回字形建筑在地震作用下的設(shè)計(jì)研究

張秀華　張國(guó)輝

(大連經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)院，大連　116000)

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回字形建筑在地震作用下的設(shè)計(jì)研究

張秀華張國(guó)輝

(大連經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)院，大連116000)

本項(xiàng)目主樓平面尺寸為99m x 79m，高度為60m，由四個(gè)剛度不同的塔樓組成的回字形結(jié)構(gòu)。針對(duì)工程的特點(diǎn)、超限情況，基于性能化結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)，在多遇地震作用下采用陣型分解反應(yīng)譜法和彈性時(shí)程分析方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體計(jì)算分析、穩(wěn)定分析，對(duì)以上分析結(jié)果中的薄弱部位及關(guān)鍵部位采用相應(yīng)構(gòu)造措施，以保證抗震性能目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)體系是安全、可行的。

超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)； 復(fù)雜工程； 時(shí)程分析； 大底盤； 多塔樓

1　項(xiàng)目概況

大名工業(yè)園項(xiàng)目位于大連市金州新區(qū)黃海西六路與東北大街交界處，為新區(qū)產(chǎn)業(yè)園配套的集辦公、科研研發(fā)、公寓宿舍項(xiàng)目。回字形結(jié)構(gòu)主樓為產(chǎn)業(yè)園標(biāo)志性建筑。單體建筑總面積約7萬(wàn)m2，地上建筑面積約6萬(wàn)m2，地下建筑面積約1萬(wàn)m2。其中地下一層局部為核6級(jí)、常6級(jí)甲類防空地下室，局部為配套附屬用房。地上一層功能為入戶、辦公大廳，層高6m； 地上二層-五層功能為科研研發(fā)，層高5.4m； 地上六層及以上為公寓宿舍，層高5.4m。共計(jì)十一層，建筑總高度60m，建筑物平面呈回字形(見圖1)，尺寸為99m x 79m，其中內(nèi)庭尺寸為51m x 47m。

圖1　標(biāo)準(zhǔn)層建筑平面圖

2　結(jié)構(gòu)體系

工程所在地抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.15g，水平地震影響系數(shù)最大值為0.12(多遇地震作用下)，場(chǎng)地類別：二類(場(chǎng)地特征周期為0.35s)，結(jié)構(gòu)阻尼比為0.05，整體結(jié)構(gòu)呈回字形，屬于平面不規(guī)則形狀建筑，同時(shí)結(jié)構(gòu)平面尺寸超出《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010-2010條文8.1.1伸縮縫最大間距較多。整體上柱網(wǎng)尺寸約為5.7mx8.1m，局部布置少許剪力墻。由于建筑物使用功能所限東、西建筑物(圖2中第2、4塔樓)地上一層為入戶大廳等大空間，同時(shí)地下室為機(jī)械車位，布置剪力墻受限，只能采用框架結(jié)構(gòu)； 豎向高度超過《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2010條文3.3.1中A級(jí)框架最大適用高度20%。南、北建筑物(圖二中第1、3塔樓)充分利用豎向交通房間布置剪力墻，可以采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。

圖2　結(jié)構(gòu)方案一

圖3　結(jié)構(gòu)方案二

功能要求高端、復(fù)雜的同時(shí)給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)造成很多困難。經(jīng)過多方案的比較，最終確定上部結(jié)構(gòu)不設(shè)縫，結(jié)構(gòu)為一整體大塔樓(見圖3)，這樣在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上雖為一整體，但是四部分剛度相差較懸殊，通過增減剪力墻使其整體結(jié)構(gòu)雙方向動(dòng)力特性接近，同時(shí)對(duì)薄弱部位進(jìn)行加強(qiáng)，方便達(dá)到抗震設(shè)防目標(biāo)。

