某2號綜合樓結構抗震超限分析

鄒麗利

(上海綠地建設設計研究院有限公司,上海 200000)

隨著城市的建設與發展,建筑設計風格的多樣化復雜化為城市帶來了更加豐富和多樣化的生活體驗,也為城市營造出了更加宜人的居住環境。建筑的復雜化往往導致結構布置的不規則,使得高層建筑的結構設計和建造面臨著更多的挑戰,特別是對于超限高層的建筑。2號綜合樓因其特定的建筑功能需求,其樓層設計具有一些獨特的特征。例如,為了提供更大的空間,二層多功能廳未設置框架柱,且在相應三層樓板上設置大開洞;四層樓面處設置轉換框架,以滿足特定的結構需求;此外,結構豎向有兩次體型收進。結構不規則項較多,被歸類為超限高層建筑,這類建筑的設計和建造需要特別注重抗震性能,以確保在可能發生的地震中保持穩定和安全。

本文將深入探討超限高層建筑2號綜合樓的抗震超限設計和分析過程,從整體結構小震彈性分析到設防地震和罕遇地震時關鍵構件的各項驗算。希望通過本研究為其他類似的建筑設計和分析提供有價值的參考。

1 工程概況

本工程位于南昌市西湖區,水廠路以南、江南大道以東,地上建筑由1號辦公樓和2號綜合樓及地下車庫組成,2號綜合樓建筑面積為23 855.39 m2,共12層,建筑高度55.4 m。一層為沿街辦公配套用房、多功能廳門廳等,層高6 m;2層—3層北側為通高多功能廳及多功能廳前廳,南側為配套餐飲,層高5.5 m;4層為健身俱樂部,南側部分設置游泳池,層高4.5 m;5層—12層為服務型公寓,層高4.2 m。項目建筑效果圖見圖1,主體結構三維模型圖見圖2。

2 結構體系

2號綜合樓地上結構豎向有兩次體型收進分別在第4層(標高16.450 m處)及第10層(標高57.750 m處)。設3層地下室。根據建筑平面布置,結合建模計算分析對比,2號綜合樓采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結構體系,剪力墻主要分布在樓電梯間部位,大部分貫通建筑物全高,墻中洞口上下對齊,且使各主軸方向的側向剛度接近,作為整體結構抵抗水平力的第一道防線。框架采用鋼筋混凝土框架,組成結構第二道防線。在建筑二層平面處,由于多功能廳內部不允許設置豎向構件,該處跨度為23.2 m,為達到建筑功能需求,在四層樓面處設置轉換框架。由于該處轉換跨度較大,結合建筑凈高要求,設計中采用型鋼混凝土梁、柱,既改善轉換架的抗震性能,避免其出現脆性破壞,又減小截面,增加有效的使用面積[1]。

3 超限情況分析

2號綜合樓所屬地區的抗震設防烈度為6度,抗震設防類別為丙類,建筑高度(建筑高度為55.400 m)未超過規范規定的150 m(A級高度)高度限值。不規則性情況匯總如表1所示[2]。

表1 不規則性情況匯總

4 抗震超限設計的計算及分析

4.1 抗震性能目標

基于本工程的重要性和不規則項較多的復雜性等特點,結合抗震評審專家的意見,整體結構抗震設防性能目標采用《高層建筑混凝土結構規程》規定的“性能目標C”與“性能目標D”之間,具體內容詳見表2[3]。

表2 主要結構構件抗震性能目標分析

4.2 小震下結構主要計算結果對比

整體計算主要計算結果見表3。

表3 整體計算主要計算結果

由表3可以看出,多遇地震作用下MIDAS和YJK的整體計算的結果基本一致,計算結果表明,結構的主振型以平動為主,層間位移角、周期比、剪重比等滿足規范的限值要求[4]。最大位移比大于1.2小于1.4,判斷為扭轉不規則;受剪承載力不滿足,判斷為承載力突變。

4.3 彈性時程分析

根據該結構的復雜程度結合規范要求,對其進行整體結構彈性時程分析法的補充計算。按設計地震分組和場地類別選取2組人工模擬曲線和5組實際強震記錄曲線[5]。根據地震剪力、特征周期、有效時長等要素所選7條波的加速度曲線與地震影響系數曲線吻合程度較好,也能夠滿足底部剪力的相關要求。其計算結果如表4所示。規范譜與反應譜對比圖見圖3。

