某高位轉(zhuǎn)換超限高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)研究

張亮

摘 要：某高層建筑結(jié)構(gòu)，同時(shí)存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、構(gòu)件間斷、凹凸不規(guī)則、體型收進(jìn)、穿層柱五項(xiàng)一般不規(guī)則項(xiàng)，為超限高層建筑。針對其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，對相應(yīng)的結(jié)構(gòu)布置、小震及風(fēng)荷載下承載力及變形能力、中震及大震下結(jié)構(gòu)抗震性能進(jìn)行分析判斷。

關(guān)鍵詞：超限高層;結(jié)構(gòu);抗震性能

中圖分類號：TU973.31 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1064（2021）01-123-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.01.054

該項(xiàng)目位于珠海市香洲區(qū)南屏灣一路北側(cè)，仙橋路東側(cè)。項(xiàng)目占地約8 264.84m2，建筑形態(tài)為一棟99.65m的高層酒店，底部配有三層商業(yè)裙房。商業(yè)裙房建筑功能包含商業(yè)、會議中心、大型餐廳和宴會廳。高層酒店分別在46.60m（13層）和50.20m（14層）高度存在分級體型收進(jìn)及高位轉(zhuǎn)換，兩級收進(jìn)尺度分別為7.45m和4.55m。

該塔樓的設(shè)計(jì)使用年限是50年;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全等級是2級;結(jié)構(gòu)抗震的設(shè)防類別是丙類;抗震的設(shè)防烈度是7度。

1 結(jié)構(gòu)布置、設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

1.1 抗側(cè)結(jié)構(gòu)體系及豎向不規(guī)則

基于建筑與結(jié)構(gòu)相結(jié)合考慮，采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系，該結(jié)構(gòu)在13、14層樓面局部體型收進(jìn)，收進(jìn)尺寸分別為7.45m和4.55m。在14、15層樓面，部分柱子被轉(zhuǎn)換，其被轉(zhuǎn)換柱子數(shù)量分別為七根和兩根。這樣的設(shè)計(jì)方式是考慮到建筑物自身特點(diǎn)及其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)兩方面相結(jié)合的情況進(jìn)行的相關(guān)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換層上下均由框架和剪力墻共同承擔(dān)側(cè)向力和豎向力;在轉(zhuǎn)換部位，上部側(cè)向力和豎向力通過轉(zhuǎn)換梁傳給下部豎向構(gòu)件，一轉(zhuǎn)換部位（14層）構(gòu)件布置圖如圖1所示，第二轉(zhuǎn)換部位（15層）構(gòu)件布置圖如圖2所示。

1.2 樓蓋結(jié)構(gòu)體系

該項(xiàng)目酒店各層功能復(fù)雜，其樓蓋結(jié)構(gòu)體系的確定因素主要有：機(jī)電要求、建筑平面功能布置、整體結(jié)構(gòu)及層高等。同時(shí)，需要結(jié)合該項(xiàng)目工程的經(jīng)濟(jì)性、工期進(jìn)度、框剪體系等要求和特點(diǎn)，確保三方面的考慮原則：確保工程項(xiàng)目的安全可靠;實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益目標(biāo);確保工程施工在規(guī)定工期內(nèi)可以順利完工。除此之外，該項(xiàng)目建筑凈高因?yàn)槭艿綄痈呦拗疲虼诵枰c機(jī)電、建筑等相關(guān)設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)相關(guān)的梁高、梁格及影響梁跨的柱網(wǎng)。綜合上述所有考慮原因和設(shè)計(jì)要求，進(jìn)而可以選擇采用現(xiàn)澆式的鋼筋混凝土作為梁板施工方案[1]。

1.3 嵌固層

嵌固端作為結(jié)構(gòu)計(jì)算的重要假定，使其具備相應(yīng)平面內(nèi)的剛度方面的水平方向變形，以更好地進(jìn)行地震基底剪力傳遞。規(guī)范對嵌固層有諸多規(guī)定，包括概念和力學(xué)定量。本項(xiàng)目為全埋地下室，頂板無大開洞，且為梁板結(jié)構(gòu)，概念上面滿足嵌固端要求。負(fù)一層與一層側(cè)向剛度比分別為γx=4.71>2.0，γy=3.06>2.0，力學(xué)指標(biāo)滿足嵌固條件。

2 抗震及風(fēng)載彈性要點(diǎn)分析

2.1 小震及風(fēng)載彈性要點(diǎn)分析

采用兩種軟件分別進(jìn)行對比驗(yàn)算，用PKPM和ETABS軟件分別建立三維計(jì)算模型的方法，就風(fēng)荷載及小震下結(jié)構(gòu)的變形及承載力進(jìn)行驗(yàn)算分析。小震下除振型分解反應(yīng)譜方法進(jìn)行分析外，另由于結(jié)構(gòu)不規(guī)則的存在，要采用彈性時(shí)程分析法進(jìn)行補(bǔ)充。

2.1.1 陣型分解反應(yīng)譜法與彈性時(shí)程法

采用陣型分解反應(yīng)譜法，計(jì)算得到結(jié)構(gòu)的模態(tài)、重力、位移角、扭轉(zhuǎn)位移比、剪重比、層剛度比、傾覆力矩、重力二階效應(yīng)與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定判斷、構(gòu)件軸壓比等結(jié)果。采用PKPM軟件分析五組自然波及兩組人工波下結(jié)構(gòu)相應(yīng)的加速度時(shí)程曲線、層剪力、層間位移角等指標(biāo)，與CQC結(jié)果相比較。

