□文/張鳳華
某復(fù)雜結(jié)構(gòu)超限高層建筑分析與設(shè)計(jì)
□文/張鳳華
天津市北辰區(qū)盛景酒店地下1層,地上7層,采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系;是具有扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、凹凸不規(guī)則、樓板局部不連續(xù)及側(cè)向剛度不規(guī)則等項(xiàng)的超限高層建筑。工程采用3種軟件進(jìn)行小震下反應(yīng)譜分析。計(jì)算結(jié)果表明,結(jié)構(gòu)的周期比、剪重比、層間位移角等均滿足規(guī)范要求。在反應(yīng)譜分析的基礎(chǔ)上,采用PK PM軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了彈性時(shí)程反應(yīng)分析,結(jié)果顯示,彈性時(shí)程分析結(jié)果的平均值基本都小于反應(yīng)譜分析的結(jié)果。在小震分析的基礎(chǔ)上,選取了幾個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行了中震不屈服校核,結(jié)果顯示,構(gòu)件能夠滿足中震不屈服的性能目標(biāo);同時(shí)采用PU SH程序?qū)ζ溥M(jìn)行大震下的靜力彈塑性分析。
超限;高層建筑;復(fù)雜結(jié)構(gòu)
天津市北辰區(qū)盛景酒店總建筑面積約為9.0萬(wàn)m2。地下1層,地上7層;地下室層高5.4m,首層層高6.0m,2層層高7.2m,3~7層層高均為4.2m(局部中間塔樓7層層高為6.0m),室內(nèi)外高差為1.45m,建筑物總高為37.40m。地下建筑使用功能主要為車(chē)庫(kù)及設(shè)備、后勤、娛樂(lè)活動(dòng)部分;1~2層主要為各種商務(wù)宴會(huì)廳及餐廳部分;3層以上為酒店客房部分。
2.1風(fēng)荷載
天津地區(qū)基本風(fēng)壓為0.5 kN/m2(50 a一遇),場(chǎng)地粗糙度為B類(lèi),體型系數(shù)取1.4,本工程風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)位移按50a一遇風(fēng)荷載進(jìn)行設(shè)計(jì)。
2.2地震作用
工程位于天津市北辰區(qū),設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.15g,抗震設(shè)防烈度為7度,設(shè)防地震分組為第二組,特征周期Tg為0.55 s;場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅲ類(lèi),阻尼比取0.05。水平地震影響系數(shù)最大值amax按表1選用。
表1 水平地震影響系數(shù)最大值
3.1結(jié)構(gòu)體系
工程建筑體型大致情況:1~4層整體為大底盤(pán),5層以上分為3個(gè)塔樓(中間部分為塔1,左側(cè)為塔2,右側(cè)為塔3)。大底盤(pán)部分不設(shè)置結(jié)構(gòu)縫,保證建筑的外立面效果。結(jié)合建筑平立面的方案要求及結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)規(guī)范要求,綜合多方面因素,采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系,剪力墻主要布置在建筑的樓梯間、電梯間及建筑物的周邊。樓面體系采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土主次梁樓蓋,局部樓板開(kāi)洞??蚣苤W(wǎng)尺寸主要為7.2m×7.2m。大底盤(pán)結(jié)構(gòu)平面和上部3個(gè)塔樓的平面布置見(jiàn)圖2和圖3。
圖2 大底盤(pán)結(jié)構(gòu)平面布置
圖3 分塔結(jié)構(gòu)平面布置
3.2主要構(gòu)件截面
大底盤(pán)局部31m跨宴會(huì)廳為提高結(jié)構(gòu)的剛度和延性,有效控制柱截面尺寸,采用型鋼混凝土框架柱,柱截面為1000mm×1400mm;其余大部分柱截面2層以下為900mm×900mm,2層以上柱截面為800mm×800mm;墻混凝土強(qiáng)度等級(jí)從下到上由C45變化到C35,框架柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)從下到上由C40變化到C35;縱筋鋼筋采用H RB500級(jí)鋼筋[2]。宴會(huì)廳屋頂采用鋼-混凝土組合梁;2層中廳花園屋蓋跨度分別為21.6m×21.6m及21.6m×27.9m,采用現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土空心樓蓋;其余部分樓板采用鋼筋混凝土現(xiàn)澆樓板,板厚普遍為120mm,個(gè)別部位由于荷載較大或跨度較大等因素適當(dāng)加大。
