某大底盤多塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

劉國(guó)光

(福建省地質(zhì)工程勘察院 福建福州 350003)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,集SOHO、商業(yè)、辦公、影院等為一體的大型商業(yè)綜合體建設(shè)數(shù)量越來(lái)越多,體量越來(lái)越大。建筑使用功能的要求，無(wú)法通過設(shè)置結(jié)構(gòu)縫將塔樓分開，出現(xiàn)了大底盤多塔樓高層建筑。商業(yè)體內(nèi)部由于設(shè)置中庭，商業(yè)體內(nèi)街，樓面開大洞造成樓板連接薄弱。商業(yè)體內(nèi)部設(shè)置多個(gè)跨層、跨縫的自動(dòng)扶梯及交通連廊。本文結(jié)合某工程，就大底盤多塔高層建筑抗震設(shè)計(jì)相關(guān)問題進(jìn)行探討。

1 工程概況及實(shí)例

該工程擬建于福州市倉(cāng)山區(qū)，建筑總面積約30萬(wàn)m2，其中地上建筑面積約21.4萬(wàn)m2，地下2層，建筑面積約8.6萬(wàn)m2。地上部分7幢塔樓，其中1#、2#、3#、5#、6#樓為高層SOHO，7#、8#為高層寫字樓，底部大底盤裙房為大型商業(yè)。1#～8#塔樓為20～22層框架剪力墻結(jié)構(gòu)，建筑高度89.5m～95.5m。裙房層數(shù)3～5層，高度16.5m～26.5m。二層建筑平面工程設(shè)計(jì)使用年限50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.0，設(shè)計(jì)基本風(fēng)壓為0.7kN/ m2，地面粗糙度類別為C類。抗震設(shè)防烈度7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.1g；設(shè)計(jì)地震分組第三組，Ⅲ類場(chǎng)地，特征周期0.65s。

1.1 結(jié)構(gòu)單元?jiǎng)澐?/h3>

裙房商業(yè)分為東區(qū)和西區(qū)2個(gè)部分，結(jié)構(gòu)利用內(nèi)街及抗震縫共分6個(gè)結(jié)構(gòu)單元，結(jié)構(gòu)單元?jiǎng)澐质疽鈭D如圖1所示。為使各主體結(jié)構(gòu)受力簡(jiǎn)單獨(dú)立，利用內(nèi)街、出入口連廊分為東西2個(gè)區(qū)，連廊采用鋼結(jié)梁構(gòu)，與兩側(cè)結(jié)構(gòu)柔性連接。東區(qū)設(shè)一條縫，共形成2個(gè)結(jié)構(gòu)單元：1個(gè)單塔單元(7#)和1個(gè)雙塔單元(1#、8#)。西區(qū)共形成4個(gè)結(jié)構(gòu)單元：1個(gè)雙塔單元(5#、6#)，2個(gè)獨(dú)立塔樓單元(2# 和3#)，1個(gè)2#3#樓裙房單元。限于篇幅，本文僅對(duì)5#、6#雙塔單元(以下簡(jiǎn)稱5#、6#)進(jìn)行相關(guān)討論。

1.2 計(jì)算模型的選擇

(1)計(jì)算模型一

大底盤、裙房整體計(jì)算?？紤]地震作用下各塔樓間相互不利影響，作為大底盤裙房及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)依據(jù)，此為基本計(jì)算模型。計(jì)算裙房質(zhì)心,塔樓綜合質(zhì)心,判別塔樓偏置情況。周期、周期比、層間位移、位移比、各層的側(cè)向剛度比、結(jié)構(gòu)的傾覆力矩比等，與分塔計(jì)算模型的結(jié)果進(jìn)行比較。

(2)計(jì)算模型二

各塔樓及裙房切開分別計(jì)算，分析裙房、塔樓獨(dú)立工作時(shí)性能指標(biāo)。

(3)計(jì)算模型三

各塔樓帶其裙房相關(guān)范圍。大底盤多塔結(jié)構(gòu)振動(dòng)形態(tài)復(fù)雜，整體模型有時(shí)不易判斷計(jì)算結(jié)果是否合理，此模型計(jì)算各塔周期比、位移比，各層的側(cè)向剛度比，了解各塔扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，判別平面是否規(guī)則。