表4 時程與CQC法結果比對

5 幾個關鍵構件的設計分析

5.1 轉換框架

轉換框架設置在四層樓面,跨度為21 m,上部有8層酒店,為達到性能目標,保證中震彈性,轉換框架采用型鋼混凝土比較合理。通過計算分析,轉換框架柱、梁能滿足中震抗剪、抗彎彈性的要求以及大震抗剪、抗彎均不屈服的要求。大震下轉換框架柱墻滿足抗剪截面限制條件。

對轉換框架進行設防地震的彈性下的應力分析,建立轉換框架的實體模型,采用YJK程序中有限元分析。分析結果表明,轉換框架柱、轉換框架梁恒載和活載的疊加最大壓應力分別為22.6 N/mm2,12.4 N/mm2,均不大于其混凝土抗壓強度標準值35.5 N/mm2,20.1 N/mm2,不會出現受壓區混凝土壓碎的脆性破壞。轉換梁最大位移為45 mm,滿足規范要求。轉換框架包絡變形圖見圖4,轉換框架部分應力圖見圖5。

5.2 越層柱的穩定分析

2層—4層存在跨兩層的通高越層柱(Y向通高),總共5根,長度11 m;為保證結構的安全,對該柱施加集中力1 000 kN,此工況下對越層柱位進行穩定性分析,需借助屈曲分析確定其計算長度。此處選取比較典型的兩個邊柱作分析。越層柱示意圖見圖6。

采用歐拉公式推算越層柱計算長度系數。根據歐拉公式提供的條件,可以在確定越層柱的臨界承載力Pcr的基礎上,從而反推出越層柱的計算長度Lo[6]。

歐拉承載力公式:

計算長度公式:

根據以上計算公式可知,求解越層的計算長度,主要問題是如何得到構件的臨界屈曲荷載,而臨界屈曲荷載主要借助線性屈曲分析,采用YJK程序進行線性屈曲分析,越層柱臨界屈曲荷載等于初始工況內力與屈曲因子相乘。選取集中力1 000 kN這種工況作為屈曲分析每步加載值對整體結構進行線性屈曲分析。

越層柱1在結構第1階出現屈曲,屈曲因子為4 224;越層柱2在結構第1階出現屈曲,屈曲因子為4 633,屈曲模態如圖7所示。選取越層柱的第一次屈曲荷載作為驗算計算長度系數的臨界荷載,計算長度系數推導如表5所示。

表5 穿越柱計算長度系數

可以看出越層柱的計算長度系數小于YJK程序計算時采用的計算長度系數1.00,由該計算結果可知,越層柱屈曲驗算可靠。

5.3 轉換層、三層大開洞樓板應力分析

采用YJK程序,在模型中將這兩層樓板定義為“彈性膜”對樓板分別進行小震、中震下主拉、壓及剪應力分析,目的為保證樓板能有效傳遞地震水平力[7]。由于該單體結構長度達到126 m,屬于超長結構,溫度應力的作用不可忽略,故在模型中根據當地的氣溫情況考慮溫度應力作用(最高升溫15 ℃,最低降溫25 ℃),并與其他配筋計算結果疊加設計;后澆帶的封閉溫度在施工圖中規定為自然條件下環境溫度20 ℃。小震和中震水平地震作用的地震影響系數最大值αmax分別為0.075和0.215(見圖8—圖10)。

計算結果表明:小震時第三、四層樓面樓板的最大主拉應力分別為0.73 N/mm2,1.38 N/mm2,均小于C30混凝土抗拉強度設計值1.43 N/mm2,表明小震下樓板不會開裂,溫度工況下產生的板中拉應力由樓板配筋承受;中震時第三、四層樓面樓板的最大主壓應力分別為0.74 N/mm2,0.99 N/mm2,溫升工況產生的最大主壓應力分別為5.25 N/mm2,4.32 N/mm2,二者之和分別為5.99 N/mm2,5.31 N/mm2,未超過混凝土抗壓強度設計值14.3 N/mm2,表明中震和溫度應力共同作用下不會出現混凝土壓碎;中震時第三、四層樓面樓板的最大剪應力分別為0.48 N/mm2,0.73 N/mm2,均小于樓板混凝土材料的抗拉強度設計值1.43 N/mm2,表明中震下不會出現樓板混凝土剪壞等現象。

中震時第三、四層樓面樓板的最大主拉應力分別為0.56 N/mm2,1.24 N/mm2,降溫工況下最大拉應力分別為9.63 N/mm2,8.91 N/mm2,二者之和分別為10.19 N/mm2,10.15 N/mm2,樓板施工圖設計時需按該值控制樓板內配筋量,使其小于按實際鋼筋面積算得的鋼筋抗拉強度標準值,并雙層雙向配筋。