結(jié)構(gòu)主體計(jì)算高度為60 m，根據(jù)計(jì)算確定為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土主梁+大板樓面體系，框架柱截面采用900～600mm，核心筒及剪力墻墻體厚400～200mm，混凝土采用C50-30混凝土。為控制主體扭轉(zhuǎn)和側(cè)向位移，結(jié)合主體內(nèi)庭凹角處設(shè)置陰角抗拉加腋梁板。加腋梁板單向全截面縱向總配筋率均不小于1%。

3　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算

為確保工程安全可靠，全面分析本項(xiàng)目各種地震作用的不利情況，對(duì)本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)方案選取做了專門分析，結(jié)構(gòu)方案一為設(shè)置四條伸縮縫，將主體切割成四個(gè)獨(dú)立矩形結(jié)構(gòu)塔樓(見圖2)，采取各自獨(dú)立結(jié)構(gòu)體系分析計(jì)算，結(jié)構(gòu)方案二為整體不設(shè)縫，按回字形樓設(shè)計(jì)(見圖3)對(duì)主體進(jìn)行薄弱計(jì)算，針對(duì)薄弱部位采取相應(yīng)加強(qiáng)措施。兩種方案主要計(jì)算結(jié)果見表1、2、3。

表1　整體結(jié)構(gòu)總質(zhì)量、基底剪力、有效質(zhì)量系數(shù)表

位置總質(zhì)量(t)X向基底剪力(KN)Y向基底剪力(KN)有效質(zhì)量系數(shù)塔樓149153.43410566.6612995.35>90%塔樓212793.3252711.362784.65>90%塔樓353917.50410798.8613577.61>90%塔樓415979.9773565.373480.12>90%方案二整體128184.74236024.8628006.80>90%

表2　最大層間位移角、最大位移比表

表3　整體結(jié)構(gòu)周期表

采用結(jié)構(gòu)方案一，問題主要集中在二、四塔樓，由于布置Y方向剪力墻受限，僅X方向布置剪力墻，這樣的結(jié)構(gòu)布置嚴(yán)重不符合《高規(guī)》7.1.1條文抗震設(shè)計(jì)時(shí)，不應(yīng)采用僅單向有墻的結(jié)構(gòu)布置要求，且結(jié)構(gòu)兩方向結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性相差懸殊，不具備良好的空間工作性能，結(jié)構(gòu)體系只能采用框架結(jié)構(gòu)，這本身是不利的，超出了《高規(guī)》條文3.3.1條A級(jí)框架最大適用高度50m較多，對(duì)這類結(jié)構(gòu)應(yīng)通過專門研究，需要采取型鋼混凝土構(gòu)件、鋼管混凝土構(gòu)件等有效加強(qiáng)措施,并按建設(shè)部要求做專項(xiàng)審查。在實(shí)際中方案一是不可采用的結(jié)構(gòu)方案，但是可以看出在脫離整體的獨(dú)立二、四塔樓純框架結(jié)構(gòu)自身的安全可靠度和柱底剪力反應(yīng)。方便與其他結(jié)構(gòu)方案比較時(shí)提供對(duì)結(jié)構(gòu)有利的數(shù)據(jù)分析。通過結(jié)構(gòu)計(jì)算數(shù)據(jù)可知針對(duì)本工程而言周期明顯過大、基底剪力過小導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)過柔。也證明《高規(guī)》對(duì)框架結(jié)構(gòu)最大適用高度的規(guī)定合理性。通過規(guī)范及結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，抗震設(shè)防烈度7度區(qū)，地震加速峰值為0.15g地區(qū)純框架結(jié)構(gòu)超過30m結(jié)構(gòu)整體剛度已經(jīng)較弱，且不經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