實(shí)際構(gòu)件配筋，以模型一、二、三進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)，保證設(shè)計(jì)結(jié)果安全可靠，如圖2所示。

圖1 結(jié)構(gòu)單元?jiǎng)澐质疽鈭D

模型一 模型二 模型三圖2 計(jì)算模型示意圖

1.3 計(jì)算軟件

主體結(jié)構(gòu)，采用盈建科軟件股份有限公司開發(fā)的YJK軟件計(jì)算。PKPM結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件補(bǔ)充計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析比較。采用考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)的振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算多遇地震作用下的內(nèi)力和變形，同時(shí)考慮雙向地震和偶然偏心的不利影響。考慮高振型的影響，有效質(zhì)量系數(shù)大于90%。采用時(shí)程分析方法進(jìn)行多遇地震補(bǔ)充計(jì)算。對(duì)平面不規(guī)則裙房樓板補(bǔ)充平面有限元分析。

1.4 建筑結(jié)構(gòu)不規(guī)則性超限檢查

依據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》(建質(zhì)[2015]67號(hào))以下簡(jiǎn)稱高規(guī)，經(jīng)初步判斷，5#、6#雙塔單元可能存在需抗震設(shè)防專項(xiàng)審查及主要超限情況如下。

1.4.1建筑結(jié)構(gòu)特別不規(guī)則性超限檢查

豎向不規(guī)則： 5#、6#裙房高21.9m ,塔樓高89.5m，豎向構(gòu)件收進(jìn)位置高于結(jié)構(gòu)高度20%，且收進(jìn)大于25%。

塔樓偏置： 5#、6#塔樓X向綜合偏心距28%，偏心距大于底盤相應(yīng)邊長(zhǎng)20%；帶大底盤的高層建筑，結(jié)構(gòu)在大底盤上一層突然收進(jìn)，屬豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)。

有關(guān)試驗(yàn)研究和計(jì)算表明，大底盤上有2個(gè)或多個(gè)塔樓時(shí)，地震作用下，各塔樓的振型既存在著相互獨(dú)立性又相互有影響，多塔樓結(jié)構(gòu)振型復(fù)雜，且高振型對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響大。當(dāng)大底盤上的各塔樓高層建筑樓層數(shù)不同，質(zhì)量和剛度不同，分布不均勻，且當(dāng)各塔樓自身結(jié)構(gòu)平面布置不對(duì)稱時(shí)，結(jié)構(gòu)豎向剛度突變加劇，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)反應(yīng)增大，高振型對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響更為突出，各塔樓的受力更為復(fù)雜不利。

塔樓在底盤上部突然收進(jìn)，造成結(jié)構(gòu)豎向剛度突變，如結(jié)構(gòu)平面布置上又使塔樓與底盤偏心較大，則更加劇了結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)反應(yīng)。

對(duì)大底盤多塔樓高層建筑結(jié)構(gòu)，僅根據(jù)塔樓的體型收進(jìn)尺寸來(lái)判定是不夠的，更重要的是，應(yīng)根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的體型收進(jìn)對(duì)結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度是否造成劇烈變化，是否在變化部位造成應(yīng)力集中和變形集中，是否產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的薄弱部位來(lái)判定。因此，判別大底盤單塔樓結(jié)構(gòu)是否按復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，除應(yīng)按《高規(guī)》第3.5.5條判別外，還宜加上《高規(guī)》第10.6.5條第1款：上部結(jié)構(gòu)收進(jìn)的底部樓層層間位移角不宜大于下部相鄰區(qū)段最大層間位移角的1.15倍作為判別依據(jù)[1]。

5#、6#地震作用下層間位移角計(jì)算如圖3所示。 計(jì)算結(jié)果表明，上部收進(jìn)結(jié)構(gòu)的底部樓層層間位移角為1/1601,與相鄰下部區(qū)段的最大層間位移角為1/1742,比值為1.09，不大于1.15倍。

圖3 5#、6#地震作用下層間位移角

1.4.2建筑結(jié)構(gòu)一般不規(guī)則性超限檢查

扭轉(zhuǎn)位移比大于1.2，但扭轉(zhuǎn)位移偏大處僅位于裙房局部點(diǎn)，不規(guī)則程度很小可不計(jì)入不規(guī)則的一項(xiàng)；僅裙房樓板不連續(xù) ，5#、6# 裙房X向有效寬度(35% B)，有效寬度小于50%，開洞面積大于30%；二層門廳挑空樓面開洞較大引起的樓板不連續(xù)和穿層柱問題屬于局部不規(guī)則，經(jīng)分析比較，該局部不規(guī)則問題對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的影響很小，可不計(jì)入不規(guī)則的一項(xiàng)。

