平面不規(guī)則超限高層建筑的抗震設(shè)計(jì)

李志強(qiáng)，王鐵龍，徐振文

(北京特種工程設(shè)計(jì)研究院，北京 100028)

隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，超限建筑工程在城市中的數(shù)量日益增多。因此，在設(shè)計(jì)這些超限建筑工程時(shí)，應(yīng)和規(guī)范定義的構(gòu)造措施和設(shè)計(jì)計(jì)算方法不同，根據(jù)實(shí)際情況，使用更加復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和構(gòu)造措施。這些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造會(huì)使得建筑的抗震性能變得更為重要[1-3]。例如，當(dāng)對(duì)樓板進(jìn)行開(kāi)洞來(lái)增強(qiáng)通風(fēng)和采光效果時(shí)，則可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)平面的不規(guī)則性。在地震發(fā)生時(shí)，慣性力作用于質(zhì)量中心會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力矩影響剛度中心，從而引起結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)的空間振動(dòng)。此外，大開(kāi)洞的樓板會(huì)導(dǎo)致各樓層水平剛度下降。因此，針對(duì)這類(lèi)平面不規(guī)則的高層建筑需要進(jìn)行彈塑性分析驗(yàn)證，并采取抗震加固措施，以確保其抗震安全性能。

1 工程概況

本工程建設(shè)地點(diǎn)位于北京市海淀區(qū)永豐產(chǎn)業(yè)基地，北側(cè)為豐潤(rùn)中路，東側(cè)為永豐路。總建筑面積69 922m2，其中地上建筑面積57 693m2，地下建筑面積12 229m2，建筑占地面積10 545m2。建筑主要功能為科研辦公樓，建筑物總長(zhǎng)168m，寬88m，平面呈“工”字形。地上部分由五個(gè)獨(dú)立的抗側(cè)力單元組成，地上七層，地下一層(另設(shè)有設(shè)備管道轉(zhuǎn)換夾層)，圖1為結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層平面圖。

圖1 建筑標(biāo)準(zhǔn)層平面圖

建筑物總高度39.90m，屬于《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中A級(jí)高度。建筑場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度為8度[3]，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.2g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地類(lèi)別為III類(lèi)，抗震設(shè)防類(lèi)別為重點(diǎn)設(shè)防類(lèi)(乙類(lèi))。基本風(fēng)壓其值為ω0=0.45kN/m2，地面粗糙度類(lèi)別為B類(lèi)。人防地下室抗力等級(jí)為核-六級(jí)(局部核-五級(jí))。

2 結(jié)構(gòu)方案

2.1 抗震縫問(wèn)題

由于結(jié)構(gòu)平面尺度較大且平面布置不規(guī)則，故將整個(gè)建筑物分為5個(gè)較規(guī)則的結(jié)構(gòu)抗側(cè)力單元，各結(jié)構(gòu)單元之間設(shè)防震縫。此外，為滿足建筑功能需要地下室不設(shè)防震縫，但在防震縫處加強(qiáng)了構(gòu)造和連接。如圖2所示，地下部分施工時(shí)每隔40m設(shè)800mm寬的抗收縮后澆帶，其中縱向2條，橫向3條，將地下室分成9個(gè)部分。

圖2 地下部分防震縫的加強(qiáng)構(gòu)造圖

2.2 超限情況總結(jié)

本工程為平面特別不規(guī)則、鋼筋混凝土加鋼樓面的框排架混合結(jié)構(gòu)，屬超限高層建筑工程。整體上二段布置有較大的中庭，結(jié)構(gòu)平面布置凹凸較大，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》第3.4.1條[4]發(fā)現(xiàn)二段存在以下超限情況。

1)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。樓層的最大彈性水平位移為該樓層兩端彈性水平位移平均值的1.4倍，超過(guò)了規(guī)范1.2倍的要求；2)凹凸不規(guī)則。結(jié)構(gòu)平面凹進(jìn)的一側(cè)尺寸，大于相應(yīng)投影方向總尺寸的30%；3)樓板局部不連續(xù)。開(kāi)洞面積大于該層樓面面積的30%。

2.3 結(jié)構(gòu)方案

見(jiàn)圖3所示，二段布置有較大中庭且結(jié)構(gòu)平面凹入較大，為提高結(jié)構(gòu)的抗扭剛度，在二段的四角設(shè)置了較厚的剪力墻筒體；結(jié)構(gòu)體系為現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架-剪力墻；結(jié)構(gòu)框架及剪力墻的抗震等級(jí)均為一級(jí)，剪力墻的底部加強(qiáng)部位為地下一層至地上二層，地下室抗震等級(jí)與上部結(jié)構(gòu)相同；大廳周邊樓板采用主、次梁+現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板體系；北側(cè)門(mén)廳上方各層采用鋼梁+壓型鋼板+現(xiàn)澆鋼筋混凝土組合樓板體系；中庭采光屋面采用雙向張弦索桁架。相應(yīng)的二段結(jié)構(gòu)整體計(jì)算模型見(jiàn)圖3。

