某多項(xiàng)不規(guī)則超限高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

陳少鋒

【摘 要】某工程為框支剪力墻結(jié)構(gòu)，因建筑功能需要，結(jié)構(gòu)主體存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、側(cè)向剛度不規(guī)則、豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)等多項(xiàng)不規(guī)則情況，屬超限高層建筑。由于采用了相對(duì)合理的結(jié)構(gòu)布置，通過(guò)兩階段設(shè)計(jì)方法，分析了各項(xiàng)不規(guī)則情況對(duì)結(jié)構(gòu)主體的影響程度，找出了結(jié)構(gòu)薄弱位置且采取了加強(qiáng)措施，從而減小了體型不規(guī)則帶來(lái)的不利影響，使得結(jié)構(gòu)仍具有良好的抗震性能，達(dá)到三水準(zhǔn)的抗震設(shè)防要求。本文主要介紹工程的結(jié)構(gòu)布置、計(jì)算分析方法，薄弱部位采取的抗震措施等。

【關(guān)鍵詞】多項(xiàng)不規(guī)則超限高層；各項(xiàng)不規(guī)則情況對(duì)結(jié)構(gòu)主體的影響程度

0.前言

超限高層建筑，是指超出國(guó)家現(xiàn)行規(guī)范、規(guī)程所規(guī)定的適用高度和適用結(jié)構(gòu)類(lèi)型的高層建筑工程，體型特別不規(guī)則的高層建筑工程，以及有關(guān)規(guī)范、規(guī)程規(guī)定應(yīng)當(dāng)進(jìn)行抗震專(zhuān)項(xiàng)審查的高層建筑工程。具體超限情況及主要范圍可參照《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)》（建質(zhì)[2010]109）中第一章第二條及第七章附錄一確定。針對(duì)多項(xiàng)不規(guī)則的超限高層建筑，首先應(yīng)結(jié)合抗震概念采用相對(duì)合理的結(jié)構(gòu)布置，然后分析結(jié)構(gòu)各個(gè)不規(guī)則情況對(duì)結(jié)構(gòu)主體的影響程度，找出了結(jié)構(gòu)薄弱位置，最后采用基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法對(duì)結(jié)構(gòu)薄弱位置采取加強(qiáng)措施，達(dá)到使結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性的目的。本文現(xiàn)以某在建住宅類(lèi)超限高層為例，重點(diǎn)就本工程結(jié)構(gòu)在各項(xiàng)不規(guī)則情況對(duì)結(jié)構(gòu)主體的影響程度及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采取的加強(qiáng)措施方面進(jìn)行闡述。

1.工程概況

某高層住宅位于廈門(mén)市五緣灣，是某住宅小區(qū)其中一棟，底部為大底盤(pán)地下室，地下2層，地上28層，建筑總高度99.10m，底層層高7m，以上各層層高均為3.4m，二層為框支轉(zhuǎn)換層。

本工程為部分框支框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系。

建筑抗震設(shè)防類(lèi)別為丙類(lèi)，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)?？拐鹪O(shè)防烈度為VII度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.15g，設(shè)計(jì)地震分組：第二組；場(chǎng)地類(lèi)別：II類(lèi)；特征周期Tg=0.40se；按建筑類(lèi)別及場(chǎng)地調(diào)整后用于確定抗震等級(jí)的烈度VII度；建筑結(jié)構(gòu)的阻尼比取5%。50年一遇的基本風(fēng)壓：0.8KN/m2，地面粗糙度：A類(lèi)。

框架抗震等級(jí)：框支框架為一級(jí)其余為二級(jí)；剪力墻抗震等級(jí)：底部加強(qiáng)區(qū)為一級(jí)其余為二級(jí)。

2.結(jié)構(gòu)方案布置及結(jié)構(gòu)體系中的不規(guī)則問(wèn)題

（1）結(jié)構(gòu)方案布置：采用部分框支框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系。

轉(zhuǎn)換層柱距8～14.5m，型鋼混凝土框支柱b*h=1400*1500，型鋼BH700x700x32x32，型鋼混凝土框支梁b*h=1400x1600，型鋼BH 1100X700X25X25

轉(zhuǎn)換層以上柱距為8.0～10.0m，2～24層采用型鋼混凝土框架柱，型鋼BH400X400X20X25～BH700x700x25x25柱截面，b*h=1200*1200～800*800；24層以上采用鋼筋混凝土框架柱b*h=800*800。

樓電梯間處筒體鋼筋混凝土墻厚度400～600mm，其余鋼筋混凝土墻厚度300～500mm。并對(duì)于邊榀抗震墻端部設(shè)置型鋼混凝土暗柱以提高整體延性。

