“C”型平面高層結構設計分析與調整措施探討

秦家田，查春光，齊榮慶

(1.中交水運規劃設計院有限公司，北京 100007；2.北京新京潤房地產有限公司，北京 100022；3.西南林業大學 土木工程學院，昆明 650224)

1 工程概況

某辦公綜合樓地下兩層，局部設有夾層，地上十四層。地上主要功能為辦公，地下室部分為汽車庫、自行車庫以及設備用房等。地下部分與整體地下室連為一體；地上部分為獨立的結構單元，首層樓面室內外高差150 mm。地面以上結構高度：58.950 m，樓板平面尺寸約101×58(m)。地上結構采用現澆鋼筋混凝土框架-剪力墻結構，現澆鋼筋混凝土樓屋蓋。

結構平面外輪廓為矩形。二層～十二層平面由于一側帶有很大的凹進而成為“C”型，凹進開口處寬度33.6 m，凹進深度41.6 m，“C”型兩個伸臂長度與伸臂方向結構總長之比l/Bmax約為0.72[1-2]。十三、十四及屋頂將開口處采用與層高等高的鋼桁架梁和壓型鋼板加現澆鋼筋混凝土組合樓板連接，平面成為樓板開洞的“回”形結構。屋頂中央開洞處為采光屋面，該部分采用張弦梁輕鋼結構，采光屋面標高60.8 m。

本建筑外墻采用玻璃幕墻體系，屋頂采用鋼結構玻璃采光屋面(局部)，對該部分做了相關結構體系與型式的布置，計算中考慮了該部分荷載。結構標準層平面圖如圖1所示。

圖1 結構標準層平面圖

2 結構設計參數

該結構設計使用年限為50 a，安全等級為二級，抗震設防類別為一般設防類。場地抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.10 g，設計地震分組為第一組，場地土層等效剪切波速Vse=110.2～113.1 m/s，建筑場地類別為Ⅲ類，場地特征周期為0.47 s。基本風壓為0.45 kN/ m2(按100a一遇)，地面粗糙度類別為C類。

柱墻混凝土強度等級為C35至C50，梁板混凝土強度等級為C30，縱向鋼筋選用HRB400，箍筋選用HPB235，鋼材選用Q235B。

3 主要計算結果

選用中國建筑科學研究院的PKPM-SATWE(2009年07月版)軟件進行計算分析[3-5]。將地上各層與地下室合并為整體結構進行建模計算，考慮到結構首層樓面與(車庫)地下部分頂板存在1.50 m高差，故將地下室剪力墻體進行加強，使結構地下一層與相鄰上一層的剛度比大于2倍，滿足地下一層頂板作為嵌固端的要求，因此該結構范圍以外的地下結構未輸入在計算模型內[6-7]。

計算結果顯示，結構樓層質量分布均勻，無異常突變；結構在地震及風荷載作用下的剪重比能滿足《高規》3.3.13條要求[8]；結構各層剪重比均滿足規范要求；水平地震作用下，框架柱所承擔的傾覆彎矩小于50%總傾覆彎矩，滿足《高規》8.1.3條要求；結構能夠通過《高規》5.4.4條規定的整體穩定驗算，剛重比大于《高規》5.4.1條規定不考慮重力二階效應不利影響的剛重比限值，不需要考慮重力二階效應。

SATWE計算得到的結構前3個振型對應的周期見表1。X、Y方向的振型參與質量系數分別為99.81%和99.50%，均滿足規范不小于90%的要求。結構的第一扭轉周期與第一平動周期之比為0.834，滿足規范周期比要求。

表1 結構周期

主要超限計算結果如下。

3.1 結構位移和位移比指標

結構主要位移指標見表2及表3。地震作用下層位移角如圖2所示。在地震作用下，樓層位移及層間位移角很小，能夠滿足規范要求，且位移比數值也能滿足規范嚴格限值要求。在風荷載作用下，位移指標滿足規范嚴格限值要求。

表2 地震作用下的最大層間位移角

表3 風荷載作用下的最大層間位移角

3.2 結構層間剛度比分析

結構各層側移剛度與上一層側移剛度70%或上三層側移剛度平均值80%的比值中較小值如圖3所示，結構各層剛度比均大于1，不存在薄弱層，剛度比滿足規范要求；結構的剛心分布如圖4所示。可見，結構剛度分布合理，不存在薄弱層。

圖2 地震作用下層間位移角

圖3 上部層間結構剛度比

圖4 結構的剛心分布

3.3 結構層間抗剪承載力比分析

各樓層本層與上一層的抗剪承載力之比如圖5所示，從圖中可見各樓層抗剪承載力變化較為均勻，每層的抗剪承載力都不小于上一層的65%，都能滿足《高規》4.4.3條的規定。地上個別樓層(計算層號：5、12、15)本層與上一層的抗剪承載力之比略小于80%，相應抗剪承載力偏小。

圖5 各樓層本層與上一層抗剪承載力之比

4 結構分析與調整

本工程高度較低，結構體系比較簡單，傳力途徑明確，但結構平面布置存在一定缺陷。整體計算結果滿足規范要求，但一些局部構件的反應也存在超出規范一般性限值(即規范條文中規定的不宜超出的指標)。對這些存在的問題需做出分析、判斷，進行必要的調整和采取對應結構措施。

