某復(fù)雜結(jié)構(gòu)超限高層建筑分析與設(shè)計

□文/張鳳華

某復(fù)雜結(jié)構(gòu)超限高層建筑分析與設(shè)計

□文/張鳳華

天津市北辰區(qū)盛景酒店地下1層，地上7層，采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系；是具有扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、凹凸不規(guī)則、樓板局部不連續(xù)及側(cè)向剛度不規(guī)則等項的超限高層建筑。工程采用3種軟件進(jìn)行小震下反應(yīng)譜分析。計算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)的周期比、剪重比、層間位移角等均滿足規(guī)范要求。在反應(yīng)譜分析的基礎(chǔ)上，采用PK PM軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了彈性時程反應(yīng)分析，結(jié)果顯示，彈性時程分析結(jié)果的平均值基本都小于反應(yīng)譜分析的結(jié)果。在小震分析的基礎(chǔ)上，選取了幾個關(guān)鍵結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行了中震不屈服校核，結(jié)果顯示，構(gòu)件能夠滿足中震不屈服的性能目標(biāo)；同時采用PU SH程序?qū)ζ溥M(jìn)行大震下的靜力彈塑性分析。

超限；高層建筑；復(fù)雜結(jié)構(gòu)

1　工程概況

天津市北辰區(qū)盛景酒店總建筑面積約為9.0萬m2。地下1層，地上7層；地下室層高5.4m，首層層高6.0m，2層層高7.2m，3～7層層高均為4.2m（局部中間塔樓7層層高為6.0m），室內(nèi)外高差為1.45m，建筑物總高為37.40m。地下建筑使用功能主要為車庫及設(shè)備、后勤、娛樂活動部分；1～2層主要為各種商務(wù)宴會廳及餐廳部分；3層以上為酒店客房部分。

2　風(fēng)荷載和地震作用[1]

2.1風(fēng)荷載

天津地區(qū)基本風(fēng)壓為0.5 kN/m2(50 a一遇)，場地粗糙度為B類，體型系數(shù)取1.4，本工程風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)位移按50a一遇風(fēng)荷載進(jìn)行設(shè)計。

2.2地震作用

工程位于天津市北辰區(qū)，設(shè)計基本地震加速度為0.15g，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)防地震分組為第二組，特征周期Tg為0.55 s；場地類別為Ⅲ類，阻尼比取0.05。水平地震影響系數(shù)最大值amax按表1選用。

表1　水平地震影響系數(shù)最大值

3　結(jié)構(gòu)選型與布置

3.1結(jié)構(gòu)體系

工程建筑體型大致情況：1～4層整體為大底盤，5層以上分為3個塔樓（中間部分為塔1，左側(cè)為塔2，右側(cè)為塔3）。大底盤部分不設(shè)置結(jié)構(gòu)縫，保證建筑的外立面效果。結(jié)合建筑平立面的方案要求及結(jié)構(gòu)專業(yè)規(guī)范要求，綜合多方面因素，采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系，剪力墻主要布置在建筑的樓梯間、電梯間及建筑物的周邊。樓面體系采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土主次梁樓蓋，局部樓板開洞。框架柱網(wǎng)尺寸主要為7.2m×7.2m。大底盤結(jié)構(gòu)平面和上部3個塔樓的平面布置見圖2和圖3。

圖2　大底盤結(jié)構(gòu)平面布置

圖3　分塔結(jié)構(gòu)平面布置

3.2主要構(gòu)件截面

大底盤局部31m跨宴會廳為提高結(jié)構(gòu)的剛度和延性，有效控制柱截面尺寸，采用型鋼混凝土框架柱，柱截面為1000mm×1400mm；其余大部分柱截面2層以下為900mm×900mm，2層以上柱截面為800mm×800mm；墻混凝土強(qiáng)度等級從下到上由C45變化到C35，框架柱混凝土強(qiáng)度等級從下到上由C40變化到C35；縱筋鋼筋采用H RB500級鋼筋[2]。宴會廳屋頂采用鋼-混凝土組合梁；2層中廳花園屋蓋跨度分別為21.6m×21.6m及21.6m×27.9m，采用現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土空心樓蓋；其余部分樓板采用鋼筋混凝土現(xiàn)澆樓板，板厚普遍為120mm，個別部位由于荷載較大或跨度較大等因素適當(dāng)加大。

4　超限情況及解決方案

4.1超限情況

設(shè)計基準(zhǔn)期為50 a，結(jié)構(gòu)安全等級為二級，抗震設(shè)防類別為丙類。經(jīng)過初步計算和結(jié)構(gòu)桿件布置后，設(shè)計中主要存在以下特點及難點：

