山東某復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)設(shè)計

黃興龍 王益超

(山東華科規(guī)劃建筑設(shè)計有限公司，山東 聊城 252000)

1 工程概況

山東某國際大飯店地上22層，地下1層，總建筑面積為70 226 m2，結(jié)構(gòu)總高度為95.450 m，本工程長寬比為1.58，高寬比為2.38。工程位于聊城市開發(fā)區(qū)，抗震設(shè)防烈度為7度，0.15g，地震分組為第一組，抗震設(shè)防類別為丙類，場地類別為Ⅲ類場地，場地特征周期為0.45 s，基本風(fēng)壓取0.45 kN/m2，地面粗糙度為B類。

本工程北側(cè)裙樓4層，南側(cè)裙樓2層，地上1層～7層為酒店餐飲、娛樂設(shè)施，7層有18 m×35 m的游泳池；8層～22層為客房層。第6層及第7層存在兩個設(shè)備層，與結(jié)構(gòu)層合并后層高分別為6.4 m,6.7 m，造成剛度突變和樓層抗剪承載力比值超限等問題；游泳池下臥后存在部分錯層；客房層中部開洞形成內(nèi)天井，結(jié)構(gòu)平面為回字形，中部存在較多單跨框架，需要深入分析水平力通過樓板可靠的傳遞給核心筒；南側(cè)裙樓宴會廳存在36 m跨預(yù)應(yīng)力大梁。

2 結(jié)構(gòu)選型和結(jié)構(gòu)計算

2.1 結(jié)構(gòu)選型

該工程結(jié)合建筑平面設(shè)置了兩個核心筒，為框架—核心筒體系，框架和核心筒抗震等級均為二級[1]。裙樓與主樓間未設(shè)置沉降縫，收進部位周邊豎向構(gòu)件抗震等級提高一級。核心筒為混凝土剪力墻，單跨框架部位框架柱設(shè)置芯柱進行加強。核心筒剪力墻厚度底部為400 mm，逐漸減小至250 mm，核心筒混凝土強度等級從下至上由C50減至C35；框架柱截面由底部1 200×1 200逐漸減小至800×800，軸壓比控制在0.75以內(nèi)，框架柱混凝土強度等級從下至上由C55減至C35；梁、板構(gòu)件的混凝土強度均為C30。

南裙房宴會廳2層5/C-G軸存在36 m跨度的空間，其下為宴會廳舞臺，不允許設(shè)柱，采用750×2 500的有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力梁。預(yù)應(yīng)力鋼筋全部采用Ⅱ級松弛φS15.24鋼絞線，預(yù)應(yīng)力鋼絞線曲線定位根據(jù)本梁的彎矩圖確定。施工時為抵消分批張拉預(yù)應(yīng)力筋所產(chǎn)生的混凝土彈性壓縮損失，將預(yù)應(yīng)力筋超張拉3%。本工程采用PREC軟件確定各項預(yù)應(yīng)力損失、預(yù)應(yīng)力筋數(shù)量及撓度等各項指標(biāo)進行設(shè)計。

2.2 多遇地震彈性反應(yīng)譜分析

表1 上部結(jié)構(gòu)主要計算結(jié)果

2.3 樓板應(yīng)力分析

客房層(8層～22層)平面開洞寬度大于50%，中部有四跨為單跨框架，樓板必須能夠?qū)⒋瞬糠值乃降卣鹆鬟f給核心筒才能保證本工程在大震下的安全性，因此樓板厚度和配筋的確定就顯得十分重要。本工程采用多邊形殼元模型模擬樓板，樓板在拉力情況下按偏心受拉配筋、在壓力情況下按正截面抗彎配筋。小震作用下樓板不開裂，中震或大震作用下開裂部位混凝土退出工作，樓板內(nèi)的主拉應(yīng)力由上下兩個鋼筋層承擔(dān)，樓板平面內(nèi)拉應(yīng)力滿足以下條件[2]：

1)小震作用下拉應(yīng)力由混凝土承擔(dān)，即σ≤ftk(主拉應(yīng)力)。

本工程分別按小震、中震輸入地震波，在地震單工況下研究各層樓板主拉應(yīng)力。小震作用下樓板內(nèi)混凝土拉應(yīng)力均小于1 430 kPa，典型樓層的樓板平面內(nèi)主應(yīng)力見圖1,圖2；中震作用下樓板內(nèi)的配筋按軟件計算結(jié)果進行歸并，根據(jù)應(yīng)力值大小，洞口四周樓板結(jié)合次梁布置按三個等級進行加強：1)緊鄰洞口的樓板厚度為120 mm，配筋為Φ8@100雙層雙向；2)中間兩道次梁間樓板配筋為Φ8@200雙層雙向；3)最外側(cè)樓板按靜力工況進行配筋。筒體四周為應(yīng)力集中部位[3]，筒體四周樓板加厚，按Φ8@100雙層雙向配筋。

根據(jù)樓板應(yīng)力分析結(jié)果，本工程在多遇地震工況下能夠滿足樓板不開裂，且樓板平面內(nèi)變形量較小，因此認(rèn)為本工程滿足剛性樓板假定。可按剛性樓板計算多遇地震或中震不屈服驗算。

2.4 多遇地震彈性時程分析

根據(jù)《高規(guī)》4.3.4條本工程為復(fù)雜高層，應(yīng)進行多遇地震彈性時程分析法補充計算。本工程選用Tg=0.45 s的兩組天然地震波和一組人工地震波，每條時程曲線計算所得的結(jié)構(gòu)基底剪力均大于振型分解反應(yīng)譜法的65%，且不大于振型分解反應(yīng)譜法的135%；多條時程曲線計算所得的結(jié)構(gòu)基底剪力的平均值大于振型分解反應(yīng)譜法的80%，且不大于振型分解反應(yīng)譜法的120%，地震波的選擇滿足規(guī)范要求。

