超限高層建筑結構設計分析*

王 輝

(山西省建筑設計研究院有限公司 太原 030013)

1 超限高層建筑結構設計概述

所謂超限高層建筑工程,一般是指超過結構規范限制要求的建筑工程。而根據超限高層建筑審查的相關規定,可對超限高層建筑進行分類,一般可按照高度、規則性以及其他進行歸類。

(1)高度超限,是指建筑工程的實際建設高度超過規范允許的該類型建筑的最大適用高度,且當建筑工程的平面與豎向均為不規則時,則最大適用高度應按照規定要求降低10%左右。

(2)規則性超限,則是指建筑工程的整體結構布置與一般建筑工程結構之間呈現出一定的差異性,如結構扭轉偏大、層剛度較小、塔樓偏置等平面不規則和豎向不規則,如典型的中央電視臺總部大樓,以6°傾斜高度的塔樓,利用L 型懸臂結構連接,形成了獨特的規則性超限高層建筑工程。

(3)其他類型的超限建筑工程,則是指特殊類型高層建筑、大跨屋蓋建筑、加層結構及其他超規范建筑。

2 超限高層建筑結構設計實踐

2.1 工程案例

為更好的探究超限高層建筑結構的設計全過程,本文結合某超限高層建筑工程對該工程的超限進行判定對其性能目標進行分析研究。該建筑工程建筑功能為為辦公與商業,整體建筑地上32層,其中地上1～4層為商場,地下2層為停車場。結合該建筑工程的實際情況,為做好超限高層建筑的結構設計,在該建筑的5、16、23層設避難層,其他所有樓層則為標準辦公樓層。該建筑高度為156.23 m,并在地上第4層設置轉換層。結構形式:框支-剪力墻混凝土結構;平面為H 型;結構高寬比:5.82;設計工作年限:50年;抗震設防類別:乙類;結構安全等級:二級;抗震設防烈度:6度(0.50 g)。

2.2 超限情況與設計目標

對其超限情況加以判定,并確定其抗震性能目標。

該建筑工程項目按照JGJ 3-2010高層建筑混凝土結構技術規程中判定,存在以下幾點超限。

(1)B級框支剪力墻結構建筑工程最大適用高度為140 m,該建筑高度為156.23 m,高度超限。

(2)本項目1～4商業層結構位移比為1.35,大于1.2,存在扭轉不規則。

(3)本項目1～4層商業樓層結構均存在大開洞,開洞面積大于該層樓層面積的30%,存在樓板局部不連續。

(4)本項目第4層設置水平轉換梁對上部剪力墻加以轉換,存在豎向抗側構件不連續[2]。由上可知,本項目存在①高度超限;②扭轉不規則;③樓板局部不連續;④豎向抗側構件不連續四項超限內容,故本項目屬于超限高層建筑。結合抗震設防烈度、設防類別、施工成本以及安全要求等影響因素,確定本項目抗震性能目標為C級。

2.3 基礎設計

根據結構形式及樓層高度,通過對施工現場的勘察并結合工程勘察數據,確定主樓基礎形式采用樁基礎,以強風化板巖作為結構持力層。通過對樁基礎端的強風化板巖結構持力層承載力進行計算,對無法滿足承載力要求的樁,選擇中風化板巖作為樁端持力層。

根據主樓使用要求,其下部商業部分層高為5.4 m,要求大使用空間,需采用框架結構;建筑上部根據使用功能需采用剪力墻結構;因而本項目在第4層設置轉換層,考慮豎向構件傳力要求,選擇框架梁式轉換層的方式。如圖1與圖2所示為本項目轉換層以及標準層平面布置圖。對1～4層轉換構件及下部相連構件提高抗震措施,抗震等級均采用特一級設計。

圖1 轉換層平面布置圖

圖2 標準層平面布置圖

主樓1～4層剪力墻厚度為500 mm、600 mm,且該部分中的剪力墻混凝土強度等級均提高至C60;主樓5～29 層中的剪力墻厚度設計為500 mm、400 mm,主樓30～頂層剪力墻厚度為200 mm 厚度,混凝土強度等級為C60～C35[3]。

2.4 結構抗震性能分析

根據一般建筑工程的抗震設防分類標準,在建筑結構中常用人數超過8 000時,應當將該建筑設定為重點設防類。商業建筑的防震類別設計按照區段中最高人流量5 000人加以計算,則換算為面積約等于17 000 m2左右;辦公建筑按照10 m2/人的標準對防震面積進行計算。考慮到本文中所選擇的建筑工程其屬于辦公與商業綜合性的建筑,總建筑面積為67 680 m2,分別按照上述標準計算,經過詳細計算合計允許使用人數超過8 000人。因此本工程抗震設防分類為重點設防類(乙類)。