1）考慮偶然偏心時，3層X向最大層間扭轉(zhuǎn)位移比1.24，大于扭轉(zhuǎn)位移比1.2；

2）3層和4層局部凸出長度為相應(yīng)邊長的36%，凹凸尺寸大于相應(yīng)邊長30%；

3）有效寬度＜50%，開洞面積＞30%；

4）3層豎向構(gòu)件收進(jìn)＞25%；

5）1～3層存在穿層柱、7層頂塔樓局部構(gòu)件轉(zhuǎn)換。

綜合以上幾點，根據(jù)GB50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》，主要存在以下不規(guī)則項目：扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，凹凸不規(guī)則，樓板局部不連續(xù)及側(cè)向剛度不規(guī)則，屬特別不規(guī)則建筑。根據(jù)國家《超限高層建筑工程抗震設(shè)防管理規(guī)定》（建設(shè)部令第111號）和《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點》的相關(guān)規(guī)定，本工程屬超限高層建筑。

4.2技術(shù)措施

由于結(jié)構(gòu)不規(guī)則項較多，鑒于工程的重要性及復(fù)雜性，應(yīng)比一般結(jié)構(gòu)有更高的延性要求，因此結(jié)合工程特點及計算結(jié)果判斷薄弱部位，進(jìn)行適當(dāng)加強(qiáng)，主要有以下幾條措施：

1)適當(dāng)加強(qiáng)1層和2層剪力墻厚度，提高墻體豎向分布筋的配筋率至0.5%，降低框架柱的軸壓比，使其具有較好的延性；

2)針對樓板不連續(xù)的情況，對每層樓板均加厚并雙層雙向配筋(也是針對結(jié)構(gòu)超長的一個措施)，同時結(jié)構(gòu)計算采用帶有彈性連接板帶，樓板分塊平面內(nèi)剛度無窮大假定的力學(xué)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，以準(zhǔn)確分析樓板削弱處周圍構(gòu)件內(nèi)力，確保洞口周邊構(gòu)件設(shè)計安全，分析地震力作用下樓板應(yīng)力并按應(yīng)力情況對樓板配筋進(jìn)行調(diào)整，保證地震作用下樓板可以有效的傳遞水平力；

3)通過程序分析計算，對結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件和薄弱部位構(gòu)件的設(shè)計適當(dāng)提高延性標(biāo)準(zhǔn)，采取性能化設(shè)計，以適應(yīng)結(jié)構(gòu)的抗震要求；

4)對塔樓局部轉(zhuǎn)換梁進(jìn)行細(xì)致的應(yīng)力分析并適當(dāng)加強(qiáng)轉(zhuǎn)換梁的配筋。

4.3抗震設(shè)計預(yù)計性能目標(biāo)

依據(jù)“小震不壞、中震可修、大震不倒”的設(shè)防水準(zhǔn)，為控制結(jié)構(gòu)在不同的地震設(shè)防水準(zhǔn)下的破壞程度，設(shè)計時采用了基于性能設(shè)計的抗震設(shè)計方法[3]，對結(jié)構(gòu)不同部位關(guān)鍵構(gòu)件制定相應(yīng)的性能目標(biāo)，采取性能化設(shè)計。關(guān)鍵構(gòu)件抗震設(shè)計的預(yù)期性能目標(biāo)見表2。

表2　抗震性能目標(biāo)

關(guān)鍵構(gòu)件包括：

1）15軸和22軸分別與D、E、G軸相交的1500mm×1200mm框架柱；

2）M軸和S軸分別與10、12、13、14、15、17軸相交的1200mm×1200mm型鋼混凝土框架柱；

3）3軸和4軸分別與L軸、K軸相交的穿層框架柱；

4）2層屋面花園下大跨下混凝土框架柱；

5）F軸上和13、14軸相交的3層框架柱；

6）1層和2層底部加強(qiáng)部位的剪力墻。

5　結(jié)構(gòu)計算分析

本工程在設(shè)計時主要進(jìn)行了以下分析：

1）采用SATW E、PM SAP及YJ K3種程序?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行豎向荷載、風(fēng)荷載、多遇地震下的彈性分析，包括彈性時程分析并比較計算結(jié)果；

2）采用PUSH&EPDA進(jìn)行靜力彈塑性分析,分析主要構(gòu)件不同設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)地震作用下的彈塑性性能，在罕遇地震下的彈性變形；

3)對結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件和薄弱部位構(gòu)件的設(shè)計適當(dāng)提高延性標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)抗震性能目標(biāo)對其進(jìn)行了中震作用下的復(fù)核設(shè)計。

5.1小震彈性分析

由于本工程體型復(fù)雜，存在超限情況，計算時采用SATW E、PM SAP及YJ K3種程序?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行豎向荷載、風(fēng)荷載、多遇地震下的彈性階段對比分析。計算中考慮偶然偏心、雙向地震作用，模擬結(jié)構(gòu)的施工順序；對結(jié)構(gòu)樓層中有大開洞的樓板按彈性板建模考慮樓板平面內(nèi)的變形。多遇地震下，3種軟件計算的結(jié)果見表3。

