某超限高層建筑抗震設(shè)計(jì)分析

朱正西

摘 要 本工程屬于超限高層建筑，存在多項(xiàng)不規(guī)則項(xiàng)，針對(duì)不規(guī)則項(xiàng)采取相應(yīng)的構(gòu)造措施，并選取合理的計(jì)算軟件及計(jì)算方法進(jìn)行抗震分析，確保抗震設(shè)防滿足要求，為類似工程提供參考。

關(guān)鍵詞 超限高層;結(jié)構(gòu)方案;抗震設(shè)計(jì);構(gòu)造措施

引言

高層建筑結(jié)構(gòu)方案選型跟結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟(jì)、功能使用息息相關(guān)，合理選型至關(guān)重要。現(xiàn)代建筑越來越注重建筑使用功能，造成結(jié)構(gòu)上的局部不規(guī)則，容易形成抗震薄弱部位，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注不規(guī)則部分，并采取相應(yīng)的構(gòu)造措施[1]。

1工程概況

本工程為商業(yè)高層辦公樓，帶兩層地下室，地下二層為機(jī)動(dòng)車庫，層高5.1m，地下一層自行車庫，層高5.7m，地上底部三層為商鋪，層高分別為5.7m、4.5m、4.5m，商鋪通過連橋與大商業(yè)綜合體連接，四層設(shè)設(shè)備夾層，層高2.15m，標(biāo)準(zhǔn)層為辦公，層高4.5m，建筑總共16層，建筑高度75m，標(biāo)準(zhǔn)層平面尺寸56×30m。該工程位于一般抗震設(shè)防地段，建筑場(chǎng)地類別為三類，抗震設(shè)防烈度7度（0.1g），屬于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類建筑。本工程采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系，框架和剪力墻抗震等級(jí)均為二級(jí)，底層主要剪力墻厚450mm，主要柱截面900×900mm，底層墻柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)C60。該工程標(biāo)準(zhǔn)層平面存在樓板開洞后有效樓板寬度為該層樓面寬度45%，經(jīng)計(jì)算后平面最大扭轉(zhuǎn)位移比達(dá)到1.35，有6根標(biāo)準(zhǔn)層柱在設(shè)備層轉(zhuǎn)換，造成豎向構(gòu)件不連續(xù)，同時(shí)設(shè)備層高度達(dá)到建筑總高度的19.4%，商鋪柱網(wǎng)在設(shè)備層收進(jìn)，最大收進(jìn)尺寸達(dá)到40%，所以，本工程存在三項(xiàng)不規(guī)則項(xiàng)，屬于不規(guī)則高層建筑，應(yīng)進(jìn)行抗震超限專項(xiàng)審查[2]。

1.1 主要結(jié)構(gòu)方案

本工程采用塔樓部分鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系，局部底商采用框架結(jié)構(gòu)。剪力墻集中布置在兩個(gè)樓梯間，形成兩個(gè)核心筒體，核心筒體間間距29m，底層核心筒外圍剪力墻墻厚450mm，到標(biāo)準(zhǔn)層墻厚收到300mm，內(nèi)側(cè)樓電梯剪力墻墻厚200mm，塔樓部位底層標(biāo)準(zhǔn)柱網(wǎng)8.4m，框架柱截面700×700～900×900mm，到標(biāo)準(zhǔn)層收到600×600mm，底層墻柱混凝土強(qiáng)度C60，到標(biāo)準(zhǔn)層逐漸變到C30。一層采用結(jié)構(gòu)大板布置，不設(shè)次梁，板厚取180mm，二～三層底商結(jié)構(gòu)布置采用單次梁布置，梁高根據(jù)跨度選取，板厚120mm，標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)布置采用雙次梁布置，次梁布置在建筑墻體位置，保證房間不露梁，板厚120mm。底商二、三層與大商業(yè)相連的連橋采用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，一端設(shè)計(jì)鉸接支座，一端設(shè)滑動(dòng)支座。本工程塔樓部分基礎(chǔ)采用800mm鉆孔灌注樁（樁端后注漿），樁長27m，樁端持力層粉砂層，單樁抗壓承載力特征值4300kN，裙房部分基礎(chǔ)采用600mm鉆孔灌注樁，樁長27m，樁端持力層粉砂層，單樁抗壓承載力特征值1900kN，抗拔承載力特征值950kN。塔樓柱下三樁、四樁承臺(tái)，核心筒采用樁筏基礎(chǔ)，核心筒筏板厚度1000mm，其余部分底板采用700mm筏板。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)

