某超限商業(yè)綜合體項目關(guān)鍵部位性能分析

文｜南京金宸建筑設(shè)計有限公司 顧曉星 孫亞萍 吳春雷

1 工程概述

本案項目位于江蘇省南京市，總建筑面積245546.44m2，其中地上建筑面積148492.31m2。建筑效果圖見圖1。項目由一棟高層酒店、兩棟高層公寓樓、高層商業(yè)裙房與多層商業(yè)裙房組成。地面以上酒店、公寓樓與商業(yè)裙房之間設(shè)置抗震縫，分為各自獨立的抗震單元。本文的高層商業(yè)裙房底部長寬為182.6m×61.95m～23.7m，地下三層，地上8 層，高度為39.8m，框架結(jié)構(gòu)，地震烈度為7 度，場地特征周期0.49，重點設(shè)防類，抗震等級一級。

本工程根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點》的規(guī)定屬于超限高層建筑工程。共存在4 項一般不規(guī)則：1.扭轉(zhuǎn)不規(guī)則：考慮偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比1.36大于1.2；2.凹凸不規(guī)則：平面凹凸尺寸大于相應邊長30%；3.樓板不連續(xù)：有效寬度小于50%，開洞面積大于30%；4.構(gòu)件間斷；影院層、宴會廳、中庭等部位存在穿層柱和少數(shù)梁上柱。

2 小震反應譜分析

本工程分別采用中國建筑科學研究院編制的“多層及高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析與設(shè)計軟件”-SATWE（PKPM V3.1 版）進行計算分析，并采用北京邁達斯技術(shù)有限公司開發(fā)MIDAS（2017 版）程序進行對比分析計算。

彈性振型分解反應譜法計算地震力時，考慮了±5%偶然偏心和雙向地震作用（兩者不同時考慮），CQC 法進行振型組合，按《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011-2010）規(guī)定方法計算雙向地震作用，并按規(guī)范中規(guī)定的荷載組合進行構(gòu)件承載力設(shè)計和結(jié)構(gòu)變形驗算。

計算結(jié)果標明，SATWE 和Midas Building 的樓層質(zhì)量、周期、振型、位移、地震力、傾覆力矩、樓層抗剪承載力比、樓層側(cè)向剛度比等均接近，誤差小于5%。

圖1 建筑效果圖

3 結(jié)構(gòu)性能設(shè)計

3.1 結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震性能目標

確定合理的預期性能目標對于超限項目尤為重要。對不同的構(gòu)件，不同的部位，進行適當?shù)募訌?，使結(jié)構(gòu)性能達到安全性和完美性的統(tǒng)一。根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，抗震性能目標分為A、B、C、D 四個等級，抗震性能分為1、2、3、4、5 五個水準；本工程結(jié)合不同部位構(gòu)件的重要性，并參考了類似工程的設(shè)計經(jīng)驗，選擇抗震性能目標為D 級，具體見表1。

3.2 框架柱設(shè)計

3.2.1 普通框架柱設(shè)計

框架柱取小震彈性和中震抗剪彈性、抗彎不屈服的包絡(luò)計算結(jié)果。

3.2.2 穿層框架柱設(shè)計

本工程3～8 層均存在局部穿層柱，分析時，考慮穿層柱實際計算長度。穿層柱按均分樓層剪力進行調(diào)整。穿層框架柱設(shè)計取小震彈性和中震抗剪彈性、抗彎彈性的包絡(luò)計算結(jié)果。

表1 本工程結(jié)構(gòu)抗震性能目標設(shè)定

圖2 第4 層X 向水平地震作用下X 向拉應力分布圖

圖3 第2 層降溫工況作用下X 向拉應力分布圖

3.3 大跨框架梁設(shè)計

第2～5 層中庭連橋的框架梁跨度34.1m，采用型鋼混凝土梁，砼梁截面900×1200，型鋼H800×400×20×36，鋼材牌號Q390B。設(shè)計取小震彈性(同時考慮水平、豎向地震)和中震彈性的包絡(luò)計算結(jié)果。

3.4 大跨懸挑梁設(shè)計

本工程懸挑梁懸挑長度一般為4.5～10m，懸挑梁懸挑長度超過6m 或懸挑梁端部擱置扶梯的，采用型鋼混凝土梁或施加預應力的方式提高其承載能力和減小其撓度。設(shè)計取小震彈性(同時考慮水平、豎向地震)和中震彈性的包絡(luò)計算結(jié)果。

3.5 轉(zhuǎn)換梁柱設(shè)計

本工程6～7 層右側(cè)為影院，有不少框架柱在6 層樓面處截止，為了支撐7 層夾層以及頂層屋面，共設(shè)置了4 個梁上柱。轉(zhuǎn)換梁、柱均采用型鋼混凝土。計算可知，中震彈性下轉(zhuǎn)換梁柱截面抗剪、抗彎均滿足要求。

3.6 樓板不連續(xù)應力分析

第4 層Y 向有效板寬小于50%，第7～8 層開洞面積大于30%，有效板寬小于50%，均為樓板不連續(xù)超限樓層。采用MIDAS 對這3 層樓面進行應力分析，分析時取消剛性樓板假定，將樓板設(shè)置成彈性模，考慮平面內(nèi)樓板實際剛度。