4.1超限情況
設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50 a,結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí),抗震設(shè)防類(lèi)別為丙類(lèi)。經(jīng)過(guò)初步計(jì)算和結(jié)構(gòu)桿件布置后,設(shè)計(jì)中主要存在以下特點(diǎn)及難點(diǎn):
1)考慮偶然偏心時(shí),3層X(jué)向最大層間扭轉(zhuǎn)位移比1.24,大于扭轉(zhuǎn)位移比1.2;
2)3層和4層局部凸出長(zhǎng)度為相應(yīng)邊長(zhǎng)的36%,凹凸尺寸大于相應(yīng)邊長(zhǎng)30%;
3)有效寬度<50%,開(kāi)洞面積>30%;
4)3層豎向構(gòu)件收進(jìn)>25%;
5)1~3層存在穿層柱、7層頂塔樓局部構(gòu)件轉(zhuǎn)換。
綜合以上幾點(diǎn),根據(jù)GB50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》,主要存在以下不規(guī)則項(xiàng)目:扭轉(zhuǎn)不規(guī)則,凹凸不規(guī)則,樓板局部不連續(xù)及側(cè)向剛度不規(guī)則,屬特別不規(guī)則建筑。根據(jù)國(guó)家《超限高層建筑工程抗震設(shè)防管理規(guī)定》(建設(shè)部令第111號(hào))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)》的相關(guān)規(guī)定,本工程屬超限高層建筑。
4.2技術(shù)措施
由于結(jié)構(gòu)不規(guī)則項(xiàng)較多,鑒于工程的重要性及復(fù)雜性,應(yīng)比一般結(jié)構(gòu)有更高的延性要求,因此結(jié)合工程特點(diǎn)及計(jì)算結(jié)果判斷薄弱部位,進(jìn)行適當(dāng)加強(qiáng),主要有以下幾條措施:
1)適當(dāng)加強(qiáng)1層和2層剪力墻厚度,提高墻體豎向分布筋的配筋率至0.5%,降低框架柱的軸壓比,使其具有較好的延性;
2)針對(duì)樓板不連續(xù)的情況,對(duì)每層樓板均加厚并雙層雙向配筋(也是針對(duì)結(jié)構(gòu)超長(zhǎng)的一個(gè)措施),同時(shí)結(jié)構(gòu)計(jì)算采用帶有彈性連接板帶,樓板分塊平面內(nèi)剛度無(wú)窮大假定的力學(xué)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,以準(zhǔn)確分析樓板削弱處周?chē)鷺?gòu)件內(nèi)力,確保洞口周邊構(gòu)件設(shè)計(jì)安全,分析地震力作用下樓板應(yīng)力并按應(yīng)力情況對(duì)樓板配筋進(jìn)行調(diào)整,保證地震作用下樓板可以有效的傳遞水平力;
3)通過(guò)程序分析計(jì)算,對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件和薄弱部位構(gòu)件的設(shè)計(jì)適當(dāng)提高延性標(biāo)準(zhǔn),采取性能化設(shè)計(jì),以適應(yīng)結(jié)構(gòu)的抗震要求;
4)對(duì)塔樓局部轉(zhuǎn)換梁進(jìn)行細(xì)致的應(yīng)力分析并適當(dāng)加強(qiáng)轉(zhuǎn)換梁的配筋。
4.3抗震設(shè)計(jì)預(yù)計(jì)性能目標(biāo)
依據(jù)“小震不壞、中震可修、大震不倒”的設(shè)防水準(zhǔn),為控制結(jié)構(gòu)在不同的地震設(shè)防水準(zhǔn)下的破壞程度,設(shè)計(jì)時(shí)采用了基于性能設(shè)計(jì)的抗震設(shè)計(jì)方法[3],對(duì)結(jié)構(gòu)不同部位關(guān)鍵構(gòu)件制定相應(yīng)的性能目標(biāo),采取性能化設(shè)計(jì)。關(guān)鍵構(gòu)件抗震設(shè)計(jì)的預(yù)期性能目標(biāo)見(jiàn)表2。