圖3 二段結(jié)構(gòu)整體計(jì)算模型

3 結(jié)構(gòu)分析與計(jì)算

3.1 抗震設(shè)計(jì)措施

結(jié)合混凝土結(jié)構(gòu)以及建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范要求[4-5]，針對(duì)抗震縫和超限問(wèn)題，給出以下抗震設(shè)計(jì)措施：1)在不規(guī)則結(jié)構(gòu)平面處布置剪力墻位置，在二段四角設(shè)置剪力墻筒體；2)對(duì)中庭大跨度結(jié)構(gòu)構(gòu)件增加豎向地震作用為主的工況：豎向組合系數(shù)1.3，水平向組合系數(shù)0.5；3)針對(duì)凹凸不規(guī)則和樓板局部不連續(xù)問(wèn)題，計(jì)算模型中不考慮窄樓板剛度，將窄樓板部分板厚取為0，按荷載輸入；4)大廳南側(cè)開(kāi)口處筒體高寬比較大以及明顯扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，復(fù)核其底部加強(qiáng)部位的墻肢在中震下的拉力，型鋼全高設(shè)置；5)大廳南側(cè)開(kāi)口處筒體與主體僅有窄板相連，連接薄弱，建議取出獨(dú)立計(jì)算。對(duì)考慮部分彈性樓蓋的整體模型和獨(dú)立的局部模型的計(jì)算結(jié)果應(yīng)進(jìn)行比較分析，按合理的結(jié)果設(shè)計(jì)；6)在水平和豎向地震作用下，支承大廳張弦梁屋蓋的墻、柱的偏壓、偏拉承載力按中震不屈服復(fù)核，受剪承載力按中震彈性復(fù)核；張弦梁節(jié)點(diǎn)、支座以及邊桁架支座的承載力按中震彈性復(fù)核；7)提高重要墻、柱的抗震等級(jí)，將與屋面主桁架相連的墻、柱定為特一級(jí)，并在柱內(nèi)設(shè)置型鋼，并對(duì)該部分墻、柱進(jìn)行中震補(bǔ)充計(jì)算，保持中震下不屈服；8)防震縫寬度應(yīng)滿足在中震彈性計(jì)算下不發(fā)生碰撞的要求。

3.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算

3.2.1 結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

為了驗(yàn)證上述預(yù)防措施對(duì)整體抗震的影響，采用SATWE和PMSAP結(jié)構(gòu)分析軟件對(duì)整體結(jié)構(gòu)以及局部構(gòu)造進(jìn)行評(píng)估，在計(jì)算結(jié)構(gòu)各種參數(shù)指標(biāo)時(shí)需考慮5%的偶然偏心影響，還有配筋時(shí)也需考慮雙向水平地震的作用。具體設(shè)置參數(shù)如下：場(chǎng)地特征周期：0.45s；結(jié)構(gòu)阻尼比：4%(考慮鋼結(jié)構(gòu)部分對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響)，并用2%驗(yàn)算鋼結(jié)構(gòu)部分。

3.2.2 結(jié)構(gòu)整體模型小震計(jì)算結(jié)果

(1)周期及振型分析，如表1所示，結(jié)構(gòu)前3階振型分別為Y向和X向的平動(dòng)，周期值逐步較少，第2階周期為扭轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)系數(shù)分別為0.88和0.64。

表1 自由振動(dòng)基本參數(shù)表

如表2所示，結(jié)構(gòu)周期比分別為0.815、0.835，滿足規(guī)范不大于0.9的限值要求[5]，結(jié)構(gòu)具有較好的抗扭剛度。

表2 扭轉(zhuǎn)周期與平動(dòng)周期

(2)結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移，如圖4(a)所示，在規(guī)定風(fēng)荷載作用下，SATWE所計(jì)算出結(jié)構(gòu)X向和Y向的最大頂點(diǎn)位移分別為1.76mm和0.75mm，滿足規(guī)范對(duì)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的控制要求[5]，SAP也得出類(lèi)似結(jié)果。地震作用下結(jié)構(gòu)X向和Y向的頂點(diǎn)位移分別為25.74和17.43(圖4(b))，滿足規(guī)范對(duì)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的控制要求[5]。此外，類(lèi)似于風(fēng)荷載，SATWE的計(jì)算結(jié)果均大于PMSAP。