圖2給出了第4 層在水平地震效應影響情況下X 向拉應力分布。從結(jié)果可以看出，X 向水平地震工況下樓板最大拉應力為0.39MPa 遠小于C35 混凝土抗拉強度設(shè)計值1.57 MPa。施工圖時，此處樓板雙層雙向加強配筋。

3.7 樓板溫度應力分析

本工程X向182.6m，Y向最寬處62.0m，超過《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》第8.1.1條現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)的伸縮縫最大間距55m 要求，為超長不設(shè)縫結(jié)構(gòu)。采用MIDAS 對2層和屋面樓板進行溫度應力分析，溫差考慮±25℃，徐變系數(shù)取0.3。分析時取消剛性樓板假定，將樓板設(shè)置成彈性模，考慮平面內(nèi)樓板實際剛度。

圖3給出了第2 層在降溫工況作用下X 向溫度應力分布。從結(jié)果可以看出，降溫工況下，除了在樓板中間部位約30m 長范圍的X 向溫度拉應力在1.30 ～2.0 MPa之間，個別位置溫度應力集中達到2.7MPa大于C35 混凝土抗拉強度設(shè)計值1.57 MPa外，其他部位拉應力均小于1.30 MPa。施工圖時，樓蓋雙層雙向按計算溫度應力和受力包絡(luò)配筋，并加強應力集中處的配筋。

3.8 樓蓋舒適性分析

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第3.7.7條和《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》3.4.6條，對于鋼筋砼樓蓋結(jié)構(gòu)，一般情況下，商場樓蓋結(jié)構(gòu)的豎向頻率不宜小于3Hz，以保證結(jié)構(gòu)具有適宜的舒適度，避免跳躍時周圍人群的不舒適。

應用盈建科YJK1.8 的樓板及設(shè)備振動模塊計算得到各樓層的豎向頻率如表2，可知本工程樓蓋舒適度滿足要求。

4 彈塑性靜力推覆分析

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第3.11.4 條規(guī)定，高度不超過150m 的高層建筑可采用靜力彈塑性分析法，選用PKPM的PUSH&EPDA 的彈塑性靜力分析模塊作為分析工具。

表2

圖4 塑性狀態(tài)圖（30 加載步）

本項目僅以X 向彈塑性靜力推覆分析為例，Y 向分析過程類似。彈塑性靜力推覆分析時采用實配鋼筋。

該工程X 向的需求層間位移角為1/151＜1/50，滿足罕遇地震作用下規(guī)范規(guī)定的變性要求。與需求點對應的總加載步號為30。

第30 加載步所對應的結(jié)構(gòu)桿端塑性狀態(tài)圖如圖4所示。由圖可知，在罕遇地震作用下，大部分框梁出現(xiàn)塑性鉸，個別框柱拉裂。隨著水平推覆力繼續(xù)增大，更多框梁開始屈服，框柱拉裂，結(jié)構(gòu)整體剛度有所下降，但無受壓破壞現(xiàn)象。

5 針對結(jié)構(gòu)超限情況采取的加強措施

本工程存在四項平面不規(guī)則，為此結(jié)構(gòu)設(shè)計采取了以下措施，確保結(jié)構(gòu)具有很好的承載能力和延性，滿足D 級性能目標。

5.1.結(jié)構(gòu)計算分析

（1）采用兩種不同力學模型的三維空間分析軟件SATWE 和Midas，進行整體結(jié)構(gòu)內(nèi)力與位移計算和比較，確保計算分析結(jié)果的真實可靠。

（2）樓面板采用考慮面內(nèi)剛度的彈性膜單元，實際考慮板的面內(nèi)剛度，對相應的部位在設(shè)計時做加強處理。

5.2.基于性能的抗震設(shè)計

對結(jié)構(gòu)體系中的關(guān)鍵部位和薄弱部位進行性能化設(shè)計，如：穿層柱、轉(zhuǎn)換梁、大跨連廊梁及與其相連的柱、轉(zhuǎn)換柱。

5.3.特殊部位樓面板處理

（1）第7 層（標高31.550）采用MIDAS進行計算，在計算中用彈性膜模擬，影院側(cè)板厚150mm，雙層雙向配筋，每層每方向配筋率不小于0.25%，保證板具有足夠的水平剛度，有效傳遞水平力。

（2）樓層處樓梯較多，樓面開洞較多，對開洞較多形成的狹長板帶采取板厚加厚以及配筋加強處理。

5.4.提高結(jié)構(gòu)延性

在滿足承載能力計算的前提下，在結(jié)構(gòu)體系中的關(guān)鍵部位，如框支柱，采用型鋼混凝土構(gòu)件以提高其承載力和延性。

6 結(jié)語

本項目采用SATWE 和MIDAS 軟件對結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵構(gòu)件進行了小震彈性、中震不屈服和中震彈性設(shè)計以及大震時的動力彈塑性分析下的各水準下包絡(luò)設(shè)計，對關(guān)鍵部位采取有針對性的加強措施?？拐鹦阅軡M足稍高于D 級性能目標要求，且承載力和正常使用狀態(tài)下的撓度裂縫以及樓蓋舒適度均滿足要求。