合肥中安創(chuàng)谷A4樓超限高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

柯春明 范一江

華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司安徽分公司 安徽 合肥 230086

1 工程概況

項(xiàng)目位于合肥市高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)，裙房A4地面之下為兩層，地面之上為七層，檐口高度為37.1m。其三維視圖詳圖1。

圖1

裙房A4結(jié)構(gòu)類型為框架，柱采用現(xiàn)澆砼柱，北側(cè)大懸挑部分采用鋼桁架結(jié)構(gòu)，斜柱及相鄰柱采用型鋼混凝土柱，樓面梁采用鋼筋混凝土梁(其中北側(cè)大懸挑部分梁采用鋼梁、東西向大懸挑梁采用型鋼混凝土梁），樓蓋采用現(xiàn)澆混凝土板（大懸挑部分?jǐn)M采用輕質(zhì)混凝土組合樓板）。

本工程框架梁、柱按二級(jí)設(shè)置抗震等級(jí)；大懸挑構(gòu)件及內(nèi)部一跨梁柱抗震等級(jí)為一級(jí)（中震出現(xiàn)拉應(yīng)力時(shí)抗震等級(jí)提高為特一級(jí)），斜柱及相鄰傾斜方向連接框架梁抗震等級(jí)為一級(jí)，與鋼結(jié)構(gòu)連廊連接柱抗震等級(jí)為一級(jí)，北側(cè)鋼結(jié)構(gòu)桁架抗震等級(jí)為二級(jí)，相連一跨框架抗震等級(jí)為一級(jí)。

本建筑工程具有扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、樓板開洞不連續(xù)、豎向抗側(cè)力尺寸突變、傾斜柱四個(gè)不規(guī)則項(xiàng)，屬于高層、超限建筑[1]。

2 抗震性能目標(biāo)、設(shè)計(jì)措施

2.1 結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計(jì)

按《高規(guī)》第3.11節(jié)的規(guī)定，本工程抗震的性能目標(biāo)選用D級(jí)（關(guān)鍵柱高于D級(jí)），即指小震下達(dá)到性能1的要求，各構(gòu)件均為彈性；中震下達(dá)到性能4（關(guān)鍵柱滿足性能3）的要求，關(guān)鍵柱達(dá)到抗剪彈性、正截面不屈服（斜拉桿、根部框梁、與鋼桁架相連的柱按彈性復(fù)核抗剪、抗彎能力），普通柱抗彎、剪不屈服，耗能構(gòu)件大部分彎、剪不屈服，懸挑及斜柱根部梁板補(bǔ)充拉應(yīng)力復(fù)核；大震下達(dá)到性能5（關(guān)鍵柱達(dá)到性能4）的要求，關(guān)鍵柱不屈服、個(gè)別構(gòu)件可以抗彎屈服，普通柱達(dá)到受剪截面控制條件，耗能構(gòu)件可部分破壞較嚴(yán)重[2][3]。

2.2 針對(duì)超限情況的設(shè)計(jì)措施

本項(xiàng)目同時(shí)存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，平面凹凸不規(guī)則，超長(zhǎng)懸挑，存在較多斜柱。針對(duì)上述超限，采用相應(yīng)的措施。

針對(duì)平面不規(guī)則的措施： 南北方向尺寸較長(zhǎng)、且平面開大洞，故對(duì)樓板進(jìn)行應(yīng)力分析，配筋予以加強(qiáng)。本工程南北超長(zhǎng)，東西方向大懸挑，增加樓板厚度，凹角位置邊梁加密箍筋，減少平面不規(guī)則處應(yīng)力集中。

針對(duì)斜柱的措施：本工程為減小上部懸挑尺寸，一～四層外圈柱采用斜柱，控制斜柱角度約為9°，斜柱采用空間斜桿建模，考慮P-Δ效應(yīng)。上部東西方向懸挑最大尺度達(dá)8.0m，懸挑梁選擇型鋼砼梁，柱沿懸挑方向加大尺寸以平衡彎矩，且后部增加型鋼砼梁相連。

