不同設(shè)備層結(jié)構(gòu)方案對(duì)比分析

周 洲

在帶裙房的塔樓建筑中，通常將設(shè)備層設(shè)置在塔樓出裙房樓層位置。在實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，設(shè)備層通常采用如下兩種方式進(jìn)行處理:

1)將設(shè)備層設(shè)為單獨(dú)結(jié)構(gòu)層，層高2.2 m(方案A);

2)將設(shè)備層與相鄰上一樓層合并成一個(gè)結(jié)構(gòu)層，層高6 m，放置設(shè)備的部分采用一個(gè)簡單的框架次結(jié)構(gòu)置于該樓層之中(方案B)。

本文針對(duì)兩種設(shè)備層結(jié)構(gòu)方案，依照我國現(xiàn)行規(guī)范要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)彈性計(jì)算分析與設(shè)計(jì)，對(duì)比研究了兩種設(shè)備層方案對(duì)結(jié)構(gòu)自振特性、結(jié)構(gòu)樓層剪力與傾覆力矩分布、構(gòu)件內(nèi)力以及計(jì)算配筋等因素的影響。本文研究對(duì)象為框架—核心筒體系，塔樓結(jié)構(gòu)共25層，其中裙房5層。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限:50年;建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí):二級(jí)，對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.0;抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.20g;建筑場地類別:Ⅲ類;場地特征周期:0.45。

1 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

計(jì)算模型中，1層 ～5層為裙房部分，層高分別為5.4 m(1 層)、5.1 m(2層 ～5層)，第6層為設(shè)備層，層高為2.2 m(方案A)或6.0 m(方案B)，其余樓層層高均為3.8 m。結(jié)構(gòu)梁及樓板混凝土等級(jí)均為C30，框架柱及剪力墻混凝土等級(jí)沿樓層依次為C50(1層～7層)，C45(8層 ～14層)，C40(15層 ～20層)及 C35(21層～頂層)。

多遇地震作用下計(jì)算分析。本工程采用SATWE軟件進(jìn)行三維空間有限元計(jì)算?？紤]5%偶然偏心和雙向地震作用兩種情況分別進(jìn)行驗(yàn)算;采用剛性樓板假定理論計(jì)算樓層位移和位移比;結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算及配筋時(shí)考慮樓板開洞及大空間等影響，采用局部彈性膜分析模型。結(jié)構(gòu)主要計(jì)算結(jié)果見表1～表3。

1)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性統(tǒng)計(jì)表見表1。

由表1可知兩種設(shè)備層方案對(duì)整體結(jié)構(gòu)的自振特性影響有限，對(duì)結(jié)構(gòu)的振型形態(tài)基本沒有影響。

表1 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性統(tǒng)計(jì)表

表2 結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)統(tǒng)計(jì)表

表3 最大位移比統(tǒng)計(jì)表

2)結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)和最大位移比統(tǒng)計(jì)表見表2，表3。

由表2，表3可以看到，兩種設(shè)備層結(jié)構(gòu)方案對(duì)結(jié)構(gòu)樓層位移及層間位移角的分布基本沒有影響。

3)地震作用下的結(jié)構(gòu)樓層剪力及傾覆彎矩。

圖1 X方向最大樓層剪力曲線（一）

圖2 Y方向最大樓層剪力曲線（一）

A方案的結(jié)構(gòu)最大樓層剪力曲線和彎矩曲線見圖1～圖4。

圖3 X方向最大樓層彎矩曲線（一）

圖4 Y方向最大樓層彎矩曲線（一）

B方案的結(jié)構(gòu)最大樓層剪力曲線和彎矩曲線見圖5～圖8。

由圖5～圖8可以看到，除設(shè)備層所在樓層位置外，兩種設(shè)備層結(jié)構(gòu)方案對(duì)結(jié)構(gòu)樓層剪力及傾覆力矩的分布基本沒有影響。