表2 抗震性能目標(biāo)
關(guān)鍵構(gòu)件包括:
1)15軸和22軸分別與D、E、G軸相交的1500mm×1200mm框架柱;
2)M軸和S軸分別與10、12、13、14、15、17軸相交的1200mm×1200mm型鋼混凝土框架柱;
3)3軸和4軸分別與L軸、K軸相交的穿層框架柱;
4)2層屋面花園下大跨下混凝土框架柱;
5)F軸上和13、14軸相交的3層框架柱;
6)1層和2層底部加強(qiáng)部位的剪力墻。
本工程在設(shè)計(jì)時(shí)主要進(jìn)行了以下分析:
1)采用SATW E、PM SAP及YJ K3種程序?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行豎向荷載、風(fēng)荷載、多遇地震下的彈性分析,包括彈性時(shí)程分析并比較計(jì)算結(jié)果;
2)采用PUSH&EPDA進(jìn)行靜力彈塑性分析,分析主要構(gòu)件不同設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)地震作用下的彈塑性性能,在罕遇地震下的彈性變形;
3)對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件和薄弱部位構(gòu)件的設(shè)計(jì)適當(dāng)提高延性標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)抗震性能目標(biāo)對(duì)其進(jìn)行了中震作用下的復(fù)核設(shè)計(jì)。
5.1小震彈性分析
由于本工程體型復(fù)雜,存在超限情況,計(jì)算時(shí)采用SATW E、PM SAP及YJ K3種程序?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行豎向荷載、風(fēng)荷載、多遇地震下的彈性階段對(duì)比分析。計(jì)算中考慮偶然偏心、雙向地震作用,模擬結(jié)構(gòu)的施工順序;對(duì)結(jié)構(gòu)樓層中有大開(kāi)洞的樓板按彈性板建??紤]樓板平面內(nèi)的變形。多遇地震下,3種軟件計(jì)算的結(jié)果見(jiàn)表3。
表3 SATWE軟件、PMSAP軟件、YJK軟件計(jì)算結(jié)果對(duì)比
續(xù)表3
從表3可以看出:3種軟件計(jì)算的動(dòng)力特征基本接近,3種軟件計(jì)算結(jié)果吻合較好。結(jié)構(gòu)第1扭轉(zhuǎn)周期與第1平動(dòng)周期的比值均小于規(guī)范0.85的要求;結(jié)構(gòu)在X、Y方向的層間位移角均小于規(guī)范1/800的要求,最大位移比均<1.4的要求,同時(shí)也注意到有些樓層位移比超過(guò)1.2,說(shuō)明結(jié)構(gòu)存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則,需要采取一定的加強(qiáng)措施。
5.2彈性時(shí)程分析
根據(jù)高規(guī)規(guī)定,采用時(shí)程分析法時(shí),應(yīng)按建筑場(chǎng)地類(lèi)別和設(shè)計(jì)地震分組選用實(shí)際強(qiáng)震記錄和人工模擬的加速度時(shí)程曲線。在地震加速度時(shí)程曲線的選擇時(shí),主要考慮所選擇的曲線滿足本工程場(chǎng)地地震動(dòng)的頻譜特性、有效峰值和有效持續(xù)時(shí)間3個(gè)要素的要求。
彈性時(shí)程分析時(shí)所取地面運(yùn)動(dòng)最大加速度為55g,選取2組人工波和5組天然波;輸入中考慮雙方向地震動(dòng)的影響,兩方向加速度時(shí)程峰值比為1∶0.85。各條波結(jié)構(gòu)基底剪力計(jì)算結(jié)果與反應(yīng)譜的計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表4。
表4 彈性時(shí)程分析結(jié)果
從表4可知,時(shí)程分析基底剪力滿足文獻(xiàn)[3]第4.3.5條的規(guī)定。每條時(shí)程曲線計(jì)算所得的基底剪力均大于反應(yīng)譜計(jì)算所得基底剪力的65%,平均值大于反應(yīng)譜計(jì)算所得基底剪力的80%,滿足規(guī)范的要求。
5.3中震不屈服設(shè)計(jì)
