岳陽友阿國際商業(yè)廣場E棟住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

【摘要】岳陽友阿國際商業(yè)廣場E棟住宅原為建筑高度93.55m、7層高位轉(zhuǎn)換的框支剪力墻結(jié)構(gòu)，后因建設(shè)方原因?qū)?biāo)準(zhǔn)層建筑方案進(jìn)行了修改，并將建筑高度增加至135.30m，修改后該建筑采用帶支撐的框支剪力墻結(jié)構(gòu)體系，是具有剛度突變、構(gòu)件間斷類的上下墻不連續(xù)（轉(zhuǎn)換）、扭轉(zhuǎn)不規(guī)則及偏心布置等3項(xiàng)不規(guī)則，同時(shí)具有高位轉(zhuǎn)換1項(xiàng)復(fù)雜類型的復(fù)雜超B級高度高層建筑。根據(jù)設(shè)定的抗震性能目標(biāo)，對主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了小震、中震和大震性能計(jì)算。針對結(jié)構(gòu)不規(guī)則，采取了相應(yīng)的加強(qiáng)措施。計(jì)算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能達(dá)到預(yù)期的抗震性能目標(biāo)。

【關(guān)鍵詞】超限結(jié)構(gòu);框支剪力墻結(jié)構(gòu);抗震性能化設(shè)計(jì)

1、工程概況

本項(xiàng)目位于湖南省岳陽市， 抗震設(shè)防烈度為7度（0.1g），總建筑面積為630736m2。本棟為E棟住宅樓，下部為7層商業(yè)，上部為32層，采用部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)第7層為轉(zhuǎn)換層，屬高位轉(zhuǎn)換。本工程原設(shè)計(jì)建筑高度為93.55m，施工負(fù)一層梁板時(shí)，因建設(shè)方需求，建筑高度修改為135.3m，且對上部住宅戶型進(jìn)行了調(diào)整，方案調(diào)整后，本工程建筑高度為超B級高度，不僅需重新進(jìn)行超限審查，還需對結(jié)構(gòu)已施工部分進(jìn)行加固處理。目前該工程已順利通過超限審查。

本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限50年，結(jié)構(gòu)安全等級二級，抗震設(shè)防類別裙樓部分為乙類，住宅部分為丙類，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，建筑場地類別為Ⅱ類，特征周期為0.35s，地面粗糙度類別為C類，基本風(fēng)壓為0.40kPa。本工程共設(shè)四層地下室，上部結(jié)構(gòu)計(jì)算嵌固端為地下室頂板。

2、結(jié)構(gòu)體系

本工程采用部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)體系，轉(zhuǎn)換層位于結(jié)構(gòu)第7層，抗側(cè)力體系主要組成如下：

（1）轉(zhuǎn)換層上部為鋼筋混凝土剪力墻;

（2）轉(zhuǎn)換層下部為型鋼混凝土柱-鋼筋混凝土梁（轉(zhuǎn)換層為型鋼混凝土梁）框架與混凝土落地剪力墻，轉(zhuǎn)換層局部大跨度轉(zhuǎn)換（約12m跨）位置采用型鋼斜撐轉(zhuǎn)換。

框支框架、轉(zhuǎn)換斜撐、底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻抗震等級為特一級，其它位置框架和剪力墻抗震等級為一級。

3、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

本工程原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)形式為筏板基礎(chǔ)，持力層[1]為中風(fēng)化板巖④，地基承載力特征值fak=1500kPa。方案調(diào)整后，經(jīng)重新計(jì)算原設(shè)計(jì)地基承載力滿足方案調(diào)整后的設(shè)計(jì)要求。部分墻柱位置基礎(chǔ)抗沖切不滿足要求，采取加固方式對該類位置基礎(chǔ)進(jìn)行了加厚處理。

4、結(jié)構(gòu)超限判別及性能目標(biāo)

4.1 結(jié)構(gòu)超限判斷

本工程超B級高度，另外本工程還存在剛度突變、轉(zhuǎn)換、扭轉(zhuǎn)不規(guī)則及偏心布置等3項(xiàng)不規(guī)則，同時(shí)具有高位轉(zhuǎn)換1項(xiàng)復(fù)雜類型，屬于超限高層建筑。

4.2 性能目標(biāo)

根據(jù)高規(guī)[2] 3.11.1條要求，結(jié)合超限情況及專家建議，結(jié)構(gòu)總體抗震性能目標(biāo)定為C級，結(jié)構(gòu)體系中各部分構(gòu)件的抗震性能目標(biāo)見表1。