針對(duì)大懸挑結(jié)構(gòu)的措施：本工程大懸挑可分為兩部分，北邊懸挑尺寸達(dá)到16.6m，其余外圈懸挑尺寸最大達(dá)8.0m。因懸挑尺寸過大，除水平雙向地震計(jì)算外，還計(jì)算豎向的地震作用，兩者作用同時(shí)考慮，并取前三跨補(bǔ)充分析超長(zhǎng)懸挑及懸挑根部構(gòu)件內(nèi)力情況，以及整體傾覆分析、抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)、舒適度分析、施工階段分析等，與懸挑部分相連樓板采用彈性板單元模擬。對(duì)于東西大懸挑部分結(jié)構(gòu)梁采用型鋼混凝土梁，控制大懸挑部位結(jié)構(gòu)的變形，對(duì)大懸挑部位及內(nèi)部一跨梁柱抗震等級(jí)提高一級(jí)。加強(qiáng)懸挑位置樓板配筋。北側(cè)懸挑部分選擇鋼桁架結(jié)構(gòu)，相連柱采用型鋼砼柱，相連一跨增加H型鋼斜撐，有效減輕懸挑結(jié)構(gòu)對(duì)內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力水平，結(jié)構(gòu)冗余度較高，樓板選擇壓型鋼板、輕質(zhì)混凝土組合樓板，減輕結(jié)構(gòu)重量。

針對(duì)局部不規(guī)則及連廊的措施：連廊擬采用箱形鋼梁，與塔樓間設(shè)橡膠支座，固定鉸支座設(shè)在本樓，橡膠支座設(shè)在A3樓上；計(jì)算時(shí)，除考慮豎向荷載及豎向地震作用外，還考慮連廊水平地震作用及風(fēng)荷載在支座端部的傳遞，控制大震下本塔樓的變形，盡量減小大震位移量。為提高斜柱性能，斜柱采用型鋼混凝土柱，且傾斜方向采用型鋼混凝土梁連接，有效的保證了斜柱在傾斜方向產(chǎn)生水平力的傳遞。傾斜柱按抗震等級(jí)提高一級(jí)設(shè)計(jì)，與鋼結(jié)構(gòu)連廊相連的柱按一級(jí)抗震等級(jí)設(shè)計(jì)，且砼柱內(nèi)置了型鋼。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

3.1 多遇地震下的振型分解反應(yīng)譜法分析

本工程在整體計(jì)算分析時(shí)，選用了YJK軟件及MIDAS BUilding軟件。據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)顯示，小震時(shí)各項(xiàng)結(jié)構(gòu)指標(biāo)均達(dá)到規(guī)范要求，同時(shí)兩種軟件計(jì)算分析基本吻合。扭轉(zhuǎn)Tt/T1周期比不超過0.85，前3個(gè)主振型的平扭、耦合作用不明顯，結(jié)構(gòu)的抗扭剛度是合適的；層間位移角不大于限值1/550，且富余度較多，結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度分布合理。各項(xiàng)設(shè)計(jì)控制抗震性能指標(biāo)均達(dá)到性能1的要求。

3.2 多遇地震下的彈性時(shí)程分析

按照《高規(guī)》4.3.5條，彈性時(shí)程分析采用符合Ⅱ類場(chǎng)地及設(shè)計(jì)地震分組的七組加速度時(shí)程曲線進(jìn)行計(jì)算，地震動(dòng)峰值采用安評(píng)報(bào)告中提供的參數(shù)值。據(jù)計(jì)算，各組地震波的持續(xù)時(shí)間均大于15s和基本周期的5倍，且各組時(shí)程曲線的平均地震影響系數(shù)在主要周期點(diǎn)上與場(chǎng)地譜相差小于20%，滿足在統(tǒng)計(jì)意義上相符的要求。

依據(jù)上述計(jì)算的結(jié)果，并與反應(yīng)譜數(shù)據(jù)比較，可得出:

由樓層剪力圖得出，部分樓層剪力數(shù)值比CQC法的大，在施工圖設(shè)計(jì)時(shí)，需根據(jù)時(shí)程分析的剪力放大、調(diào)整CQC法的樓層剪力，進(jìn)而調(diào)整相關(guān)的構(gòu)件內(nèi)力及配筋。

因此，彈性時(shí)程法的結(jié)果滿足相關(guān)規(guī)范規(guī)定。

3.3 設(shè)防烈度地震反應(yīng)分析

中震按《高規(guī)》第3.11節(jié)內(nèi)容進(jìn)行分析，采用不計(jì)入風(fēng)荷載效應(yīng)的地震作用效應(yīng)組合；中震彈性結(jié)構(gòu)阻尼比4%；中震不屈服結(jié)構(gòu)阻尼比5%。

