特別不規(guī)則框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計實例

張 成

(上海新鴻基威萬房地產(chǎn)有限公司，上海 200020)

1 概述

在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，合理的建筑形體和布置對抗震是非常重要的。根據(jù)GB 50010—2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范條文3.4.1說明：特別不規(guī)則的建筑方案，包括“同時具有本規(guī)范表3.4.3所列六個主要不規(guī)則類型的三個或三個以上”。該規(guī)范3.4.3中的六項不規(guī)則為：扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、凹凸不規(guī)則、樓板局部不連續(xù)、側(cè)向剛度不規(guī)則、豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)、樓層承載力突變。本文分析論述的實例為具有上述以及其他類似不規(guī)則類型3個以上的特別不規(guī)則框架結(jié)構(gòu)。

2 設(shè)計實例一

本例所分析論述的工程案例為上海地區(qū)某新建運營總部的多層綜合樓建筑單體。

2.1 工程概況

綜合樓為平面呈“L”形的5層建筑，總建筑面積8 088 m2，建筑占地面積為：2 329 m2。建筑平面軸線尺寸為95 m×38 m，東西長95.4 m，南北向長37.8 m，并向南懸挑3.5 m。柱距為6.6 m，13.2 m，9 m，10 m和8 m，跨度8 m+10 m。底層層高為5.15 m，2層、3層層高均為4.5 m，4層、5層層高均為4.2 m。東西長度方向由2層突變?yōu)?層，5層區(qū)域中部有3層局部架空。1層～5層主要功能為辦公室及物流管理用房。建筑室外地坪至最高屋面的高度為23.2 m，室外地坪到女兒墻高度24.0 m，室內(nèi)外高差0.45 m。綜合樓建筑效果圖如圖1所示。

2.2 結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計和技術(shù)參數(shù)

因東西向超長，綜合樓中間設(shè)一道寬為100 mm的伸縮縫兼作防震縫，將左側(cè)2層和右側(cè)5層隔開，左側(cè)結(jié)構(gòu)平立面規(guī)則，右側(cè)結(jié)構(gòu)平面特別不規(guī)則。因此本文僅討論右側(cè)不規(guī)則模型的設(shè)計分析。

右側(cè)區(qū)域總體呈L形布局，為5層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。

抗震技術(shù)條件：結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度為0.1g；特征周期為0.9 s，設(shè)計地震分組為第一組；建筑物抗震設(shè)防等級為丙類標準設(shè)防類；混凝土結(jié)構(gòu)抗震等級為三級。電算中主要參數(shù)選用：偶然偏心：考慮；雙向地震：考慮；計算振型個數(shù)：15個；周期折減系數(shù)：0.7。

結(jié)構(gòu)主要材料：混凝土強度等級：1層柱C40，2層柱C35，其余均C30；鋼筋級別HRB400。

1層～3層框架柱主要截面為800×800，4層～5層框架柱主要截面為600×600。

2.3 計算分析

2.3.1 計算模型建立

計算軟件選用：上部結(jié)構(gòu)采用《盈建科建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件》(YJK-A)進行受力分析。基礎(chǔ)部分采用《盈建科基礎(chǔ)設(shè)計軟件》(YJK-F)進行計算。樓梯部分采用《理正結(jié)構(gòu)設(shè)計工具箱軟件》進行計算。

運用盈建科結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件進行建模并分析。2層平面布置示意圖如圖2所示，結(jié)構(gòu)立面模型如圖3所示。

2.3.2 結(jié)構(gòu)性能計算結(jié)果

上部結(jié)構(gòu)采用《盈建科建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件》(YJK-A)進行受力分析，以下僅提供對此單體較有代表性的計算結(jié)果：

1)首層的側(cè)移剛度與上一層相應(yīng)側(cè)移剛度70%的比值或上三層平均側(cè)移剛度80%的比值中之較小者，Ratx1= 1.140 0；Raty1=1.084 7。比值均大于1，側(cè)向剛度規(guī)則；

首層與上一層的承載力之比，Ratio_X=0.92；Ratio_Y=0.89。比值均大于0.8，樓層承載力不存在突變。

2)第一振型周期為 1.077 1 s，平動系數(shù)為0.96(X)，大于0.9；

第二振型周期為 1.028 7 s，平動系數(shù)為0.99(Y)，大于0.9；

第三振型周期為 0.961 3 s，平動系數(shù)為0.05；

第1扭轉(zhuǎn)周期(0.961 3)/第1平動周期(1.077 1)=0.89，小于0.9。

3)最不利地震作用方向下的層間最大位移角為1/604，小于1/550；

最大層間位移與平均層間位移的比值，在Y+規(guī)定水平力作用下，為1.20，較規(guī)則。

2.4 結(jié)構(gòu)不規(guī)則分析判斷及加強措施

2.4.1 建筑結(jié)構(gòu)抗震不規(guī)則分析

根據(jù)上述建筑空間及結(jié)構(gòu)布置，對照GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范(2016年版)規(guī)則性判定條款，本建筑結(jié)構(gòu)單元的規(guī)則性情況分析如下：