(3)結(jié)構(gòu)層間位移，如表3所示，PMSAP所計(jì)算出的結(jié)構(gòu)X向和結(jié)構(gòu)Y向最大層間位移角分別為 1/18 222、1/42 223，均位于第4層，2個(gè)方向均滿足規(guī)范的限值要求[5，7]。

(a)風(fēng)荷載 (b)地震作用

表3 風(fēng)荷載作用下層間位移

表4顯示在地震作用下最大層間位移比均在2層。此外結(jié)構(gòu)X向最大層間位移角為1/2 552、1/2 927，結(jié)構(gòu)Y向最大層間位移角為1/2 298、1/2 531，均位于第8層，2個(gè)方向均滿足規(guī)范的限值要求[5，7]，結(jié)構(gòu)2個(gè)方向的變形均呈彎曲型變形曲線，符合剪力墻結(jié)構(gòu)的受力特性。

表4 地震作用下層間位移

(4)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層層間側(cè)向剛度比，如圖5(a)所示，SATWE計(jì)算結(jié)果表明結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層側(cè)向剛度RJX和扭轉(zhuǎn)剛度RJY均不小于相鄰上部樓層側(cè)向剛度的70%或其上3層側(cè)向剛度平均值的80%，滿足規(guī)范要求。相似的分析結(jié)果也可見(jiàn)圖5(b)，其中Ratx，Raty為X，Y方向本層塔側(cè)移剛度與下一層相應(yīng)塔側(cè)移剛度的比值；Ratx1，Raty1為X，Y方向本層塔側(cè)移剛度與上一層相應(yīng)塔側(cè)移剛度70%的比值或上3層平均側(cè)移剛度80%的比值中之較小者。此外標(biāo)準(zhǔn)層間抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的受剪承載力不小于上一層要求的80%，滿足高規(guī)[5]要求。

(a)側(cè)向剛度RJX和扭轉(zhuǎn)剛度RJY (b)剛度比

3.2.3 剪力墻、型鋼混凝土柱中震分析

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]和《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專(zhuān)項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》[6]的規(guī)定，設(shè)置為中震(50年基準(zhǔn)期內(nèi)超越概率10%)Ⅲ類(lèi)場(chǎng)地，Tg=0.40，αmax=0.46。此外，在水平和豎向地震作用下，按中震不屈服對(duì)支承大廳張弦梁屋蓋的墻、柱的偏壓、偏拉承載力按中震不屈服復(fù)核，并且驗(yàn)算了剪力墻和型鋼混凝土柱，確定其滿足中震彈性的要求。如圖6所示，中震作用下超限結(jié)構(gòu)的X向地震最大層間位移角為1/419(8層)，小于抗震規(guī)范的1/400，說(shuō)明抗震剪力墻和型鋼混凝土柱均滿足中震正截面不屈服、抗剪彈性的要求。

圖6 中震下最大位移簡(jiǎn)圖

3.2.4 分離計(jì)算

為了驗(yàn)證第5條抗震設(shè)計(jì)措施，假定大廳南側(cè)開(kāi)口處筒體與北側(cè)樓板連接薄弱部位發(fā)生破壞，南側(cè)兩筒體與頂部屋面支撐鋼架成為獨(dú)立的抗震單元，在單元內(nèi)抗震墻能形成明確的、獨(dú)立的結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系，如圖7所示。在水平和豎向地震作用下，筒體剪力墻的偏心承載力按中震不屈服復(fù)核，采用建獨(dú)立的局部計(jì)算模型，作為該部分的配筋補(bǔ)充依據(jù)，滿足“大震不倒”的原則。

圖7 角部筒體局部計(jì)算模型

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)高層建筑高度超限和平面不規(guī)則的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，需附加綜合性的抗震加強(qiáng)措施。結(jié)合本工程結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果得出如下結(jié)論：1)合理布置剪力墻以收斂結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)來(lái)解決平面扭轉(zhuǎn)不規(guī)則問(wèn)題；2)采用不同計(jì)算模型對(duì)結(jié)構(gòu)整體以及重要部位的局部進(jìn)行驗(yàn)算，結(jié)果表明抗震設(shè)計(jì)方案能保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠涵蓋結(jié)構(gòu)的實(shí)際各種可能受力狀態(tài)；3)采取結(jié)構(gòu)措施加強(qiáng)接薄弱部位，在連接部位發(fā)生破壞時(shí)建議分別按獨(dú)立的抗震單元進(jìn)行分塊計(jì)算可確保結(jié)構(gòu)大震安全；4)對(duì)受力復(fù)雜、扭轉(zhuǎn)效應(yīng)大的角部及連接重要的柱，建議設(shè)防烈度提高一度。