5、結(jié)構(gòu)整體計(jì)算分析

5.1 小震彈性計(jì)算

采用PKPM（V4.2版本）軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性計(jì)算分析，并采用ETABS軟件進(jìn)行了計(jì)算復(fù)核，計(jì)算結(jié)果表明，兩種軟件主要指標(biāo)計(jì)算結(jié)果相近。X，Y向剪重比調(diào)整前雖不滿足規(guī)范最小剪力系數(shù)1.6%要求，但均不小于規(guī)范限值的0.85，根據(jù)抗規(guī)[3]5.2.5條及條文說明進(jìn)行地震剪力調(diào)整后，均能滿足規(guī)范要求;因轉(zhuǎn)換層存在轉(zhuǎn)換斜撐，第6層X向剛度比最小層剛度比不滿足規(guī)范限值要求，存在軟弱層;其它周期比、位移比、層間位移角、剛重比、受剪承載力之比等參數(shù)均能滿足規(guī)范要求。

5.2 小震彈性時(shí)程補(bǔ)充分析

根據(jù)高規(guī)[2]5.1.13條，本工程采用PKPM進(jìn)行了小震彈性時(shí)程分析補(bǔ)充計(jì)算。計(jì)算分析時(shí)，所采用的各條地震波的加速度峰值為35cm/s2，并分別沿X向、Y向和Z向三個(gè)方向加載，地震波持續(xù)時(shí)間t均不小于15.5s。時(shí)程波采用三向施加，主方向：次方向：豎向=1：0.85：0.65。本工程時(shí)程分析選用2組天然地震波和1組人工波進(jìn)行計(jì)算。

彈性時(shí)程分析主要結(jié)果如表3所示。計(jì)算結(jié)果表明，3條時(shí)程曲線主方向作用下的基底剪力及其平均值與反應(yīng)譜的比值均滿足高規(guī)4.3.5條規(guī)定。計(jì)算結(jié)果反映，時(shí)程分析多數(shù)樓層剪力均大于CQC法的樓層剪力，施工圖設(shè)計(jì)時(shí)需對X、Y向地震力進(jìn)行放大。

5.3 中震分析

采用PKPM軟件進(jìn)行中震不屈服和中震彈性計(jì)算，主要分析結(jié)構(gòu)最大層間位移角及各結(jié)構(gòu)構(gòu)件是否滿足性能目標(biāo)要求。計(jì)算結(jié)果表明，本工程設(shè)計(jì)能滿足預(yù)期的中震作用下的性能目標(biāo)要求。此外，對底層墻肢和框架柱及轉(zhuǎn)換層進(jìn)行中震作用下的拉應(yīng)力驗(yàn)算，少部分雖出現(xiàn)拉應(yīng)力，但平均名義拉應(yīng)力均未超過兩倍砼抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，在該部分柱、墻內(nèi)均配置型鋼或鋼板，用以抵抗該部分拉力。

5.4 動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析

采用PKPM-SAUSAGE程序進(jìn)行了罕遇地震作用下彈塑性時(shí)程分析，并采用MIDAS GEN 2018軟件進(jìn)行了對比分析，結(jié)果如表4所示。

由計(jì)算結(jié)果可知：

（1）主體結(jié)構(gòu)在地震作用下的最大彈塑性層間位移角小于規(guī)范的限值1/100，滿足規(guī)范“大震不倒”的要求。

（2）從彈塑性與彈性模型基底剪力情況可以看出，由于結(jié)構(gòu)損傷，剛度適度退化，表明結(jié)構(gòu)擁有良好的耗能體系，設(shè)計(jì)方案比較合理。

（3）結(jié)構(gòu)抗傾覆力矩與大震傾覆力矩的比值滿足規(guī)范要求。

（4）三條波作用下地震反應(yīng)基本規(guī)律一致，結(jié)構(gòu)損傷情況主要表現(xiàn)為框架梁、連梁等構(gòu)件部分出現(xiàn)了明顯的損傷，大部分出現(xiàn)了輕度破壞，較好地發(fā)揮了耗能作用;框支柱損傷程度很低，基本未出現(xiàn)塑性鉸，且底部加強(qiáng)區(qū)無破壞，僅裙房柱出現(xiàn)了輕微破壞，同時(shí)上部樓層僅發(fā)生輕度損壞。

結(jié)構(gòu)的總體抗震性能良好，大震作用下滿足既定性能目標(biāo)要求。

6、關(guān)鍵構(gòu)件計(jì)算分析

采用YJK程序中實(shí)體單元對框支柱、框支梁、轉(zhuǎn)換層上下部剪力墻及轉(zhuǎn)換層樓板進(jìn)行整體有限元應(yīng)力分析，通過應(yīng)力分析結(jié)果校核配筋，并采取相應(yīng)加強(qiáng)措施。