（1）平面樓板不連續(xù)。標(biāo)準(zhǔn)層平面樓板有效寬度小于該層樓面寬度50%，存在樓板大開洞，水平地震力不能有效傳遞，形成薄弱部位。中庭開洞后兩側(cè)梁不連續(xù)，形成單跨框架，對(duì)抗震受力不利。

（2）平面扭轉(zhuǎn)位移比過大。計(jì)算所得局部樓層的扭轉(zhuǎn)位移比達(dá)到1.35，遠(yuǎn)大于規(guī)范限值1.2，局部樓層剛性與質(zhì)心偏移較多，偏心率不滿足規(guī)范要求，造成地震力作用下扭轉(zhuǎn)過大。

（3）豎向構(gòu)件不連續(xù)。本工程較多標(biāo)準(zhǔn)層柱不能落到底商層，需在設(shè)備層進(jìn)行轉(zhuǎn)換，需轉(zhuǎn)換的柱是邊柱或者角柱，造成轉(zhuǎn)換梁僅一側(cè)與樓板相連，對(duì)轉(zhuǎn)換梁受扭不利。需轉(zhuǎn)換的柱柱底荷載較大，梁上抬柱離支座較近，轉(zhuǎn)換梁受到較大的剪力、彎矩作用，導(dǎo)致需設(shè)計(jì)滿足要求的轉(zhuǎn)換梁截面較大，同時(shí)又受到建筑條件限制，轉(zhuǎn)換梁尺寸也受限，梁高僅能做到1800mm，應(yīng)此需進(jìn)行轉(zhuǎn)換梁以及轉(zhuǎn)換柱的專項(xiàng)設(shè)計(jì)[3]。

（4）結(jié)構(gòu)豎向體型收進(jìn)。底商三層的裙房柱在設(shè)備層收進(jìn)，收進(jìn)尺寸最大一側(cè)達(dá)到40%，雖然收進(jìn)的部位高度沒達(dá)到建筑高度的20%，但也屬于接近不規(guī)則，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按不規(guī)則項(xiàng)進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)。

（5） 設(shè)備夾層設(shè)計(jì)。設(shè)備夾層層高僅2.15m，而其上一層標(biāo)準(zhǔn)層層高4.5m。若按實(shí)際情況建模計(jì)算，設(shè)備層就會(huì)形成薄弱層，其與上一層的剛度比以及受剪承載力比均不滿足規(guī)范要求，屬于嚴(yán)重不規(guī)則項(xiàng)，形成安全隱患，必須采用措施避免這一薄弱層的出現(xiàn)。

2采取主要抗震技術(shù)措施

標(biāo)準(zhǔn)層樓板不連續(xù)，大開洞周邊樓板按彈性板進(jìn)行設(shè)計(jì)，洞口周邊板厚加強(qiáng)到130mm，配筋按雙層雙向配筋加強(qiáng)，配筋率按0.25%控制，洞口周邊梁寬加寬到400mm，同時(shí)梁抗扭配筋加強(qiáng)。并進(jìn)行中震下樓板應(yīng)力分析，根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整板厚并進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)。針對(duì)樓板開洞造成梁不連續(xù)，形成單跨框架，取出其中的一榀框架進(jìn)行單獨(dú)計(jì)算分析，運(yùn)用PKPM軟件進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行梁柱的配筋設(shè)計(jì)。

平面扭轉(zhuǎn)位移比過大，應(yīng)加大位移較大側(cè)的抗側(cè)力剛度，減小位移較小側(cè)的抗側(cè)力剛度，同時(shí)加強(qiáng)周邊抗側(cè)力構(gòu)件的配筋，避免地震力作用下周邊構(gòu)架先發(fā)生破壞。