4.1 結構平面布置存在的缺陷

結構布置方面：結構平面基本呈矩形，外圍周邊有挑出，挑出邊緣為弧線，由于樓板邊緣為弧線半徑很大，結構平面仍屬于矩形平面。主入口部位凹入，且凹入延續至十二層樓面，形成較大平面凹凸，屬平面凹凸不規則[9-10]。十三、十四及屋頂，主入口上方設有樓層(共兩層)，形成樓板開大洞。洞口為43.8×24.6(m)矩形洞口，洞口較大，但未超過規范限值。見表4。

結構整體計算結果方面：樓層位移指標滿足規范要求，樓層位移比超過規范1.2的一般性限值，但不大于規范嚴格限值1.5，見表5。樓層沿豎向剛度相對均勻，滿足規范要求，樓層計算抗剪承載力有部分層略小，其與相鄰上層之比小于80%，但大于65%，超出規范一般性限值。見表6。

4.2 結構不規則情況分析

按照現結構布置情況和計算分析結果，與規范技術指標比對，存在三項不規則，即平面特別不規則以及結構扭轉、樓層抗剪承載力一般性不規則。

按照結構計算結果數據，本工程的確存在一個明顯的缺陷，即平面凹凸特別不規則。“C”型平面的雙軸有明顯的強弱之分，抗扭能力較矩形平面(包括凸多邊形)弱。計算結果中，前三周期呈雙向平動加扭轉和角位移比略大均由“C”型平面引起。頂部三層樓面開洞指標雖然滿足規范限值，但已很接近限值，特別是洞口長、寬比更為接近。

表4 結構平面情況

表5 結構樓層位移情況

表6 樓層抗剪承載力情況

5 結構調整加強措施

根據上述分析，針對相關問題提出結構設計的加強措施，以改善結構性能，保證安全。

5.1 框架柱提高要求

由于本工程存在著平面特別不規則以及結構扭轉、樓層抗剪承載力一般性不規則；適當提高其結構抗剪承載能力是必要的。同時考慮本工程結構高度為58.950 m，接近規范中框架抗震墻結構框架結構抗震等級為二級的60 m分界要求的規定。因此本工程框架的計算采用抗震等級為二級，且其縱筋、箍筋的配置要求按照二級框架的抗震構造措施設計。

5.2 開大洞層樓板配筋構造要求

開大洞樓層，即十三、十四及屋頂層，樓板采用雙層雙向通長配筋。配筋量在滿足樓板豎向荷載承載力要求下，增加0.4%，樓板上下配筋各增加0.2%。

鋼梁部位樓板較薄，樓板配筋滿足基本構造和豎向荷載承載力要求，不增加配筋，樓板下加設型鋼水平支撐。

5.3 5、12及15層墻體、框架柱配筋調整

整體計算結果中，程序給出5、12、15層(計算樓層編號)樓層抗剪承載力本層與上層的承載力比值分別為0.80、0.71、0.72，不滿足規范0.8限值。由于目前樓層抗剪承載力比值小于規范要求不多，因此根據《建筑抗震設計規范》第3.4.3條有關規定，統籌考慮相鄰層配筋并適當調整本層剪力墻、框架的實際配筋，通過提高本層剪力墻、框架柱抗剪承載力，增加結構延性，同時注意與相鄰的下層受剪承載力比值，以保證相鄰各層均能滿足規范要求，避免形成新的薄弱樓層。在結構程序Satwe計算中選擇五、十二、十五層為結構薄弱層，根據規范條文要求自動調整該層的配筋量，增加結構的變形能力。

6 結 論

(1)結構按反應譜進行彈性分析時，結果表明：結構樓層剛度和質量分布均勻；結構剛度分布合理，變化均勻，不存在薄弱層；結構剪重比滿足規范要求；結構在規定風荷載(一百年一遇)及地震作用下，存在一定超出規范一般限值要求項，但均滿足較為嚴格的規定要求。

(2)在設計平面不規則結構時，為降低平面不規則給結構所帶來的不利影響，可采取提高框架柱抗震等級、增加樓板配筋和增加結構薄弱層剪力墻及框架柱的配筋三種措施進行調整。

【參 考 文 獻】

[1]中華人民共和國住房和城鄉建設部.JGJ3-2010高層建筑混凝土結構技術規程條文說明[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[2]中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB50011-2010建筑抗震設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[3]顧祥林，孫飛飛.混凝土結構的計算機仿真[M].上海：同濟大學出版社，2002.

[4]呂西林.復雜高層建筑結構抗震理論與應用[M].北京：科學出版社，2007.

[5]呂西林，金國芳，吳曉涵.鋼筋混凝土結構非線性有限元理論與應用[M].上海：同濟大學出版社，2002.

[6]刁現偉.不規則框架結構抗震性能研究及基于性能的抗震設計[D].上海：同濟大學，2006.

[7]孔德堂.平面不規則鋼筋混凝土框架結構抗震性能分析和評估[D].西安：西安建筑科技大學，2006.

[8]中華人民共和國住房和城鄉建設部.JGJ3-2010高層建筑混凝土結構技術規程[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[9]馬繼華.基于平面不規則高層商住樓結構設計分析與調整措施探討[J].四川建材，2010，36(3)：45-48.

[10]李文超，于建國，李 敏.雙面W板安全護欄結構設計和靜力仿真分析[J].森林工程，2012，28(6)：42-46.