1.4.3抗震超限情況及相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施

塔樓高度小于A級(jí)高度，裙房屋面高度僅略大于房屋總高度的20%，在主樓平面尺寸較小處豎向構(gòu)件位置縮進(jìn)大于25%，但在主樓平面尺寸較大處豎向構(gòu)件位置縮進(jìn)小于25%，不規(guī)則程度很小。綜合判定，該工程可不按超限高層建筑進(jìn)行設(shè)計(jì)。

針對(duì)多塔和塔樓偏置，采取以下措施加強(qiáng)：裙樓以上一層豎向構(gòu)件抗震等級(jí)提高一級(jí)，柱及剪力墻縱筋的最小配筋率加大，柱箍筋全高加密。裙房屋面板厚度不小于150mm，雙面雙向配筋，配筋率不小于0.25%，其相鄰上下層樓板厚度及配筋加強(qiáng)。針對(duì)5#、6#單元塔樓在裙房屋面體型收進(jìn)；裙房周邊及裙房屋面上二層塔樓周邊豎向結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震等級(jí)提高一級(jí)；加強(qiáng)以下二層結(jié)構(gòu)周邊豎向構(gòu)件的配筋構(gòu)造措施。

1.5 多遇地震彈性時(shí)程分析

采用彈性時(shí)程分析法進(jìn)行多遇地震作用下的補(bǔ)充計(jì)算。根據(jù)場(chǎng)地性質(zhì)，選擇5條天然地震波及2條人工波，地震波的平均地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應(yīng)譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計(jì)意義上相符。

時(shí)程分析法與振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》4.3.5規(guī)定。

7條時(shí)程曲線X向及Y向?qū)娱g位移角計(jì)算結(jié)果平均值均小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果，且均滿足。規(guī)范1/800的要求。綜上所述，時(shí)程分析計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范要求。

1.6 復(fù)雜樓板應(yīng)力分析

該工程為大底盤不對(duì)稱雙塔結(jié)構(gòu)，裙樓商業(yè)內(nèi)天井有樓板大開洞，存在凹凸不規(guī)則,大底盤連接2個(gè)塔樓處和塔樓與裙房處的樓板在高振型影響下產(chǎn)生較大應(yīng)力，且應(yīng)力集中，對(duì)大底盤進(jìn)行地震作用下樓板應(yīng)力分析。

多遇地震工況荷載組合：1.2(D+0.5L)+1.3EQ，設(shè)防地震工況荷載組合：1.0(D+0.5L)+1.0EQ。

分析結(jié)果如圖4～圖5所示。

樓板應(yīng)力云圖可以得出如下結(jié)論：由于所計(jì)算樓層均位于裙樓部位，地震作用下總體樓板應(yīng)力水平較低，各分塊裙樓樓板的應(yīng)力分布規(guī)律基本一致。在X向地震作用下，樓板應(yīng)力集中部位均主要出現(xiàn)于主樓核心筒中電梯門廳部位，該部位由于兩側(cè)梯井開洞造成樓板應(yīng)力水平較高。 在小震工況下，大部分應(yīng)力小于1.3N/mm2，僅局部最大應(yīng)力值約為2.0N/mm2，需采取局部樓板加厚措施。 在中震工況下，采取局部樓板加厚措施后，最大拉應(yīng)力值約為2.5N/mm2，采取附加板筋承受此應(yīng)力。

圖4 5#、6#樓2層板X向小震應(yīng)力分布圖(N/mm2)

圖5 5#、6#樓2層板X向中震應(yīng)力分布圖(N/mm2)

設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)上述應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，對(duì)應(yīng)力集中及應(yīng)力較大部位進(jìn)行相應(yīng)配筋加強(qiáng)和板厚加厚措施，以達(dá)到多遇地震時(shí)樓板內(nèi)拉應(yīng)力不大于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值[2]，設(shè)防地震時(shí)保證板內(nèi)實(shí)配鋼筋受拉不屈服，拉應(yīng)力全部由額外附加的板鋼筋承受性能目標(biāo)。