1)⑨軸～⑩軸處1層～3層架空，立面開洞形成連體結(jié)構(gòu)。

4)最大層間位移與平均層間位移比大于1.2，屬于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。

2.4.2 針對上述不規(guī)則情況采取的加強措施

2)針對樓板局部不連續(xù)。1層及2層門廳大開洞周邊范圍樓板板厚由110 mm增大至130 mm，并滿足最小配筋率0.25%。

3 設(shè)計實例二

本例所分析論述的工程案例為上海地區(qū)某新建的多層汽車試驗樓建筑單體。

3.1 工程概況

該建筑為地上4層、地下1層的汽車試驗樓。占地面積為8 834 m2；建筑面積為47 417 m2。建筑平面中部設(shè)有通高中庭，平面呈“回”字布置。建筑平面軸線最大尺寸約為134.2 m×81.2 m，主要柱網(wǎng)8.4 m×9.0 m，9.0 m×9.0 m。1層層高7.95 m、2層層高6.05 m、3層層高4.2 m，4層層高4.2 m，地下室層高6.1 m。

地上1層，2層主要布置有各類測試試驗室。地下室頂板主要均布活荷載標準值為5 kN/m2和10 kN/m2。2層樓面主要均布活荷載標準值為10 kN/m2。3層、4層布置有生產(chǎn)車間、測試室等房間。其主要均布活荷載標準值為3 kN/m2。大屋面設(shè)置上屋面樓梯間及電梯機房。考慮暖通、給排水太陽能板等設(shè)備基礎(chǔ)，其主要均布活荷載標準值為2.5 kN/m2。地下室主要為停車庫、試驗室、配套設(shè)備用房等。

上部結(jié)構(gòu)采用鋼框架結(jié)構(gòu)體系，樓面采用鋼筋桁架混凝土樓層板，地下室采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系，上部鋼柱延伸至地下室底板頂面。基礎(chǔ)采用樁、獨立承臺+防水板，樁采用PHC500預(yù)應(yīng)力管樁，樁長23 m，以⑦1-1層草黃色黏質(zhì)粉土為樁端持力層；場地?zé)o液化問題。結(jié)構(gòu)分析中以地下室頂板為上部結(jié)構(gòu)計算嵌固端。

試驗樓方案鳥瞰效果圖如圖4所示。

3.2 結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計和技術(shù)參數(shù)

鋼框架結(jié)構(gòu)東西方向及南北方向均不超長，不需設(shè)置伸縮縫，因此該建筑作為一個整體進行建模分析。

抗震技術(shù)條件：結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度為0.1g；特征周期為0.9 s，設(shè)計地震分組為第2組；建筑物抗震設(shè)防等級為丙類標準設(shè)防類；鋼結(jié)構(gòu)抗震等級為四級。電算中主要參數(shù)選用：偶然偏心：考慮；雙向地震：考慮；計算振型個數(shù)：程序自動確定，振型參與質(zhì)量系數(shù)需達到總質(zhì)量的百分比：90%；周期折減系數(shù)：0.8。

結(jié)構(gòu)主要材料：基礎(chǔ)混凝土強度等級為C40，鋼筋級別HRB400，梁、柱均采用Q355B。

3.3 計算分析

3.3.1 計算模型建立

計算軟件選用：上部結(jié)構(gòu)采用《盈建科建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件》(YJK-A)進行受力分析。鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點采用探索者MTS工具箱進行計算。基礎(chǔ)部分采用《盈建科基礎(chǔ)設(shè)計軟件》(YJK-F)進行計算。樓梯部分采用《理正結(jié)構(gòu)設(shè)計工具箱軟件》進行計算。

運用盈建科結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件進行建模并分析。試驗樓2層結(jié)構(gòu)鋼梁平面示意圖如圖5所示。

地下室混凝土框架柱主要截面為矩形1 200×1 200(上部鋼柱延伸至地下室底板頂面)，1層框架柱主要截面為箱型650×650，2層框架柱主要截面為箱型500×500，3層～4層框架柱主要截面為箱型400×400。

3.3.2 結(jié)構(gòu)性能計算結(jié)果

上部結(jié)構(gòu)采用《盈建科建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件》(YJK-A)進行受力分析，以下僅提供對此單體較有代表性的計算結(jié)果：

1)地下1層與地上1層X方向剛度比為118.9；Y方向剛度比為87.617 4。比值均大于2，滿足地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位要求。

2)1層的側(cè)移剛度與上一層相應(yīng)側(cè)移剛度70%的比值或上三層平均側(cè)移剛度80%的比值中之較小者(上海地區(qū)采用剪切剛度)，Ratx3=0.951；Raty3=0.951。比值小于1，側(cè)向剛度不規(guī)則；首層與上一層的承載力之比，Ratio_X=1.27；Ratio_Y=1.27。比值均大于0.8，樓層承載力不存在突變。