樓蓋結(jié)構(gòu)：地下二層～屋頂采用鋼筋混凝土梁板體系； 轉(zhuǎn)換層板厚250mm，其余各層板厚100～150mm。主要的抗側(cè)力體系由框架-抗震墻組成。轉(zhuǎn)換層為型鋼砼梁、柱，部分內(nèi)力較大的位置設(shè)置了型鋼砼梁、柱。結(jié)構(gòu)布置詳結(jié)構(gòu)平面布置圖（詳圖2，3）；

（2）結(jié)構(gòu)體系中的不規(guī)則問(wèn)題：

本工程不規(guī)則情況，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）扭轉(zhuǎn)不規(guī)則：考慮偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比大于1.2，屬于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則結(jié)構(gòu)。

2）豎向抗側(cè)力構(gòu)件連續(xù)：于地上一層轉(zhuǎn)換。

3）側(cè)向剛度不規(guī)則：地上一層側(cè)向剛度（剪力/層間位移）小于上一層70%。

4）結(jié)構(gòu)高寬比6.4>6.0。

針對(duì)以上超限情況，綜合專(zhuān)家組意見(jiàn)及設(shè)計(jì)者的理念，制定了本項(xiàng)目的抗震性能目標(biāo)。

（1）在多遇地震作用下：各構(gòu)件均保持彈性工作狀態(tài)。

（2）在設(shè)防地震作用下：底部加強(qiáng)區(qū)的豎向構(gòu)件（除框支柱）的抗剪承載力按中震彈性設(shè)計(jì)，抗彎承載力按中震不屈服設(shè)計(jì)，框支框架按中震彈性設(shè)計(jì)。

（3）在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)的最大彈塑性層間位移角滿(mǎn)足規(guī)范的限制要求。

3.計(jì)算方法與結(jié)果分析

3.1計(jì)算方法

（1）采用兩種不同力學(xué)模型的三維空間分析程序進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移的對(duì)比計(jì)算分析，采用PKPM系列軟件的STAWE模塊計(jì)算，并用PKPM的PMSAP模塊補(bǔ)充計(jì)算校核。

（2）采用彈性動(dòng)力時(shí)程分析方法進(jìn)行多遇地震的補(bǔ)充計(jì)算。

（3）采用PKPM系列軟件的PUSH模塊進(jìn)行大震下靜力彈塑性計(jì)算。

（4）采用FEQ有限元框支剪力墻計(jì)算及配筋軟件對(duì)轉(zhuǎn)換梁及轉(zhuǎn)換梁上一層剪力墻進(jìn)行復(fù)核。

3.2多遇地震及風(fēng)荷載下彈性分析

此階段性能設(shè)計(jì)的目標(biāo)是保證結(jié)構(gòu)在小震作用下無(wú)損壞，可繼續(xù)使用。就要求結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度，變形在彈性階段，不會(huì)因?yàn)樵诘卣鹆ψ饔孟庐a(chǎn)生過(guò)大位移而影響結(jié)構(gòu)承載力及使用要求。

本工程采用SATWE進(jìn)行計(jì)算，并用PMSAP對(duì)比分析。SATWE采用空間桿單元模擬梁、柱及支撐等桿件，采用在殼元基礎(chǔ)上凝聚而成的墻元模擬剪力墻；PMSAP程序基于廣義協(xié)調(diào)理論和子結(jié)構(gòu)技術(shù)開(kāi)發(fā)了能夠任意開(kāi)洞的細(xì)分墻單元和多邊形樓板單元，其面內(nèi)剛度和面外剛度分別由平面應(yīng)力膜和彎曲板進(jìn)行模擬，樓板參與整體結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析。兩個(gè)程序均采用振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行地震作用計(jì)算，并考慮偶然偏心及雙向地震作用。

主要計(jì)算控制指標(biāo)：a.周期比；b.層間位移角及扭轉(zhuǎn)位移比；c.剪重比及有效質(zhì)量系數(shù)；d.層剛度比及層抗剪承載力比；e.墻軸壓比及穩(wěn)定性。

結(jié)果分析：

A）SATWE和PMSAP的振型反應(yīng)譜計(jì)算多遇水平地震作用，結(jié)果基本吻合，剛度適宜，各項(xiàng)指標(biāo)滿(mǎn)足規(guī)范要求。

B）對(duì)于轉(zhuǎn)換梁上一層框支剪力墻，采用有限元框支剪力墻計(jì)算及配筋軟件（FEQ），取框支層以下各層及以上三層復(fù)核框支層上的剪力墻及框支轉(zhuǎn)換構(gòu)件，并綜合兩者的結(jié)果進(jìn)行構(gòu)件的設(shè)計(jì)。