樓板不連續(xù)處理措施：采用符合樓板平面剛度變化的模型進(jìn)行計(jì)算，并補(bǔ)充復(fù)雜樓板有限元應(yīng)力分析，找出內(nèi)力較大部位，對(duì)大開洞周邊樓板和應(yīng)力較大部位加大板厚和加強(qiáng)配筋[3]。該工程因裙房超長(zhǎng)，尚應(yīng)考慮樓面混凝土收縮、徐變以及溫度作用下非荷載作用引起樓板應(yīng)力，采取加大板厚及提高配筋率等措施。

1.7 架空連廊、自動(dòng)扶梯的設(shè)計(jì)

大型商業(yè)建筑功能復(fù)雜，存在連廊及自動(dòng)扶梯跨層、跨結(jié)構(gòu)單元，必須考慮地震作用下連廊、自動(dòng)扶梯的防脫落問題。

實(shí)際震害表明：跨度大、位置高的連廊容易發(fā)生破壞；跨度小、位置低的連廊震害輕，或基本沒有損壞。兩端建筑高度不同，或偏心設(shè)置在建筑物的端部連廊破壞嚴(yán)重。

架空連廊與兩端建筑物主體結(jié)構(gòu)的連接，可采用剛接或滑動(dòng)連接。當(dāng)架空連廊跨度較小，所在樓層高度較低時(shí)，可采用滑動(dòng)支座。支座滑移量應(yīng)滿足在罕遇地震作用下的位移要求。滑動(dòng)支座可以采用由主體結(jié)構(gòu)伸出一段懸臂支座的方法，不宜采用將連廊梁擱置在主體結(jié)構(gòu)牛腿上的方法。

該工程的連廊采用鋼結(jié)構(gòu)柔性連接處理：一個(gè)支撐端沿鋼橋縱向滑動(dòng)限位，沿鋼橋橫向鉸接限位；另一個(gè)支撐端沿鋼橋縱向、橫向皆鉸接限位。連廊滑動(dòng)限位端節(jié)點(diǎn)示意圖如圖6所示。自動(dòng)扶梯支座要求能夠適應(yīng)兩端地震水平位移。設(shè)計(jì)要求每個(gè)扶梯的允許水平位移與結(jié)構(gòu)單元間的防震縫寬度相同。

圖6 連廊滑動(dòng)限位端節(jié)點(diǎn)示意圖

2 結(jié)論

(1)大底盤雙塔結(jié)構(gòu)塔樓偏心布置，豎向剛度突變，受高振型的影響大，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯。設(shè)計(jì)時(shí)宜考慮塔樓和裙房的相互作用，多模型包絡(luò)設(shè)計(jì)。對(duì)各個(gè)超限內(nèi)容采取相應(yīng)有效措施，并對(duì)結(jié)構(gòu)的薄弱處采取相應(yīng)措施加強(qiáng)，保證整體結(jié)構(gòu)的安全及可靠。

(2)對(duì)超長(zhǎng)不規(guī)則的大底盤多塔結(jié)構(gòu)，應(yīng)根據(jù)建筑的使用功能，結(jié)構(gòu)受力合理的原則設(shè)置防震縫，劃分結(jié)構(gòu)單元。

(3)裙房頂層作為大底盤頂層，存在剛度突變，受力和變形復(fù)雜，宜對(duì)裙房頂板做有限元分析，根據(jù)分析結(jié)果加強(qiáng)薄弱部位，防止樓板開裂。

(4)對(duì)于建筑內(nèi)部存在大面積的貫通中庭，局部設(shè)置窄連廊連接的建筑平面布局，建議此類連廊均按柔性連接處理，兩側(cè)結(jié)構(gòu)形成獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元。樓板連接薄弱部位，應(yīng)對(duì)樓板進(jìn)行有限元分析，根據(jù)分析結(jié)果，加強(qiáng)薄弱部位，以保證樓板的配筋和斷面滿足樓面的整體受力要求。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] JGJ3-2010 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

[2] GB50010-2010(2015年版)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2015.

[3] 徐培福.架空連廊的震害及設(shè)計(jì)建議[J].建筑結(jié)構(gòu)，2004(4).