2.4.1 小震反應譜分析

結合本項目的抗震設防分類,對該工程抗震性能進行分析。使用YJK 對主體結構進行小震等效彈性分析,并進行小震彈性時程分析,對主體結構進行補充計算。時程分析取18 cm/s2的地震波加速峰值進行計算,同時對X 向以及Y 向進行雙向加載,采用一組人工地震波和兩組天然地震波的方式進行計算。

計算結果顯示,所有時程曲線所得的基底剪力均不小于振型分解反應下地震剪力的65%,且從時程分析曲線可得出,時程分析下部分樓層的層剪力大于振型分解反應普法下的層剪力,因而在設計配筋時,應根據時程分析結果,對主樓的地震作用乘以相應的放大系數進行放大。

2.4.2 中、大震等效彈性分析

根據超限高層建筑工程抗震設防要求及構件的性能目標要求,對主樓進行中震不屈服、中震彈性下及大震不屈服下的等效彈性分析。中震作用下X 向和Y 向位移角分別為1/718和1/750,均不超過最大1/500的限值。對主樓中的轉換梁、剪力墻以及框支柱結構等分別進行中震彈性、中震不屈服及大震不屈服下的構件抗震性能驗算。

2.4.3 大震彈塑性時程分析

對此工程進行罕遇地震作用下的彈塑性時程分析,通過結構在罕遇地震作用下的彈塑性行為,根據主要構件的塑性損傷和整體變形情況,確定結構滿足“大震不倒”的設防水準要求。彈塑性分析軟件采用由北京市建筑設計研究院自主研發的非線性結構分析軟件Paco-SAP,采用精細有限元模型對結構進行非線性分析。時程分析取125 cm/s2的地震波加速峰值進行計算,同時對X 向以及Y 向進行雙向加載,采用了一組人工地震波和兩組天然地震波的方式進行計算。計算結果顯示,每個工況下都能順利完成整個時間歷程的動力彈塑性計算,數值收斂性良好。地震波計算完成后結構依然處于穩定狀態,滿足預設的抗震設防目標。結構X 方向及Y 方向的層間位移角均滿足鋼筋混凝土框架-剪力墻層間位移角1/100 的規范要求。剪力墻及框架柱大部分處于輕微～輕度破壞,局部墻肢處于中度破壞以內,框架梁部分處于輕微～輕度破壞,部分處于中度～重度破壞,起到耗能作用,整體性能指標良好。

2.5 超限結構優化設計舉措

針對本項目①高度超限;②扭轉不規則;③樓板局部不連續;④豎向抗側構件不連續四項超限內容。采取以下幾方面措施。

2.5.1 剪力墻結構設計

考慮到剪力墻結構的承載力要求,則在結構設計中,對底部加強區墻體結構進行加強,確保受到重力荷載作用時,剪力墻結構也能夠始終保持小于0.45的軸壓比。同時在剪力墻豎向以及水平方向的鋼筋率提到0.45%,滿足較高的配筋率需求,確保剪力墻結構具有較強的承載力并適當增強延性[4]。根據彈塑性時程分析結果,對剪力墻進行了損傷分析,根據分析結果,在損傷底部加強較大部位設置型鋼。

2.5.2 框支框架結構設計

考慮到主樓采用框支框架結構,在設計過程中,充分考慮地震作用影響下的安全需求,框支柱的軸壓比按0.55控制。同時通過增設芯柱的方式促使框支柱結構具有更加良好的承載能力。

2.5.3 高位轉換結構設計

由于本建筑工程第4層為轉換層,為轉換結構,該類型的轉換結構具有一定的復雜性,為保障轉換結構具有良好的安全性與穩定性表現,在設計過程中對轉換層結構采取加強措施。

(1)當在保障符合該超限高層建筑工程使用功能并控制在工程預算范圍內的基礎上,通過加大梁柱截面積的方式,促使框支剪力墻具有更高的抗側剛度,從而促使框架結構能夠分擔較大剪力。

(2)在0.3V0以及1.5Vf·max二者中取較大值作為框支柱設計剪力,對框支柱進行設計。

(3)復核轉換梁在小震彈性、中震彈性以及大震不屈服地震作用下等,在不考慮建筑墻體形成共同作用的基礎上,對組合效應加以計算,并取其包絡值,確保轉換梁的承載力。

2.5.4 其他加強措施

(1)為解決結構薄弱問題,通過增加樓板厚度的方式,通過樓板分析計算,板厚取150 mm,并按0.45%的配筋率對樓板進行雙層雙向配筋設計。

(2)轉換層樓板厚取200 mm,并按0.30%以上的配筋率對樓板進行雙層雙向配筋設計,從而是轉換層樓板能夠有效的傳遞水平力。

(3)其余樓層中的樓板厚度均不低于150 mm。

筆者結合某建筑工程實際案例,在設計中采用概念設計和抗震性能化設計方法,根據抗震原則及建筑特點,采用多種計算程序進行了小震彈性、中、大震等效彈性和大震彈塑性的計算,對結構的體系和構件布置進行了詳細分析,針對結構中的薄弱環節進行針對性加強,保證整體結構的可靠性、合理性和安全性。