4)結(jié)構(gòu)樓層側(cè)向剛度比見表4。

圖5 X方向最大樓層彎矩曲線（二）

圖6 Y方向最大樓層彎矩曲線（二）

圖7 X方向最大樓層剪力曲線（二）

圖8 Y方向最大樓層剪力曲線（二）

表4 結(jié)構(gòu)樓層側(cè)向剛度比

樓層剛度比是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵指標(biāo)之一，為了限制結(jié)構(gòu)樓層側(cè)向剛度分布的豎向不規(guī)則性，我國現(xiàn)行JGJ 3-2002高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程中規(guī)定“抗震設(shè)計(jì)的高層建筑結(jié)構(gòu)，其樓層側(cè)向剛度不宜小于相鄰上部樓層側(cè)向剛度的70%或其上相鄰三層側(cè)向剛度平均值的80%”。當(dāng)設(shè)備層采用方案A時(shí)，由于設(shè)備層層高低、側(cè)向剛度大，使得其相鄰下層與該層的剛度比不滿足要求;而方案B則由于層高較大，在減小設(shè)備層側(cè)向剛度，解決方案A中問題的同時(shí)，又因與上層結(jié)構(gòu)樓層高度相差較大，使得設(shè)備層與相鄰上一樓層、與相鄰上三樓層剛度平均值比均增大顯著。

5)設(shè)備層及其相鄰樓層典型構(gòu)件內(nèi)力。對(duì)比兩種設(shè)備層方案各構(gòu)件內(nèi)力的數(shù)值可以發(fā)現(xiàn)，層高大小對(duì)于設(shè)備層樓層剪力的分配有顯著影響:設(shè)備層方案A中由于設(shè)備層層高較小，框架柱所受剪力存在突變，顯著大于其相鄰上部樓層，墻肢則明顯小于其相鄰樓層;方案B中設(shè)備層框架柱剪力則基本保持與方案中設(shè)備層以上樓層相同的分布規(guī)律;此外還可以發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)框架柱是否在樓層內(nèi)出現(xiàn)反彎點(diǎn)與其所在樓層層高并無直接關(guān)系，而與整個(gè)樓層的抗側(cè)力構(gòu)件布置及相對(duì)剛度有關(guān)。地震作用下兩種設(shè)備層方案中設(shè)備層的框架柱及墻肢的剪力有顯著變化;而彎矩?cái)?shù)值則基本相當(dāng)。這表明，對(duì)于高層建筑而言，地震作用下構(gòu)件所受到的彎矩主要由上部結(jié)構(gòu)的傾覆造成。

6)結(jié)構(gòu)的配筋設(shè)計(jì)。保持結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)其他荷載、計(jì)算參數(shù)及設(shè)計(jì)條件不變，依照我國現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范要求，對(duì)結(jié)構(gòu)分別按8度抗震設(shè)防要求，完成兩種設(shè)備層方案的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。對(duì)比兩種設(shè)備層方案的設(shè)備層豎向構(gòu)件配筋情況可以看到，相同設(shè)防烈度下，兩種設(shè)備層方案的計(jì)算配筋差別不大。

2 結(jié)語

本文建立了兩種設(shè)備層方案的結(jié)構(gòu)分析模型，分別針對(duì)結(jié)構(gòu)自振特性、樓層剛度比、設(shè)計(jì)地震作用下樓層剪力與傾覆力矩的分布規(guī)律、樓層最大位移及層間位移角、典型構(gòu)件內(nèi)力以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算配筋等因素進(jìn)行了分析。通過以上分析，得到結(jié)論如下:

1)兩種設(shè)備層方案對(duì)于結(jié)構(gòu)自振特性的影響較小。

2)兩種設(shè)備層方案中設(shè)備層層高較其相鄰上、下樓層均變化較大，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)樓層剛度出現(xiàn)了不同程度的突變。依照現(xiàn)行規(guī)范要求，兩種設(shè)備層方案中，設(shè)備層層高較小的(方案A)導(dǎo)致的突變程度較大，易于出現(xiàn)不滿足規(guī)范限值要求的情況;設(shè)備層層高較大(方案B)的方案導(dǎo)致的突變程度較小，易于滿足規(guī)范限值要求。

3)地震作用下，兩種設(shè)備層方案對(duì)結(jié)構(gòu)的樓層剪力及傾覆力矩、結(jié)構(gòu)樓層最大位移及最大層間位移角等計(jì)算指標(biāo)影響不大。

4)分析表明，設(shè)備層方案(層高)的不同會(huì)對(duì)設(shè)備層構(gòu)件地震作用下的剪力造成影響:層高小(方案A)時(shí)框架柱剪力突變程度大，且數(shù)值顯著大于其相鄰樓層。方案B則基本無突變現(xiàn)象。

5)不同烈度的結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計(jì)結(jié)果顯示，兩種設(shè)備層方案對(duì)構(gòu)件設(shè)計(jì)配筋基本無影響。

[1]GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S］.

[2]JGJ 3-2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S］.

[3]楊紅艷.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)總結(jié)[J］.山西建筑，2010，36(6):77-78.