中震計(jì)算結(jié)果表明僅有少量框架梁進(jìn)入屈服狀態(tài)，關(guān)鍵柱滿足性能設(shè)計(jì)要求；重要關(guān)鍵柱（北側(cè)長(zhǎng)懸挑部位）均彈性，該構(gòu)件施工圖中按小震、中震包絡(luò)設(shè)計(jì)；耗能構(gòu)件僅少部分出現(xiàn)屈服現(xiàn)象，且框梁抗剪均未出現(xiàn)屈服現(xiàn)象，施工圖按多遇地震設(shè)計(jì)。

經(jīng)計(jì)算，懸挑根部三排柱中震彈性下均出現(xiàn)拉力，本工程受拉位置柱均已采用型鋼砼柱，其抗震按特一級(jí)設(shè)計(jì)。

結(jié)論：對(duì)于中震下各項(xiàng)設(shè)計(jì)控制指標(biāo)，關(guān)鍵構(gòu)件可達(dá)到性能水準(zhǔn)3、其余達(dá)到性能水準(zhǔn)4的要求。

3.4 罕遇地震反應(yīng)分析

本報(bào)告采用YJK軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力彈塑性分析，彈塑性時(shí)程分析法采用3條輸入地震時(shí)程曲線，結(jié)構(gòu)彈塑性整體計(jì)算指標(biāo)評(píng)價(jià)：

動(dòng)力彈塑性分析完成后，最大結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移大約是0.233m，在考慮重力二階效應(yīng)、大變形之后，結(jié)構(gòu)最終仍能直立，達(dá)到“大震不倒”的目標(biāo)；最大結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角X 向?yàn)?1/127、 Y向?yàn)?1/276，均小于1/50的規(guī)范要求；框架柱在大震下局部輕微受拉損壞，余未損壞；大部分框梁處于輕微損壞狀態(tài)，余未損傷。大震時(shí)各控制指標(biāo)均達(dá)到性能水準(zhǔn)4的要求。

3.5 豎向地震

根據(jù)《高規(guī)》10.6.4條，本工程計(jì)算考慮豎向地震影響，增加豎向地震作用組合。

規(guī)范中雖未給出7度0.1g的豎向地震作用系數(shù)，但參考《高規(guī)》表4.3.15及相關(guān)文獻(xiàn)，豎向地震最小作用系數(shù)可按0.05取。本工程關(guān)鍵部位為長(zhǎng)懸挑部分，對(duì)該部分構(gòu)件中震彈性設(shè)計(jì)——每榀鋼桁架按雙向水平地震、豎向地震作用同時(shí)組合[2]。

3.6 抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)

根據(jù)《高規(guī)》第3.12條，安全等級(jí)為一級(jí)的高層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足抗連續(xù)倒塌概念設(shè)計(jì)要求；有特殊要求時(shí)，可采用拆除構(gòu)件方法進(jìn)行抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)。本工程安全等級(jí)雖為二級(jí)，但懸挑尺寸過大，因此，對(duì)北側(cè)大懸挑鋼桁架采取抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)。

根據(jù)抗連續(xù)倒塌概念設(shè)計(jì)原則，本工程采用鋼桁架設(shè)計(jì)大懸挑部分，因桁架側(cè)面仍有8.0m長(zhǎng)懸挑，故次梁與桁架梁間均采用剛接，結(jié)構(gòu)整體性強(qiáng)，且桁架具有承受一定的反向承載能力。根據(jù)拆除構(gòu)件法的規(guī)定，鋼桁架部分重要構(gòu)件選取7個(gè)位置，位置1～位置3位軸力相對(duì)較大位置，位置4、5為彎矩相對(duì)較大位置，位置6、7為剪力相對(duì)較大位置。因角部構(gòu)件拆除后內(nèi)力重分布卸載作用小，故均拆除角部構(gòu)件進(jìn)行分析。經(jīng)分析，拆除上述構(gòu)件后，懸挑部分仍未連續(xù)倒塌，達(dá)到抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)目的。

4 總結(jié)

綜上所述，充分利用概念方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到規(guī)范的有關(guān)規(guī)定。在設(shè)計(jì)中，設(shè)立了抗震性能化指標(biāo)，針對(duì)超限情況采取了多種設(shè)計(jì)措施，針對(duì)關(guān)鍵的構(gòu)件補(bǔ)充中震、罕遇地震下的驗(yàn)算，確保整體安全。故此，本工程除能達(dá)到豎向荷載、風(fēng)荷載作用下的有關(guān)指標(biāo)外，尚滿足“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)。