為驗(yàn)算結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件在設(shè)防地震下的承載能力,進(jìn)行設(shè)防地震下的結(jié)構(gòu)計(jì)算。中震不屈服設(shè)計(jì)可以看作是中震彈性設(shè)計(jì)的正常使用極限狀態(tài),中震不屈服設(shè)計(jì)不考慮荷載分項(xiàng)系數(shù),材料強(qiáng)度取標(biāo)準(zhǔn)值,不考慮承載力抗震調(diào)整系數(shù)和內(nèi)力調(diào)整系數(shù)。計(jì)算結(jié)果表明,在中震作用下,關(guān)鍵構(gòu)件均達(dá)到抗震設(shè)計(jì)要求的性能目標(biāo)。
5.4罕遇地震下彈塑性時(shí)程分析
為實(shí)現(xiàn)“大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo),對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震作用下的結(jié)構(gòu)彈塑性變形驗(yàn)算,采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院PUSH&EPDA軟件中的靜力推覆分析方法進(jìn)行分析。
采用PUSH程序進(jìn)行靜力彈塑性分析的模型直接讀取SATW E分析模型,模型中程序忽略了混凝土的抗拉能力,混凝土材料的受壓本構(gòu)關(guān)系采用SAEN Z曲線模擬并進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪m用性簡(jiǎn)化;鋼材的本構(gòu)關(guān)系采用雙折線的彈塑性本構(gòu)關(guān)系。梁、柱、支撐等一維構(gòu)件采用纖維束模型模擬,剪力墻采用彈塑性墻單元來(lái)模擬。采用倒三角側(cè)向荷載分布模式和弧長(zhǎng)控制增量法進(jìn)行非線性靜力推覆分析,其大震作用下結(jié)構(gòu)的供給-需求譜曲線見(jiàn)圖4。
圖4 大震作用下結(jié)構(gòu)的供給-需求譜曲線
從圖4來(lái)看,該結(jié)構(gòu)的能力曲線能夠穿越需求譜線,而且能力曲線和需求譜線的交點(diǎn)對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)層間位移角為1/229,滿足規(guī)范1/100的要求,說(shuō)明該結(jié)構(gòu)滿足罕遇地震下“大震不倒”的抗震要求。
本工程運(yùn)用SATW E、PM SAP及YJ K3種程序?qū)π≌鹣碌慕Y(jié)構(gòu)反應(yīng)進(jìn)行了分析,結(jié)果顯示,3種程序計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)各指標(biāo)均相差較小,證明了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性、真實(shí)性;選取了7條地震波對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了彈性時(shí)程分析;結(jié)果顯示,時(shí)程分析的結(jié)構(gòu)底部總剪力的平均值均小于振型分解反應(yīng)譜法得到的底部總剪力,說(shuō)明按照振型分解反應(yīng)譜法得到的結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)是安全可靠的。為滿足中震可修的設(shè)防目標(biāo),對(duì)結(jié)構(gòu)在中震作用下結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件的承載力進(jìn)行了復(fù)核和包絡(luò)設(shè)計(jì),使得結(jié)構(gòu)能夠滿足抗震設(shè)計(jì)的性能目標(biāo)。
[1]GB50009—2012,建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].
[2]GB50010—2010,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].
[3]JGJ 3—2010,高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].
□DOI編碼:10.3969/j.issn.1008-3197.2015.03.026
□TU318
□C
□1008-3197(2015)03-67-04
□2015-01-15
□張鳳華/女,1982年出生,工程師,碩士,天津市港建建筑設(shè)計(jì)有限公司,從事建筑設(shè)計(jì)工作。