某科研辦公樓超限高層結構設計

張兆超 韓振林 張繼合

(山東省建筑設計研究院，山東 濟南 250001)

某科研辦公樓超限高層結構設計

張兆超 韓振林 張繼合

(山東省建筑設計研究院，山東 濟南 250001)

采用SATWE和PMSAP兩種軟件，對某抗震超限高層進行了整體分析，補充計算了多遇地震作用下的彈性時程，并對特殊部位進行了中震彈性計算分析和中震不屈服驗算，結果表明該建筑結構整體指標良好，能滿足規(guī)范的各種要求。

超限高層，結構體系，彈性時程分析，地震作用

1 工程概況

本工程位于山東省濟南市，由高層主樓和多層裙房組成。該項目總建筑面積54 688.05 m2，其中地上建筑面積41 017.25 m2，地下建筑面積13 670.80 m2。本工程地下部分為2層，地上部分由6層裙房和23層主樓兩部分組成。首層室內(nèi)外高差為0.60 m，地下2層層高為4.90 m，地下1層層高為6.50 m，地上1層層高為5.95 m，2層層高為4.80 m，3層～23層層高為4.20 m，結構高度為99.55 m。

地下部分不設變形縫，整個工程連為一體，上部結構通過一道防震縫(縫寬為200 mm)將主樓和裙房分為兩個獨立的結構單元，主樓結構平面的外包尺寸均為44.90 m×45.36 m。±0.000為室內(nèi)1層樓面標高，相當于絕對標高+50.60 m(黃海高程)。建筑效果圖見圖1。

工程結構設計使用年限為50年，結構設計安全等級為二級。抗震設防類別為丙類，抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度值為0.05g。設計地震分組為第三組，建筑場地類別為Ⅱ類，規(guī)范反應譜特征周期為Tg=0.45 s。多遇地震作用下的水平地震影響系數(shù)最大值為0.04，基本地震作用下的水平地震影響系數(shù)最大值為0.12,結構阻尼比為0.05。彈性時程分析時輸入地震加速度的最大值為18 cm/s2。基本風壓應按50年重現(xiàn)期的風壓值采用，基本風壓值w0=0.45 kN/m2，地面粗糙度類別按B類。

2 結構體系與布置

主樓中部利用電梯間形成的交通核心設置剪力墻而成為剪力墻筒體，同時，為減小由于筒體偏置于北側而導致剛度中心與質(zhì)量中心之間的偏心，主樓南側局部設置剪力墻形成具有多道抗震防線的鋼筋混凝土框架—核心筒結構體系，保證了整個建筑物的抗震和抗風性能。主樓結構高寬比為2.22，長寬比為1.01，滿足規(guī)范要求。混凝土剪力墻的厚度核心筒外墻自下部的400 mm變化至上部的300 mm，核心筒內(nèi)墻自下部的300 mm變化至上部的200 mm；剪力墻及框架柱混凝土強度等級自下部的C60變化至上部的C30，框架柱混凝土強度與截面的縮小分層進行，以保證結構自下而上剛度的均勻變化。剪力墻的抗震等級為二級，框架的抗震等級為三級。主樓的樓蓋采用主次梁體系，各樓層的樓板均采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板，板厚一般為120 mm，在部分特殊部位的樓板進行了加厚、加強處理。標準層結構平面布置圖見圖2。

3 結構超限類別和要求

主樓的結構高度均為99.55 m，滿足《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》[2]中A級高度鋼筋混凝土高層建筑關于高度方面的有關規(guī)定，高度不超限。

本工程非大跨結構，也不存在轉(zhuǎn)換層、加強層、錯層、連體等復雜高層情況。另外，由于地面以上通過設置防震縫將主樓和裙房分為完全獨立的兩個結構單元，不存在多塔情況。但是，本工程存在局部的穿層柱、斜柱，以及考慮偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比大于1.2的問題，主樓達到三項不規(guī)則情況，為抗震超限高層[3]。此外，由于建筑立面和平面布局限制，外圍框架在東北角和西南角缺角柱和角部樓板，且框架梁無法連通，導致結構空間整體性較差。針對不規(guī)則情況，本工程底部加強區(qū)高度范圍剪力墻截面抗剪、穿層柱、軸及⑤軸角柱滿足中震彈性要求，對于底部加強區(qū)高度范圍剪力墻連梁抗剪而言，則控制其在基本地震作用下不發(fā)生屈服。

4 計算分析

4.1 小震彈性反應譜分析

小震彈性反應譜分析采用SATWE和PMSAP軟件，具體設計時取兩個軟件的計算結果進行比較，取其不利者作為結構構件設計的依據(jù)。僅考慮水平地震作用，不考慮豎向地震作用。地震作用計算時采用考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)振動影響的振型分解方法，并考慮偶然偏心和雙向地震的影響。以地下室頂板作為上部結構的嵌固部位，將上部結構分為主樓和裙房兩個獨立的結構單元分別建立模型進行結構計算與分析。主要分析結果見表1，計算結果均差別不大，各項指標滿足規(guī)范要求。計算振型數(shù)為15個，其中前6階振型見表2，可以看出，兩種軟件計算的結構主要周期差別不大，可以采信；結構周期比Tt/T1，SATWE計算為0.83，PMSAP計算為0.84，均滿足A級高度高層建筑限值的規(guī)定。