從時程分析主要結(jié)果與反應(yīng)譜分析主要結(jié)果對比來看，二者基本一致，承載力設(shè)計時可取多條時程曲線與振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的包絡(luò)值。多遇地震彈性時程分析結(jié)果見表2。

表2 多遇地震彈性時程分析結(jié)果

3 靜力彈塑性分析

3.1 Pushover分析原理

根據(jù)高規(guī)第3.11.4條，高度不超過150 m的高層建筑可采用靜力彈塑性分析方法，本工程高度為95.45 m，體型較為規(guī)則，因此本工程采用midas軟件進行Pushover靜力彈塑性分析以評估主體結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的性能目標(biāo)，是否能滿足大震不倒的要求。

預(yù)制光纜衰減與結(jié)構(gòu)型式和連接方式有關(guān)。預(yù)制光纜按結(jié)構(gòu)型式可分為分支式預(yù)制光纜及對插式連接器預(yù)制光纜，按連接方案可分為直接連接裝置方案和通過柜內(nèi)跳線轉(zhuǎn)接連接裝置方案。以工程常見的通過跳線轉(zhuǎn)接的連接方式為例，預(yù)制光纜鏈路插接損耗值如圖1～圖2所示。

本工程Pushover分析通過逐漸加大荷載直到預(yù)先設(shè)定的位移位置，獲得荷載—位移能力曲線(capacity curve)，再轉(zhuǎn)換為單自由度體系的加速度—位移能力譜(capacity spectrum)，與由大震反應(yīng)譜轉(zhuǎn)換得到的加速度—位移需求譜(demand spectrum)的交點即性能點(performance point)，通過性能點位置的層間位移與規(guī)范允許值的對比來評價結(jié)構(gòu)在大震作用下的性能水平[4]。

3.2 Pushover分析過程

本工程為框筒結(jié)構(gòu)，模型中梁柱構(gòu)件采用彎矩—旋轉(zhuǎn)角單元，骨架曲線采用FEMA鉸以考慮構(gòu)件的剛度退化和屈服后的強度退化，剪力墻的抗彎計算采用纖維模型，混凝土材料采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》附錄C提供的本構(gòu)關(guān)系，鋼材采用雙折線模型，剪力墻的剪切本構(gòu)關(guān)系采用程序提供的理想彈塑性模型，水平鋼筋對剪切的影響反映在名義剪切屈服應(yīng)力中。

加載順序與水平作用力的豎向分布：

加載過程包括兩步，第一步施加初始重力荷載，第二步施加側(cè)推荷載。

初始重力荷載組合中恒載和活載的組合系數(shù)分別為1.0和0.5；因罕遇地震下結(jié)構(gòu)水平位移值較大，計算時考慮結(jié)構(gòu)的P-Delta效應(yīng)。

側(cè)推荷載分四種形式可供選擇，分別是按結(jié)構(gòu)自振模態(tài)加載、等加速度按質(zhì)量分布以慣性力形式加載、按用戶定義的某個荷載工況的分布形式加載、按小震下規(guī)定水平力分布加載，按照高規(guī)建議，本工程采用第四種加載方式。本工程選用的Procedure-A方法通過迭代計算有效阻尼尋找性能點。

3.3 Pushover分析結(jié)果

分析結(jié)果表明，塔樓能夠達到罕遇地震作用下的性能目標(biāo)，且X，Y方向最大彈塑性層間位移角分別為1/244，1/232，滿足抗震性能目標(biāo)，如圖3，圖4，表3所示。

表3 靜力彈塑性分析結(jié)果

根據(jù)梁柱出鉸順序和數(shù)量統(tǒng)計，框架梁出鉸比例大于30%，框架柱出鉸比例小于5%，因此比較好的實現(xiàn)了強柱弱梁的設(shè)計概念。

4 結(jié)語

1)工程采用框筒結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的構(gòu)件在滿足建筑要求下均勻合理地布置，筒體在底部加強部位提高墻身水平筋配筋率、錯層部位和單跨框架柱設(shè)置芯柱，以確保構(gòu)件具有較高的承載力和延性。

2)通過采用PMSAP進行樓板應(yīng)力分析驗證，本工程可滿足樓板剛性假定。根據(jù)SATWE和PMSAP兩套軟件小震計算結(jié)果和彈性時程結(jié)果對比，本工程可采用振型分解反應(yīng)譜法進行多遇地震彈性計算。

3)利用MIDAS軟件進行靜力彈塑性分析。分析結(jié)果表明：框架柱在小震、中震處于不屈服階段，大震作用時少量(約5%)處于屈服狀態(tài)；框架梁在小震時處于彈性狀態(tài)，中震時少量構(gòu)件處于屈服狀態(tài)，大震作用時較多處于屈服狀態(tài)(30%～40%)；連梁在小震時基本處于彈性階段，中震時部分屈服耗能，大震時多數(shù)已發(fā)生屈服；剪力墻筒體在小震時處于彈性狀態(tài)，中震時抗剪處于不屈服狀態(tài)，少部分發(fā)生抗彎屈服，大震時較多剪力墻接近抗彎屈服狀態(tài)，抗剪仍能滿足剪壓比要求。

根據(jù)上述分析可以得出以下結(jié)論：本工程雖然存在多項不規(guī)則，但通過小、中、大震分析并采取一定的構(gòu)造措施，認(rèn)定可以滿足小震不壞，中震可修，大震不倒的抗震設(shè)防目標(biāo)。