結(jié)構(gòu)方案二為本工程實(shí)際方案，對(duì)其進(jìn)行著重分析，首先取消四條伸縮縫，這樣可以使剛度較弱的第二、第四塔樓依附在剛度較強(qiáng)的第一、第三塔樓使其形成一個(gè)大的整體塔樓，整體做成框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。這樣可以避免超高框架的專項(xiàng)審查，也避免了結(jié)構(gòu)體系的不合理性。從整體的計(jì)算結(jié)果可以看出，結(jié)構(gòu)的剛度比、位移比、受剪承載力比等各項(xiàng)比值均符合規(guī)范要求。與方案一相比，總質(zhì)量基本沒有差別，但是方案二的X方向基底剪力大于方案一的基底剪力之和，Y方向基底剪力與方案一的基底剪力相當(dāng)?shù)脑蚴钦w計(jì)算時(shí)方案二Y向剪力墻有減少導(dǎo)致。進(jìn)一步分析結(jié)構(gòu)方案二各陣型的結(jié)構(gòu)地震作用的貢獻(xiàn)。通過各陣型下的結(jié)構(gòu)振動(dòng)情況可以看出，結(jié)構(gòu)第一、三陣型以平動(dòng)為主。第二陣型便提前出現(xiàn)平扭結(jié)合的混合振動(dòng)。其余高階振型下地震作用均較小。考慮到本項(xiàng)目體量模型較大，高度較矮，且局部存在層間梁。第二周期提前出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)分子很難避免，周期比0.89滿足《高規(guī)》3.4.5條不大于0.9要求。

4　彈性動(dòng)力時(shí)程分析

針對(duì)本項(xiàng)目平面較不規(guī)則，且豎向?qū)痈咻^高，在進(jìn)行地震反應(yīng)譜計(jì)算的同時(shí)也對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇地震下彈性動(dòng)力時(shí)程分析補(bǔ)充計(jì)算，主要與反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果的基底剪力、樓層剪力、和層間位移角進(jìn)行比較，并對(duì)相關(guān)部位的構(gòu)件內(nèi)力和配筋做相應(yīng)的調(diào)整。根據(jù)工程場(chǎng)地實(shí)際情況再結(jié)合頻譜特性、有效峰值和持續(xù)時(shí)間選用分析軟件內(nèi)存的兩條地震波TH1TG040、TH2TG040，和一條人工波RH3TG040三組加速度時(shí)程曲線，從分析結(jié)果中可以看出，補(bǔ)充計(jì)算出來(lái)的最大層間位移角、最大樓層位移均符合規(guī)范要求(圖4)。計(jì)算結(jié)果在結(jié)構(gòu)主方向的平均底部剪力不小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算的結(jié)果的80%，單條地震波輸入的計(jì)算結(jié)果均大于65%，同時(shí)單條輸入單條地震波計(jì)算結(jié)果均不大于135%，平均每條地震波計(jì)算結(jié)果不大于120%(圖5)。三組時(shí)程波的平均地震影響系數(shù)與振型分解反應(yīng)譜法所用的地震影響系數(shù)曲線相比，在對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)主要振型的周期點(diǎn)上相差小于20%(圖6)。符合時(shí)程分析結(jié)果的最低安全要求。

圖4　最大樓層位移曲線

圖5　最大樓層剪力曲線

圖6　規(guī)范譜與地震波譜對(duì)比圖

彈性時(shí)程分析計(jì)算結(jié)果與陣型分解反應(yīng)譜結(jié)果相比較，Y方向最大樓層剪力在天然波TH1TG040作用下， 3層～8層地震力比反應(yīng)譜作用下地震力約大3%～11%； 在天然波TH2TG040作用下， 9層～12層地震力比反應(yīng)譜作用下地震力約大25%～33%。X方向最大樓層剪力在天然波TH2TG040作用下， 9層～12層地震力比反應(yīng)譜作用下地震力約大20%～30%。對(duì)于頂部樓層的剪力大于反應(yīng)譜計(jì)算的部分，反映了高柔結(jié)構(gòu)高振型的強(qiáng)烈反應(yīng)即整體結(jié)構(gòu)鞭梢效應(yīng)明顯。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)將取用計(jì)算結(jié)果的包絡(luò)值，在反應(yīng)譜基礎(chǔ)上將內(nèi)力放大調(diào)整，進(jìn)行構(gòu)件補(bǔ)充計(jì)算。