3.3多遇地震動(dòng)力彈性時(shí)程分析補(bǔ)充計(jì)算

目前抗震規(guī)范所采用的平均反應(yīng)譜法，主要由設(shè)防烈度、近震遠(yuǎn)震、場(chǎng)地土、地震影響系數(shù)等參數(shù)控制。對(duì)于特殊情況如結(jié)構(gòu)體型復(fù)雜、超高層等用平均反應(yīng)譜法計(jì)算并不完全準(zhǔn)確，規(guī)范要求應(yīng)進(jìn)行彈性動(dòng)力時(shí)程分析。

選取由中國(guó)建研院提供的場(chǎng)地實(shí)測(cè)地震波，共三條 ，其中兩條天然波，一條人工波，具體有以下要求：

（1）每條時(shí)程曲線(xiàn)計(jì)算得結(jié)構(gòu)底部剪力不應(yīng)小于反應(yīng)譜法的65%，多條時(shí)程曲線(xiàn)計(jì)算所得底部剪力的平均值不應(yīng)小于反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的80%。

（2）地震波持續(xù)時(shí)間不小于建筑基本自振周期的5倍及15s。

（3）選取3組時(shí)程曲線(xiàn)計(jì)算時(shí)，結(jié)構(gòu)地震效應(yīng)取時(shí)程分析結(jié)果與振型分解反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果的包絡(luò)值。

結(jié)果分析：由最大樓層剪力對(duì)比圖顯示，時(shí)程分析及反應(yīng)譜分析得到的結(jié)果曲線(xiàn)基本接近 ，曲線(xiàn)光滑無(wú)突變。反應(yīng)譜分析曲線(xiàn)無(wú)法完全包絡(luò)住時(shí)程分析曲線(xiàn)，最大剪力由時(shí)程分析的結(jié)果控制。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，24層以上應(yīng)按時(shí)程分析結(jié)果與反應(yīng)譜法的比值對(duì)地震作用進(jìn)行放大，其余樓層仍按反應(yīng)譜法的計(jì)算結(jié)果。

A）采用彈性時(shí)程分析進(jìn)行了多遇地震下的補(bǔ)充計(jì)算，結(jié)果顯示：（詳圖5）。

3.4中震分析

中震作用：此階段的性能目標(biāo)是保證結(jié)構(gòu)在中震作用下處于可運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)適當(dāng)量化的彈性計(jì)算方法，找出薄弱構(gòu)件并加強(qiáng)，與小震和罕遇地震作，其破損狀態(tài)可描述為結(jié)構(gòu)大部分均可立即修復(fù)，結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件允許有微小破損，人員安全，重要的運(yùn)行應(yīng)有可靠的保護(hù)。

本工程在設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)合專(zhuān)家審查組意見(jiàn)，提出中震下對(duì)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位和關(guān)鍵構(gòu)件采用性能設(shè)計(jì)，以使有限的資金用在最需要的地方，達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)化的目的。將此目標(biāo)量化后分為以下幾個(gè)方面：

（1）底部加強(qiáng)區(qū)的豎向構(gòu)件（除框支柱）的抗剪承載力按中震彈性設(shè)計(jì)；抗彎承載力按中震不屈服設(shè)計(jì)。

（2）框支框架按中震彈性設(shè)計(jì)。

中震不屈服計(jì)算時(shí)，水平地震影響系數(shù)最大值 amax=0.34，材料強(qiáng)度采用標(biāo)準(zhǔn)值 ，荷載采用標(biāo)準(zhǔn)值 ，抗震等級(jí)取四級(jí)，屬于承載力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)。

中震彈性計(jì)算時(shí)，水平地震影響系數(shù)最大值 amax=0.34.抗震等級(jí)取四級(jí)。中震彈性設(shè)計(jì)取消內(nèi)力調(diào)整系數(shù)，保留荷載分項(xiàng)系數(shù)，材料強(qiáng)度采用設(shè)計(jì)值。

中震不屈服設(shè)計(jì)和中震彈性設(shè)計(jì)方法都屬于性能 設(shè)計(jì)的范疇。本工程經(jīng)計(jì)算，底部加強(qiáng)區(qū)大部分剪力墻及連梁的內(nèi)力分布合理，基本無(wú)超筋現(xiàn)象墻體軸壓比最大0.42，構(gòu)件延續(xù)指標(biāo)良好，符合能設(shè)計(jì)的要求。