2層的側(cè)移剛度與上一層相應(yīng)側(cè)移剛度70%的比值或上三層平均側(cè)移剛度80%的比值中之較小者(上海地區(qū)采用剪切剛度)，Ratx3=1.049；Raty3=1.049。比值均大于1，側(cè)向剛度規(guī)則；2層與上一層的承載力之比，Ratio_X= 1.23；Ratio_Y=1.23。比值均大于0.8，樓層承載力不存在突變。

3)第一振型周期為1.456 6 s，平動系數(shù)為0.97(X)；

第二振型周期為1.374 3 s，平動系數(shù)為0.89(Y)；

第三振型周期為1.282 7 s，平動系數(shù)為0.15；

第1扭轉(zhuǎn)周期(1.282 7)/第1平動周期(1.456 6) = 0.88，小于0.9。

4)最不利地震作用方向28.75°下的層間最大位移角為 1/318，小于 1/250；

最大層間位移與平均層間位移的比值，在Y+偶然偏心規(guī)定水平力作用下，為1.27，大于1.2，平面扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。

3.4 結(jié)構(gòu)不規(guī)則分析判斷及加強措施

3.4.1 建筑結(jié)構(gòu)抗震不規(guī)則分析

根據(jù)上述建筑空間及結(jié)構(gòu)布置，對照GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范(2016年版)規(guī)則性判定條款，本建筑結(jié)構(gòu)單元的規(guī)則性情況分析如下：

1)在考慮偶然偏心的規(guī)定水平力作用下，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)位移比最大值大于1.2，存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。

2)2層～屋面(連續(xù)3層以上)中庭樓板開洞后，有效樓板寬度小于相應(yīng)樓板典型寬度的50%，其中2層中庭及試驗所開洞后有效樓板寬度小于該層典型寬度的40%(約為34.6%)，存在個別層有效樓板寬度偏窄的不規(guī)則。屬于較嚴重的樓板局部不連續(xù)。

3)1層的側(cè)移剛度與上一層相應(yīng)側(cè)移剛度70%的比值或上三層平均側(cè)移剛度80%的比值中之較小者(上海地區(qū)采用剪切剛度)，Ratx3=0.951；Raty3=0.951。比值小于1，側(cè)向剛度不規(guī)則。

3.4.2 針對上述不規(guī)則情況采取的加強措施

1)針對扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。扭轉(zhuǎn)位移比最大處出現(xiàn)于建筑西北角。在滿足建筑及試驗室使用要求的前提下，適當增加該部分的鋼柱布置及鋼梁高度，增強局部抗側(cè)移剛度，改善結(jié)構(gòu)的整體抗扭轉(zhuǎn)性能。

2)針對較嚴重的樓板局部不連續(xù)。各樓層及屋面層的中庭大開洞四周一個柱距的范圍，加強局部鋼柱鋼梁截面，增加鋼筋桁架樓層板的厚度和雙層雙向的配筋率。并且，在盈建科計算軟件中定義樓板為“彈性板6”并采用有限元方式計算，對于計算結(jié)果“樓板應(yīng)力等值線圖”中應(yīng)力數(shù)值較大的支座處配置附加鋼筋。2層樓面較為集中開洞的相關(guān)范圍上方樓板，適當加厚樓板及雙層雙向配筋。

3)針對側(cè)向剛度不規(guī)則。1層為薄弱層，計算中采用1.25的地震剪力放大系數(shù)，構(gòu)造中將該層柱箍筋全長加密，以提高薄弱層抗側(cè)移能力。

4 思考與建議

結(jié)構(gòu)設(shè)計中，對照抗震規(guī)范3.4.3的條款所梳理的建筑結(jié)構(gòu)的不規(guī)則情況，針對每項不規(guī)則情況分別采取必要的抗震措施。

對于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，應(yīng)結(jié)合結(jié)構(gòu)概念和軟件計算結(jié)果，確定結(jié)構(gòu)相對薄弱部位，對相應(yīng)的框架柱截面進行調(diào)整。若框架柱截面調(diào)整受到建筑及水暖電等專業(yè)的限制，可以考慮增大薄弱處框架梁截面及減弱其余剛度較大區(qū)域的梁柱截面以均衡結(jié)構(gòu)整體的抗側(cè)移能力。

對于凹凸不規(guī)則，應(yīng)提高局部凸出部位的抗震構(gòu)造措施，以改善結(jié)構(gòu)整體抗震性能。

對于樓板局部不連續(xù)，建議增大開洞區(qū)域周邊的樓板厚度及配筋，提高開洞后剩余樓板的強度和剛度，以保證樓板提供可靠的水平力傳遞能力。

對于下部架空的連體結(jié)構(gòu)，應(yīng)提高架空區(qū)域的梁柱側(cè)向抗震能力，并增大連體處的樓板剛度，避免該區(qū)域在整體結(jié)構(gòu)中成為較薄弱的部位。

對于側(cè)向剛度不規(guī)則，將薄弱層地震剪力進行放大，并提高該層柱的抗震構(gòu)造措施，提高薄弱層抗側(cè)移能力。