采用ABAQUS軟件對型鋼轉(zhuǎn)換梁的極限承載力進(jìn)行了計(jì)算，經(jīng)分析，各轉(zhuǎn)換梁的大震內(nèi)力均小于極限抗彎承載力，且有較大的富余，進(jìn)一步驗(yàn)證了轉(zhuǎn)換梁在大震下的安全性。

7、針對超限采取的主要應(yīng)對措施

7.1 整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)對措施

（1）優(yōu)化轉(zhuǎn)換層上下部結(jié)構(gòu)剛度，使其接近1;

（2）采取設(shè)置型鋼、增大柱截面與加大梁截面的方式以提高框架的抗側(cè)剛度，增加框架的剪力分擔(dān)比;

（3）通過框支框架剪力按0.3V0與1.5Vfmax調(diào)整的方式，提高框支框架柱強(qiáng)度儲(chǔ)備，保證二道防線安全。

（4）采用多種軟件進(jìn)行對比分析，了解結(jié)構(gòu)在地震時(shí)程下的響應(yīng)過程，并尋找結(jié)構(gòu)薄弱部位進(jìn)行針對性加強(qiáng)。

7.2 剪力墻的應(yīng)對措施

（1）嚴(yán)格控制加強(qiáng)區(qū)墻體在重力荷載代表值設(shè)計(jì)值下的軸壓比在0.5以下;

（2）底部加強(qiáng)區(qū)域內(nèi)，提高角部墻體的約束邊緣構(gòu)件配筋率，提高加強(qiáng)區(qū)墻體的承載力與延性;

（3）嚴(yán)格控制剪力墻截面的剪應(yīng)力水平;

（4）設(shè)置鋼板剪力墻。

7.3 轉(zhuǎn)換柱的應(yīng)對措施

（1）采用型鋼砼柱作為框支柱，并控制型鋼的含鋼率為4～6%;

（2）控制柱的地震作用下的軸壓比小于0.60，同時(shí)控制柱截面的剪應(yīng)力水平。

7.4 框支梁的應(yīng)對措施

（1）采用工字形型鋼混凝土梁作為框支梁，嚴(yán)格控制抗剪截面;

（2）大跨度框支梁位置采用在型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁下設(shè)置型鋼混凝土斜撐轉(zhuǎn)換;

（3）端部剪力較大的部分框支梁采取豎向加腋加強(qiáng)措施，提高抗剪性能。

（4）對主次框支梁及型鋼混凝土斜撐等關(guān)鍵部位進(jìn)行有限元應(yīng)力分析，通過應(yīng)力分析結(jié)果校核配筋，并采取相應(yīng)加強(qiáng)措施。

7.5 其他相關(guān)應(yīng)對措施

（1）根據(jù)彈性時(shí)程分析情況，施工圖設(shè)計(jì)時(shí)對雙向地震力進(jìn)行放大;

（2）轉(zhuǎn)換層位置上、下部剪力墻，根據(jù)計(jì)算需要適當(dāng)增加薄弱部位剪力墻截面，同時(shí)提高此區(qū)域剪力墻墻身配筋率至0.45%，墻身布置雙層雙向交叉斜向鋼筋加強(qiáng)，以提高其抗剪能力;

（3）樓電梯井處200mm剪力墻較薄且為薄弱位置，提高底部加強(qiáng)區(qū)墻身配筋率至0.39%;

（4）根據(jù)樓板應(yīng)力分析情況，對洞口周邊及上部樓層四周的樓板采取板厚加大、提高配筋率等加強(qiáng)措施。

結(jié)語：

本工程存在多項(xiàng)超限，在設(shè)計(jì)中根據(jù)建筑特點(diǎn)和抗震原則，采用合理的結(jié)構(gòu)體系使其具有良好的結(jié)構(gòu)性能。整體結(jié)構(gòu)采用兩種軟件進(jìn)行小震作用下的計(jì)算;采用性能化設(shè)計(jì)方法，對主體結(jié)構(gòu)中震性能進(jìn)行了驗(yàn)算，并采用PKPM-SAUSAGE和MIDAS GEN 2018進(jìn)行了大震彈塑性時(shí)程分析。計(jì)算結(jié)果表明，各項(xiàng)指標(biāo)良好，滿足規(guī)范的有關(guān)要求。同時(shí)對關(guān)鍵構(gòu)件和薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算分析并適當(dāng)加強(qiáng)，更好的保證了結(jié)構(gòu)的安全。

參考文獻(xiàn)：

[1]湖南省勘測設(shè)計(jì)院.岳陽友阿國際商業(yè)廣場巖土工程詳細(xì)勘察報(bào)告[R].長沙，2017.

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[3]建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范：GB50011-2010[S].2016年版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2016.

作者簡介：

姜亞鵬，碩士，工程師，一級注冊結(jié)構(gòu)工程師。