表3　SATWE軟件、PMSAP軟件、YJK軟件計算結(jié)果對比

續(xù)表3

從表3可以看出：3種軟件計算的動力特征基本接近，3種軟件計算結(jié)果吻合較好。結(jié)構(gòu)第1扭轉(zhuǎn)周期與第1平動周期的比值均小于規(guī)范0.85的要求；結(jié)構(gòu)在X、Y方向的層間位移角均小于規(guī)范1/800的要求，最大位移比均＜1.4的要求，同時也注意到有些樓層位移比超過1.2，說明結(jié)構(gòu)存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，需要采取一定的加強(qiáng)措施。

5.2彈性時程分析

根據(jù)高規(guī)規(guī)定，采用時程分析法時，應(yīng)按建筑場地類別和設(shè)計地震分組選用實際強(qiáng)震記錄和人工模擬的加速度時程曲線。在地震加速度時程曲線的選擇時，主要考慮所選擇的曲線滿足本工程場地地震動的頻譜特性、有效峰值和有效持續(xù)時間3個要素的要求。

彈性時程分析時所取地面運動最大加速度為55g，選取2組人工波和5組天然波；輸入中考慮雙方向地震動的影響，兩方向加速度時程峰值比為1∶0.85。各條波結(jié)構(gòu)基底剪力計算結(jié)果與反應(yīng)譜的計算結(jié)果對比見表4。

表4　彈性時程分析結(jié)果

從表4可知，時程分析基底剪力滿足文獻(xiàn)[3]第4.3.5條的規(guī)定。每條時程曲線計算所得的基底剪力均大于反應(yīng)譜計算所得基底剪力的65%，平均值大于反應(yīng)譜計算所得基底剪力的80%，滿足規(guī)范的要求。

5.3中震不屈服設(shè)計

為驗算結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件在設(shè)防地震下的承載能力，進(jìn)行設(shè)防地震下的結(jié)構(gòu)計算。中震不屈服設(shè)計可以看作是中震彈性設(shè)計的正常使用極限狀態(tài)，中震不屈服設(shè)計不考慮荷載分項系數(shù)，材料強(qiáng)度取標(biāo)準(zhǔn)值，不考慮承載力抗震調(diào)整系數(shù)和內(nèi)力調(diào)整系數(shù)。計算結(jié)果表明，在中震作用下，關(guān)鍵構(gòu)件均達(dá)到抗震設(shè)計要求的性能目標(biāo)。

5.4罕遇地震下彈塑性時程分析

為實現(xiàn)“大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震作用下的結(jié)構(gòu)彈塑性變形驗算，采用中國建筑科學(xué)研究院PUSH＆EPDA軟件中的靜力推覆分析方法進(jìn)行分析。

采用PUSH程序進(jìn)行靜力彈塑性分析的模型直接讀取SATW E分析模型，模型中程序忽略了混凝土的抗拉能力，混凝土材料的受壓本構(gòu)關(guān)系采用SAEN Z曲線模擬并進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪m用性簡化；鋼材的本構(gòu)關(guān)系采用雙折線的彈塑性本構(gòu)關(guān)系。梁、柱、支撐等一維構(gòu)件采用纖維束模型模擬，剪力墻采用彈塑性墻單元來模擬。采用倒三角側(cè)向荷載分布模式和弧長控制增量法進(jìn)行非線性靜力推覆分析，其大震作用下結(jié)構(gòu)的供給-需求譜曲線見圖4。

圖4　大震作用下結(jié)構(gòu)的供給-需求譜曲線

從圖4來看，該結(jié)構(gòu)的能力曲線能夠穿越需求譜線，而且能力曲線和需求譜線的交點對應(yīng)結(jié)構(gòu)層間位移角為1/229，滿足規(guī)范1/100的要求，說明該結(jié)構(gòu)滿足罕遇地震下“大震不倒”的抗震要求。

6　結(jié)論

本工程運用SATW E、PM SAP及YJ K3種程序?qū)π≌鹣碌慕Y(jié)構(gòu)反應(yīng)進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示，3種程序計算得到的結(jié)構(gòu)各指標(biāo)均相差較小，證明了計算結(jié)果的準(zhǔn)確性、真實性；選取了7條地震波對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了彈性時程分析；結(jié)果顯示，時程分析的結(jié)構(gòu)底部總剪力的平均值均小于振型分解反應(yīng)譜法得到的底部總剪力，說明按照振型分解反應(yīng)譜法得到的結(jié)果對結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計是安全可靠的。為滿足中震可修的設(shè)防目標(biāo)，對結(jié)構(gòu)在中震作用下結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件的承載力進(jìn)行了復(fù)核和包絡(luò)設(shè)計，使得結(jié)構(gòu)能夠滿足抗震設(shè)計的性能目標(biāo)。

[1]GB50009—2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[2]GB50010—2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S]．

[3]JGJ 3—2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2015.03.026

□TU318

□C

□1008-3197（2015）03-67-04

□2015-01-15

□張鳳華/女，1982年出生，工程師，碩士，天津市港建建筑設(shè)計有限公司，從事建筑設(shè)計工作。