6 大震下的彈塑性時程分析

振型分解法計算表明,結構兩個主軸方向的地震反應主要由第一振型控制。本次采用SAUSAGE程序進行了大震下的彈塑性時程分析。根據建筑場地類別和設計地震分組選用1組人工波和2組天然波。所選3條時程波的加速度曲線與地震影響系數曲線吻合度比較好,均滿足規范的選波要求[8]。建筑場地類別:Ⅱ類,設計特征周期:0.40 s,結構的阻尼比:0.05,罕遇地震水平地震影響系數最大值0.38。位移及位移角詳見表6。三條波包絡框架梁性能指標見圖11,三條波包絡框架柱性能指標見圖12。

表6 地震動作用下的位移及位移角

由大震下的彈塑性時程分析的結果可得出,結構的最大頂點位移為114 mm;結構的最大層間位移角為1/142,小于1/100,可以滿足規范相應要求。在罕遇地震作用下,結構能夠保持直立,能夠滿足“大震不倒”的抗震設防目標;結構在罕遇地震作用下非彈性耗能水平處于輕微狀態,轉換梁、轉換柱基本處于彈性狀態;剪力墻進入非線性狀態,所有剪力墻均控制在極限應變內;少部分框架梁進入屈服狀態。

7 針對超限項采取的加強措施

根據該樓結構布置特點結合計算結果分析,對該樓采取以下構造加強措施:

1)體型收進部位對應的相鄰上下各兩層剪力墻設置約束邊緣構件,剪力墻抗震等級由三級提高至二級,約束邊緣構件的箍筋采用全高加密、縱筋配筋率相對計算值提高20%;體型收進頂板對應的主樓周邊相鄰上下各兩層框架柱的抗震等級由四級提高至三級、箍筋全高加密;體型收進處樓面板厚度加厚至150 mm,并在計算中考慮溫度應力的影響,采用雙層雙向配筋且配筋率均不小于0.25%[9]。

2)四層大跨度轉換框架,采用鋼骨混凝土框架,并將轉換框架梁柱的抗震等級提高至特一級,以提高其承載力和延性,減小框架梁的撓度,在中震下抗彎抗剪均按彈性設計;對該轉換層樓板加厚至180 mm,采用YJK進行小震、中震并考慮溫度應力的樓板有限元分析,施工圖設計時采用該分析結果進行配筋,并采用雙層雙向配筋且配筋率均不小于0.40%。

3)越層柱的抗震等級提高至特一級,箍筋體積配箍率不低于1.5%,采用復合箍筋通高加密,越層柱縱筋配筋率相對于計算值提高20%,保證其具備良好的延性。

4)三層樓板中部存在大開洞,計算分析得出該層為薄弱層,該層樓板厚度均加厚至150 mm,采用YJK進行小震、中震并考慮溫度應力的樓板有限元分析,施工圖設計時采用該分析結果進行配筋,并采用雙層雙向配筋且配筋率均不小于0.25%[10]。

5)嚴格控制剪力墻框架柱軸壓比、剪壓比,剪力墻外墻軸壓比控制在0.60以下,以提高主要抗側力構件的延性;對一層在設防地震中出現小偏心受拉的剪力墻,將其抗震等級提高至特一級;對個別名義拉應力標準值大于混凝土抗拉強度標準值的剪力墻,采取墻內增設型鋼,以抵抗該墻肢的全部拉應力,同時也提高了該小偏心剪力墻的延性[11]。

6)適當加強外圈框架梁截面及配筋,以提高結構的整體抗扭剛度。

7)裙房部分的長度達到126 m,屬于超長結構,設計時全樓根據當地的氣溫情況考慮溫度應力的作用,后澆帶的封閉溫度在施工圖中規定為自然條件下環境溫度20 ℃左右,加強結構構件的配筋,并采取相關的措施以防止裂縫超過規范的限值,比如在結構受力較小處間距35 m～40 m設置后澆帶、優化混凝土材料配比、現場加強混凝土養護等措施[12]。

8 抗震設計結論

2號綜合樓存在多項不規則,結構布置比較復雜,通過結構建模計算分析及補充計算可以證明,結構構件在多遇地震下處于完全彈性階段。根據實際條件設置性能目標,補充了關鍵構件在設防地震以及罕遇地震的各項驗算,計算結果均表明,結構各項指標都表現良好,能夠符合規范的有關要求,可以有效地控制結構的不規則程度。與此同時,通過概念設計和各階段計算程序分析結果,有針對性地對關鍵和重要構件進行了適當加強,并在構造措施方面也進行了相應處理。使得該結構抗震設計能夠達到預期的性能目標,保證了該結構在規定的地震作用下的安全可靠性。