表1 小震彈性反應譜分析的主要計算結果

表2 前6階振型結果

4.2 小震彈性時程計算分析

地震波采用兩組實際強震記錄TH3TG045，TH4TG045和一組人工模擬地震波RH2TG045，輸入SATWE軟件進行彈性時程分析。所采用3組地震加速度時程曲線均滿足地震動三要素的要求，即頻譜特性、有效峰值和持續(xù)時間[1]。分析結果見表3。

表3 小震彈性時程分析的主要結果及與反應譜法的對比

從表3中可以看出，時程分析時，每條時程曲線計算所得X向、Y向的結構底部剪力均分別大于振型分解反應譜法結果的65%；3條時程曲線計算所得X向、Y向的結構底部剪力的平均值

均相應大于振型分解反應譜法結果的80%，所選3組地震波滿足規(guī)范要求。

4.3 中震彈性分析和中震不屈服分析

為控制結構在基本地震作用下的抗震性能，利用SATWE對底部加強區(qū)高度范圍剪力墻截面抗剪、穿層柱、軸及⑤軸角柱進行中震彈性計算分析；同時，對底部加強區(qū)高度范圍剪力墻連梁抗剪進行中震不屈服計算分析。計算結果表明，上述豎向構件可以滿足中震彈性要求，底部加強區(qū)高度范圍剪力墻連梁抗剪可以滿足中震不屈服要求，可以保證結構在基本地震作用下的抗震性能。

4.4 斜柱受力分析

在本工程東南角地上1層～6層有3顆斜柱，3顆斜柱與z軸的夾角均小于20°。在彈性樓板假定條件下，對斜柱受力情況及其對樓層梁和剪力墻核心筒的影響進行了計算分析，結果表明，與斜柱相連的框架梁和周邊樓板出現(xiàn)軸向力，在設計中應引起重視，梁按偏拉構件進行計算配筋，斜柱和與之相連的框架梁抗震等級提高一級。

4.5 抗震構造加強措施

針對本工程的具體特點與結構超限情況，在設計中主要采取以下技術措施：

1)按規(guī)范要求從嚴控制底部加強區(qū)的剪力墻及框架柱的軸壓比，并適當加大底部加強區(qū)范圍剪力墻的構造配筋率、適當加大穿層框架柱及平面凹角處框架柱的配筋率和配箍率并全高加密箍筋。2)加強斜柱相連方向框架梁的構造，適當增加該方向框架梁的腰筋和通長鋼筋的數(shù)量。3)按規(guī)范嚴格控制周期比、位移比、剛度比、位移角等規(guī)范指標要求。4)某些特殊部位的樓板進行加厚加強處理，如下：a.地下室頂板板厚取180 mm，樓層部分大洞口周邊樓板厚度加厚為150 mm，配筋計算時將該層樓板設為彈性板進行結構整體計算，樓板配筋采用通長配筋并適當加大配筋率處理。b.與斜柱相連的板配筋計算時將各層樓板設為彈性板進行結構整體計算，樓板配筋采用通長配筋并適當加大配筋率處理。與之相連的梁按偏拉構件計算，嚴格控制裂縫，并考慮長期剛度的影響。

5 結語

針對本工程的特點和結構超限情況，采用了兩種軟件進行比較分析，對多遇地震作用下進行了彈性時程的補充計算分析，并對特殊部位進行中震彈性計算分析和中震不屈服驗算，結果表明結構整體指標良好，能夠滿足規(guī)范的各種要求。在特殊部位均進行了計算或構造加強處理，以確保結構的整體性能和抗震目標的實現(xiàn)。

[1] GB 50011—2010，建筑抗震設計規(guī)范[S].

[2] JGJ 3—2010，高層建筑混凝土結構技術規(guī)程[S].

[3] 建設部建質(zhì)[2010]109號，超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點[Z].

Design of the super high-rise building structure of the scientific research office building

Zhang Zhaochao Han Zhenlin Zhang Jihe

(ShandongAcademyofBuildingDesign,Jinan250001,China)

The paper carries out integral analysis for the anti-seismic super high-rise building by applying SATWE and PMSAP software, supplemental calculates its elastic time-history under the earthquake, and carries out medium-size seismic elastic calculation analysis and medium-size seismic unyielding calculation for special parts. Results show that its integral index is good, which can meet demands.

super high-rise building, structural system, elastic time-history analysis, seismic action

1009-6825(2017)01-0057-02

2016-10-27

張兆超(1984- )，男，工程師； 韓振林(1972- )，男，高級工程師； 張繼合(1981- )，男，高級工程師

TU973

A