淺談帶設備層高層建筑抗震性能分析

文/茹博軍 山西國陽投資咨詢有限責任公司 山西太原 030000

淺談帶設備層高層建筑抗震性能分析

文/茹博軍 山西國陽投資咨詢有限責任公司 山西太原 030000

本文以某一商業綜合體工程實例為依托，建立標準結構模型和托盤結構模型，采用振型分解反應譜法對不同模型進行抗震性能分析，獲得不同結構模型抗震性能指標；通過性能指標分析和比較，提出了托盤模型是解決設備層豎向抗側剛度突變的有效方法，為今后類似工程設計提供參考依據。

托盤模型；周期；振型；樓層地震剪力；抗側剛度比

1 項目概況

某商業綜合體，位于6度（0.05g）地震設防區。主樓為兩棟相互獨立的高層建筑，其中一棟7層以上為酒店，另一棟7層以上為辦公樓，其中裙房區域為建筑在地上七層的商業用房以及地下二層的車庫。裙房和塔樓之間是相互連接的，二者共同構成了綜合樓，該綜合樓的尺寸136.4m×58.4m。結構平面酒店與商場之間設抗震縫，計算模型以酒店進行分析比較。第二室一層層高為5000mm和5400mm；地上底層層高則為首層為6000mm、二三四層為5100mm、第五層為5000mm、第六七層則為4800mm；八層及以上酒店層高均為3600mm，其中在七層與八層之間設置設備層，層高為2180mm。場地類別為二類、抗震等級為二級、粗糙度類別則為B類。其中酒店為框架-剪力墻結構，結構嵌固端取地下室頂層處。

2 結構計算模型

由于酒店上下建筑功能的不同，在七層與八層之間進行設置設備層，這樣能夠充分滿足設計與建造酒店時的功能需求。就經濟視角而言，設備層的高度一般都在2.0m，比下部大底盤行業上部塔樓的高度要低一些，但是其豎向手里構件界面尺寸未出現改變。因此，設備層因為層高出現變化，抗側高度也會出現變化，這樣就能夠使整體的構造沿著豎向抗側，從而設備層方面產生沖突，最終對結構產生一定程度的影響。為了有效應對上面提到的問題，筆者在研究中提出了兩種模型，采用PKPM SATWE[2]進行計算對比：

（1）標準模型：所謂的標準模型就是將設備視作標準結構層，層高的確定應當與設備的層高進行結合來加以模擬，標準模型不僅簡單，更加清晰，也不必額外增加計算機模型的使用。然而由于該模型的設備層層高較低，所以其有著較大的抗側剛度，在發生地震作用時期分配顯得并不十分均勻，從而會影響到整體結構的受力情況，無法滿足《高規》[3]中的相關要求；

（2）托盤模型：所謂的托盤模型就是將設備層樓層框架視作上一層支架，同時要將小柱樹立在框架梁上。這樣一來，上層托盤就能夠將作用向設備層傳導，實現對結構上下剛度突變的控制，其大大滿足了相關規定的要求，然而其也有可能會使得結構柱梁的布置步驟更加繁瑣。

3 結構抗震性能分析

3.1 振動周期及振型

依據《高規》中現行的相關規定：可以選擇振型分解反應譜法應用與高層建筑結構中，為了解決質量及剛度不對稱及不均勻的結構，可以選擇扭轉耦配合振動基礎上的的振型分解反應譜法。本次研究分別在X和Y方向實施地震反應譜，選擇兩個模型之間的15階振動周期、振型則如下表所示：

表1

由以上計算結果可以看出托盤模型第一平動周期出現在2.739s,稍滯后于標準模型2.683s。托盤模型的整體剛度偏小于標準模型，但相差在2%以內。托盤模型與標準模型整體剛度基本保持一致，可將托盤模型用于帶設備層高層建筑整體指標計算。

3.2 水平地震作用下的樓層地震剪力

結構設計中剪重比（剪力系數）是進行抗震設計一個非常重要的控制指標，即為地震水平地震作用標準值的樓層剪力與重力荷載代表值的比值。本文通過兩種模型的水平地震作用下的樓層地震剪力計算結果比較兩種模型的結構地震效應。

兩模型需要承受X，Y向地震反應譜作用后，該設備層及剪力情況見表2所示。

表2

兩種模型水平地震作用下的樓層地震剪力由上表可以看出：

(1)兩模型X向底部剪力分別為1685KN、1647KN,相差2.25%; Y向底部剪力分別為2609KN、2553KN,差距為2.14%。地震反應譜會對托盤模型產生一定的影響，從而導致產生的基底剪力較標準模型要小一些。

(2)標準模型設備層最大樓層剪力均大于托盤模型最大樓層剪力，相差不超過5%。整體受力方面托盤模型略低于標準模型。

3.3 設備層及其上下兩層樓層側向剛度比

高層建筑的豎向體型應當盡可能具備規則均勻的特征，要盡量防止大范圍的外挑和收進等情況。依據相關規定，對于筒中筒、框架以及剪力墻等結構來說，計算樓層以及其相鄰上層側香剛度時可以參考相關公式4.3-1 計算，本次計算出的比值應當至少≥0.9；當本層層高為相鄰層高1.5倍時，計算出的比值要求不得在1:1之下；

對于結構底部嵌固層而言，該比值至少要為1.5。

根據以上4.3-1公式計算，標準模型與托盤模型因設備層計算層高不同，設備層及其上下層側向剛度比亦發生變化，具體計算結果如表3。

表3

從上述表格中相關數據不難發現，上層樓層和標準波形設備側向剛度之間的比值為0.64，達不到《高規》3.5.2條中的有關要求，由于托盤模型中的層高發生了一定的變化，當設備外抗側剛度變化較為均勻時，則其與上層抗側剛度比值控制為1.56，滿足了《高規》限值的相關要求。在充分滿足設備上層、上層樓層側向高度比相關要求的同時，設備曾側向和下層結構比值從過去的2.08降低為0.91。通過兩種模型的數據分析和比較，不難發現托盤模型在對側向剛度比效果進行處理時，能夠產生更加顯著的效果。

4 結束語

帶設備層高層建筑往往由于設備層層高的不均勻變化導致結構側向剛度比超限，在本項目案例中標準模型設備層與上層樓層側向剛度比為0.64，由于托盤模型中的層高發生了一定的變化，當設備外抗側剛度變化較為均勻時，設備層和上層抗側剛度比值則為1.56，滿足了《高規》相關條文的限值。由此可見，我們設計者可在保持原有建筑功能不變的前提下，通過對結構模型的合理改變，采用托盤模型以減少結構豎向剛度不規則的變化，提高了設備層與其上層側向剛度比并滿足規范相關要求。托盤模型在我們實際設計過程中較好的解決設備層豎向抗側剛度突變問題，在類似工程設計中可借鑒采用。

[1]建筑抗震設計規范(GB50011-2011).北京: 中國建筑工業出版社, 2010.

[2]中國建筑科學研究院PKPMCAD工程部. 多層及高層建筑結構空間有限元分析與設計軟件(墻元模型)SATWE[Z]. 北京: 中國建筑科學研究院, 2003.

[3]高層建筑混凝土結構技術規程( JGJ3-2010). 北京: 中國建筑工業出版社, 2010.