豎向構(gòu)件不連續(xù)，由于轉(zhuǎn)換梁承受的梁上柱荷載較大，且荷載作用點(diǎn)離支座較近，且轉(zhuǎn)換梁截面尺寸受限，采用普通混凝土梁時(shí)，梁計(jì)算截面較大，且梁截面抗剪計(jì)算不滿足要求。所以采用型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁、型鋼混凝土轉(zhuǎn)換柱設(shè)計(jì)，提高轉(zhuǎn)換梁的抗剪、受彎承載力，同時(shí)可以減小截面尺寸，轉(zhuǎn)換梁截面做到950×1800mm，內(nèi)部型鋼采用焊接H型鋼，截面高度1400mm，轉(zhuǎn)換梁需上翻300mm，上翻后高度滿足建筑功能要求。計(jì)算時(shí)轉(zhuǎn)換梁、轉(zhuǎn)換柱按抗震等級(jí)提高一級(jí)考慮，抗震等級(jí)為一級(jí)，并在計(jì)算模型中定義轉(zhuǎn)換梁、轉(zhuǎn)換柱。采用MADIS軟件對(duì)型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁進(jìn)行有限元應(yīng)力分析，對(duì)型鋼翼緣受拉應(yīng)力比、受剪受剪應(yīng)力比控制在0.8以內(nèi)。同時(shí)進(jìn)行中震下計(jì)算分析，確保轉(zhuǎn)換梁滿足抗剪中震彈性，受彎中震不屈服，轉(zhuǎn)換柱中震彈性，根據(jù)中震計(jì)算結(jié)果進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)[4]。

結(jié)構(gòu)豎向體型收進(jìn)，設(shè)備層樓板板厚取到150mm，配筋率滿足0.25%，配筋雙層雙向，上一層樓板板厚130mm，配筋雙層雙向加強(qiáng)，配筋率按0.2%。對(duì)收進(jìn)部位的豎向構(gòu)件抗震等級(jí)提高一級(jí)，配筋加強(qiáng)。

設(shè)備夾層采用與主體結(jié)構(gòu)設(shè)縫脫開的設(shè)計(jì)方法，采用小梁小柱的結(jié)構(gòu)體系，小柱從設(shè)備層梁上立起，小柱與主體框架柱預(yù)留50mm縫。結(jié)構(gòu)整體計(jì)算時(shí)，該層不建入模型，僅考慮該層荷載，該層單獨(dú)建模計(jì)算。采用此方法后樓層剛度比滿足要求，無薄弱層。

本工程計(jì)算分析采用盈建科結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件，并利用第二軟件PMSAP進(jìn)行計(jì)算對(duì)比，對(duì)比結(jié)果滿足要求。同時(shí)進(jìn)行彈性時(shí)程分析，選取合理的三條地震波進(jìn)行分析，跟振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)構(gòu)比較，取最不利情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。并利用MADIS軟件進(jìn)行大震下彈塑性分析，結(jié)構(gòu)彈塑性位移角1/120，滿足規(guī)范要求。

3結(jié)束語

本工程為不規(guī)則高層建筑，主要存在三項(xiàng)不規(guī)則項(xiàng)，進(jìn)行抗震超限專項(xiàng)審查。

采取不同分析軟件進(jìn)行分析計(jì)算，并采用不同分析方法進(jìn)行對(duì)比分析，保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

針對(duì)每個(gè)不規(guī)則項(xiàng)分別采取抗震加強(qiáng)措施，確保結(jié)構(gòu)薄弱部位的受力性能，在地震作用下，薄弱部位不發(fā)生先破壞，以實(shí)現(xiàn)抗震設(shè)防目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1] 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：JGJ3-2010[S].中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，2010.

[2] 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范GB50011-2010（2016年版）[S].中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2016.

[3] 傅學(xué)怡.實(shí)用高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[4] 趙西安.現(xiàn)代高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，2004.