5　結(jié)語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，房屋的高度可以越建越高，體量模型可以越建越大，這是自然規(guī)律。規(guī)范、規(guī)程中各種結(jié)構(gòu)體系的“最大適用高度”并非“限制高度”。

所謂“最大適用高度”的含義更多的是指綜合考慮不同結(jié)構(gòu)體系的抗震性能、經(jīng)濟(jì)性和合理適用及震害經(jīng)驗(yàn)諸多方面的適用最大高度，若本項(xiàng)目采用方案一進(jìn)行分縫設(shè)計(jì)，二、四塔樓采用框架結(jié)構(gòu)不是不可以設(shè)計(jì)成60m，是明顯不合理且存在缺陷的。不合理的方案必然有不合理的結(jié)果，分縫帶來(lái)的后果是還有一、三塔樓會(huì)形成核心筒偏置的框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，使其部分框架柱產(chǎn)生拉應(yīng)力，對(duì)結(jié)構(gòu)自身不利和給基礎(chǔ)產(chǎn)生沒必要的負(fù)擔(dān)，需要增加部分足夠剛性的剪力墻等措施來(lái)調(diào)整改善結(jié)構(gòu)性能。同時(shí)目前軟件程序仍然存在對(duì)多塔樓結(jié)構(gòu)分析功能不完善的情況。而如果從另一個(gè)角度看本項(xiàng)目，把回字形看成一個(gè)大方減去一個(gè)小方(無(wú)縫設(shè)計(jì))，只需考慮有哪些不利因素即可。

工程方案目前已通過專項(xiàng)審查，進(jìn)入施工圖設(shè)計(jì)階段。本項(xiàng)目結(jié)合實(shí)際情況做了兩種方案進(jìn)行比較。在多遇地震作用下分別采用陣型分解反應(yīng)譜法和彈性時(shí)程分析方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體計(jì)算分析，并采用包絡(luò)設(shè)計(jì)以保證抗震性能目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。通過計(jì)算結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)體系是安全、可行的。由于篇幅所限，本工程針對(duì)超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)、少墻框架結(jié)構(gòu)采取加強(qiáng)等措施將會(huì)后續(xù)寫作。

[1]GB50010-2010 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社， 2010.

[2]GB50010-2010 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社， 2010.

[3]JGJ3-2010 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社， 2010.

[4]《PMCAD 用戶手冊(cè)及技術(shù)條件》.中國(guó)建筑科學(xué)研究院PKPMCAD 工程部編.

[5]《SATWE 用戶手冊(cè)及技術(shù)條件》.中國(guó)建筑科學(xué)研究院PKPMCAD 工程部編.

Research on the Design of the Back-Shaped Building under Earthquake

Zhang Xiuhua, Zhang Guohui

(DalianEconomicandTechnicalZoneArchitecturalDesign&PlanInstitute，Dalian116000，China)

The main building of this project is 99m x 79m with a height of 60m. The structure is composed of towers of 4 different rigidity. This paper investigates the system characteristics and the seismic performances of the structure. Under the actions of multiple earthquakes，the decomposition reaction analysis and elastic time history, analysis are used to carry out calculation and stability analys is of the whole structure. Some constructional measures were employed to enhance the seismic performances of weak components so as to ensure the seismic safety of the building.The results indicate that this structure system is safe and feasible.

Super-long Structure； Complex Engineering； Elastic Time History Analysis； Enlarged Base； Multi-tower Building

張秀華(1963-)，女，高級(jí)工程師。主要研究方向：結(jié)構(gòu)抗震。

TU318

A

1674-7461(2016)01-0083-04

10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2016.01.15