2.1.2 分析結(jié)果

本項(xiàng)目中，采用兩種分析方法相互對比和補(bǔ)充，即可得到以下結(jié)論：結(jié)構(gòu)在風(fēng)和多遇地震的相互作用下，可以保持較好的抗側(cè)性能以及抗扭轉(zhuǎn)能力，主要指標(biāo)都可以滿足極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)，以及抗震設(shè)計(jì)中第一階段的性能設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

2.2 中震主要構(gòu)件性能驗(yàn)算

2.2.1 中震主要構(gòu)件性能驗(yàn)算步驟

本項(xiàng)目的性能目標(biāo)為：對關(guān)鍵構(gòu)件——轉(zhuǎn)換柱、轉(zhuǎn)換梁及12～15層體型收進(jìn)周邊豎向構(gòu)件要求無損壞，底部加強(qiáng)部位處的剪力墻可以有輕微損壞;其他普通構(gòu)件可以有輕微損壞;耗能構(gòu)件的連梁及框架梁等允許輕度損壞或部分中度損壞等。

其次，中震驗(yàn)算是通過小震設(shè)計(jì)得到各主要構(gòu)件的受彎與受剪的承載力，驗(yàn)算構(gòu)件的震后性能狀況是否達(dá)到預(yù)期性能水準(zhǔn)要求。鋼筋混凝土柱受到的承載力采用空間的N-M-M包絡(luò)面來反映;剪力墻面內(nèi)受彎承載力采用N-M相關(guān)曲線進(jìn)行描述;采用安全系數(shù)衡量框架柱及剪力墻受剪承載力的安全儲備。

2.2.2 驗(yàn)算結(jié)論

通過Satwe軟件進(jìn)行中震對比分析，可得出以下結(jié)論：剪力墻壓彎富余度較大，底部外圈個(gè)別墻肢彎矩較大，可加強(qiáng)其邊緣構(gòu)件配筋;全部剪力墻均滿足抗剪截面的要求，其中部分剪力墻水平筋中震要比小震大，施工圖設(shè)計(jì)時(shí)取包絡(luò)值;底部個(gè)別墻肢受拉且拉應(yīng)力要在一倍和二倍的混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值之間;剪力墻滿足中震抗剪彈性、抗彎不屈性能要求。轉(zhuǎn)換柱兩個(gè)方向壓彎富余度較大，抗剪彈性;轉(zhuǎn)換柱滿足中震抗剪以及抗彎彈性特點(diǎn)。轉(zhuǎn)換梁按小震及風(fēng)計(jì)算配筋均滿足中震抗剪、抗彎彈性。框架梁、連梁滿足中震抗彎部分屈服、抗剪不屈服的性能目標(biāo)[2]。

2.3 大震彈塑性動力的時(shí)程分析

通常情況下，在結(jié)構(gòu)遭遇罕遇的地震作用過程中，將使其局部、部分或者絕大部分進(jìn)入到彈塑性狀態(tài)。為了更好地滿足“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設(shè)防要求，需要深入了解結(jié)構(gòu)在小震作用下的彈性狀態(tài)，慢慢隨著地震作用的不斷增大而進(jìn)入到彈塑性狀態(tài)，就是結(jié)構(gòu)在中震和大震作用下的工作性能，可應(yīng)用相應(yīng)的抗震措施以更好地確保結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定的抗震安全性。

對大震的分析軟件，本項(xiàng)目主要采用結(jié)構(gòu)動力彈塑性計(jì)算軟件PKPM-SAUSAGE，從模型結(jié)構(gòu)、地震波峰值及調(diào)整系數(shù)、動力彈塑性計(jì)算結(jié)果三個(gè)方面進(jìn)行分析。最終得出相應(yīng)的結(jié)論。

對于本項(xiàng)目的結(jié)論如下：塔樓轉(zhuǎn)換柱、轉(zhuǎn)換梁、剪力墻在大震下大多處于輕度損壞程度，多數(shù)連梁能進(jìn)入彈塑性階段耗散地震能量，主要抗側(cè)力構(gòu)件均沒有出現(xiàn)脆性破壞，結(jié)構(gòu)的整體性能滿足防止倒塌的要求，達(dá)到C類抗震性能目標(biāo)。

3 結(jié)語

通過對本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行分析，得出了相應(yīng)的合理性和安全性結(jié)論。同時(shí)，對抗震性能給予相應(yīng)建議：轉(zhuǎn)換柱、轉(zhuǎn)換梁、12～15層體型的收進(jìn)周邊豎向構(gòu)件的抗震等級為一級。轉(zhuǎn)換層及弱連接樓蓋加厚至180mm，實(shí)現(xiàn)雙層雙向配筋，單向單層鋼筋配筋率為0.3%;其他樓層弱連接樓蓋加厚至150mm，實(shí)現(xiàn)雙層雙向配筋，單向單層鋼筋配筋率為0.25%。該建筑體型的收進(jìn)部位以及上一層樓板的加厚至150mm，實(shí)現(xiàn)雙層雙向配筋，單向單層鋼筋配筋率為0.25%。弱連接樓蓋部位的梁應(yīng)設(shè)置腰筋，單側(cè)不宜少于2根，單側(cè)腰筋截面積不應(yīng)小于腹板截面積的0.2%，且其間距不宜大于150mm。部分轉(zhuǎn)換梁（編號為ZHL2、ZHL4和ZHL11）的主拉應(yīng)力值較大，施工圖設(shè)計(jì)應(yīng)適當(dāng)加大其縱筋配筋率。

參考文獻(xiàn)

[1] 杜明軍，許平，胡振杰，等.某高位大跨連體超限高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].建筑結(jié)構(gòu)，2019，49（05）：83-89.

[2] 王鵬，許平，胡振杰.某高位轉(zhuǎn)換超限高層辦公樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析[J].建筑結(jié)構(gòu)，2016，46（08）：23-27，32.