3.5大震下靜力彈塑性分析

大震（罕遇地震）作用：αmax=0.72。此階段性能設(shè)計(jì)的目標(biāo)主要是使結(jié)構(gòu)在大震下能夠保證其內(nèi)部人員的生命安全，其破損狀態(tài)可描述為結(jié)構(gòu)受到中等程度破壞，不會(huì)倒塌，一般可保證其內(nèi)部人員生命安全。本工程通過(guò)保證薄弱層（底部加強(qiáng)區(qū)）在大震下彈塑性變形的限制，以做到結(jié)構(gòu)大震不倒。

根據(jù)X、Y向推覆分析的能力曲線(xiàn)和性能點(diǎn)，得到大震下的最大層間位移角X向?yàn)閘/187，Y向?yàn)?/163，均小于1/120規(guī)范限值，符合規(guī)范要求。在推覆分析的過(guò)程中，塑性鉸首先出現(xiàn)在底部加強(qiáng)區(qū)的連梁及部分墻肢位置，然后陸續(xù)出現(xiàn)。直到性能點(diǎn)位置，剪力墻均未出現(xiàn)剪力鉸，在罕遇地震下不發(fā)生剪切破壞，有較好的延性，結(jié)構(gòu)具有足夠的變形能力，結(jié)構(gòu)的整體抗震性能滿(mǎn)足“大震不倒”的抗震性能目標(biāo)。

4.抗震措施

本工程存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)，豎向不規(guī)則等不規(guī)則情況，屬超限高層建筑，在初步設(shè)計(jì)階段進(jìn)行了超限高層抗震專(zhuān)項(xiàng)審查，專(zhuān)家組對(duì)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了很多寶貴意見(jiàn)，綜合專(zhuān)家組意見(jiàn)及設(shè)計(jì)者的理念，采用了如下抗震措施：

（1）兩端一字型剪力墻端部設(shè)置型鋼砼暗柱，以提高外圍未封閉陽(yáng)角處整體延性。

（2）轉(zhuǎn)換層板厚取250mm，鋼筋雙層雙向配置，以加強(qiáng)轉(zhuǎn)換層樓板平面內(nèi)剛度。

（3）對(duì)除轉(zhuǎn)換層以外各層板厚按板跨進(jìn)行優(yōu)化以減輕結(jié)構(gòu)自重。

（4）剪刀梯梯板之間設(shè)置砼抗震墻以進(jìn)一步增強(qiáng)樓梯間薄弱位置筒體處抗震墻平面外穩(wěn)定性。

（5）框支框架及部分受力較大框架柱采用型鋼混凝土，使得構(gòu)件尺寸明顯減小，構(gòu)件延性有較大提高。

5.結(jié)論

（1）本工程在結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)中引入了基于性能的抗震設(shè)計(jì)理念，并始終貫徹多道抗震設(shè)防的概念，使得結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，保證了結(jié)構(gòu)體系的安全、合理。遵循“強(qiáng)墻弱梁，強(qiáng)剪弱彎”的原則，連梁應(yīng)具備良好的耗能性能，作為第一道抗震防線(xiàn)，先于墻肢屈服。

（2）不同的超限高層，應(yīng)根據(jù)其具體超限情況及超限程度，以及業(yè)主的經(jīng)濟(jì)實(shí)力，確定結(jié)構(gòu)在不同水準(zhǔn)地震作用下所需達(dá)到的性能目標(biāo)。必要時(shí)尚應(yīng)進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)加以論證。

（3）對(duì)于復(fù)雜的超限高層建筑，應(yīng)采用合理的計(jì)算模型，通過(guò)多種結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行對(duì)比分析，使得計(jì)算結(jié)果更接近結(jié)構(gòu)真實(shí)的受力情況。

（4）水平力作用性質(zhì)不同時(shí)，所采用的結(jié)構(gòu)布置策略也不同。對(duì)于地震力控制的高層，應(yīng)注意結(jié)構(gòu)剛度與質(zhì)量的協(xié)調(diào)，剛度應(yīng)適宜，否則剛度太大相應(yīng)地震慣牲力增大；而風(fēng)荷載控制的高層，結(jié)構(gòu)剛度是關(guān)鍵因素，質(zhì)量影響則相對(duì)較小。

本工程存在多項(xiàng)不規(guī)則情況，屬于超限高層建筑。由于在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采取了相對(duì)合理的結(jié)構(gòu)布置，并對(duì)結(jié)構(gòu)的薄弱處采取了加強(qiáng)措施，從而減小了體型不規(guī)則帶來(lái)的不利影響，使得結(jié)構(gòu)仍具有良好的抗震性能，計(jì)算結(jié)果滿(mǎn)足現(xiàn)行規(guī)范和規(guī)程的要求。

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