，建筑場地類別為三類，抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度為0．05g，建筑抗震設防類別為標準設防類，結構體系為鋼筋混凝土框架剪力墻結構，框架抗震設防等級為四級，剪力墻的抗震設防等級為三級，地基基礎的設計等級為乙級，基礎為筏板基礎。地面粗糙度類別為B類，基本風壓0．45 kN/m2，基本雪壓為 0．4 kN/m2。

本工程建筑平面呈啞鈴型，長 L=56．2 m，寬 B=45．2 m，凹入尺寸 l=27．6 m，L/B=1．24，l/B=0．61 ＞0．35，屬于平面不規則建筑且超規范限值較大。盡管建筑豎向體型均勻、規則，但本工程仍屬于特別不規則建筑。

2 結構方案確定

結構方案設計時，如沿用傳統信息思路則應通過設置抗震縫將上部結構分割成較為規則的三個單體，但本工程綜合考慮各種因素后，決定采用無縫設計，不設抗震縫，按照“工”形進行整體設計，主要因素如下:

1)此建筑周邊由連續的玻璃幕墻作為圍護構件，如果分縫處理，玻璃幕墻在分縫處的連接施工工藝復雜，并且在總體布局上感覺為凌亂的多個建筑體塊，影響建筑整體效果。

2)在以往的結構概念中，認為多個獨立的規則的結構單元，能夠很好的保證結構在地震作用下的結構安全性，但在最近一些地震震害分析中發現，結構單元之間的抗震縫寬度均在經驗基礎上設計，因具體結構體系的差別，以及地震力大小的區別，引起了結構水平作用位移遠遠超過抗震縫的實際寬度，致使在地震時，發生了較高概率的碰撞。致使抗震縫兩側的非結構構件(填充墻，女兒墻)及主結構構件(梁，柱，剪力墻)發生破壞，諸如在1994年北嶺地震(1994 Northridge earthquake)和2008年汶川地震等大震中，都存在相鄰建筑物相撞引起的結構構件，造成較大的人員傷亡和財產損失;在汶川地震中，綿陽市檢察院新建綜合辦公樓，由于地震時伸縮縫被拉開又重合，造成巨大的沖擊力，導致頂部幕墻局部震碎形成“玻璃雨”。

3)正常使用情況下，因存在抗震縫(即永久縫)，致使在建筑防水的處理上，難以達到完美;同時因本建筑特點，從入門廳至辦公室中每次均需跨越永久縫，影響人的自身生理感覺。

4)針對本工程的特點，在樓梯間處集中布置剪力墻，形成封閉筒體，保證樓板水平力的有效傳遞。其次在結構平面的四角處巧妙利用建筑墻體設置剪力墻，減小結構在地震作用下的扭轉效應。

結構典型平面布置見圖1。

圖1 結構平面布置圖

3 結構計算分析

3．1 設計理念

我國現行抗震規范GB 50011-2011第3．4．4條的規定:特別不規則的建筑，應經專門研究，采取更有效的加強措施或對薄弱部位采取相應的抗震性能化設計方法。綜合考慮抗震設防類別，設防烈度，場地條件，結構的特殊性，安全性，可修復性等各項因素，本工程的結構抗震性能目標水準定為D級［1-3］。性能設計指標見表1。

表1 性能設計指標

為了達到預期的設計目的、實現預定的抗震設防目標，分別進行了以下計算，見表2。

3．1．1 主要計算參數

混凝土容重取26 kN/m3，計算X，Y兩個方向的風荷載和水平地震作用;結構重要性系數為1．0;振型組合方法為CQC;計算振型為15個;考慮偶然偏心和雙向地震扭轉效應。周期折減系數取 0．7。

表2 設計計算情況

3．1．2 計算結果

小震作用結果如表3所示。

表3 小震作用計算結果

無超配筋信息，滿足性能水準1的要求。

框架柱剪力墻正截面承載力中震不屈服驗算的目的是考察框架剪力墻在中震作用是否滿足正截面不屈服的性能設計目標，結果表明，本設計滿足中震的性能設計目標4。

大震截面受剪驗算的目的主要是考察豎向構件在大震作用下是否滿足性能設計目標，經計算，所有豎向構件在大震作用下均能滿足截面受剪尺寸要求，滿足大震下防止框架柱發生脆性破壞的性能設計目標要求:滿足性能水準5的要求。現取典型構件計算，見表4。

表4 大震作用計算結果

3．2 樓板有限元應力分析

在樓板薄弱平面有效寬度較小，有必要進行樓板有限元應力分析驗證，驗證加設剪切筒體是否能夠有效保證水平力的傳遞，驗證樓板厚度是否滿足設計要求，保證在中震作用下，樓板的有效性。

根據計算結果云圖可知，加設剪力墻筒體后，樓板應力較純框架結構分布更加均勻，無樓板應力集中現象，滿足強度要求，也能有效的保證水平力的傳遞，見圖2，圖3。

圖2 有剪力墻核心筒時樓板應力

圖3 無剪力墻核心筒時樓板應力

4 結語

盡管平面極其不規則，但通過多工況多軟件計算分析，以及合理的結構構造措施，多工況計算結果顯示，結構表現出良好的抗震性能，可以確定現有設計是安全的、合理的。

1)啞鈴型結構在結構概念上為平面不規則結構體系。但經過合理的結構設計，借助結構軟件的計算分析，能夠滿足結構抗震性能設計目標;

2)樓板薄弱部位設置剪力墻筒體，可以有效降低應力集中，減輕震害，并可保證水平力的有效傳遞;

3)細腰處樓板厚度采取加厚，厚度不宜小于150 mm，配筋率不宜小于0．25%，且鋼筋應雙層雙向拉通。

［1］GB 50011-2010，建筑抗震設計規范［S］．

［2］JGJ 3-2010備案號J 186-2010，高層建筑混凝土結構技術規程［S］．

［3］基于性能的抗震設計——現狀與課題(2012版)［M］．北京:中國建筑工業出版社，2012．