某復(fù)雜超限高層的建筑結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計(jì)分析

鄭 剛

（中煤科工集團(tuán)重慶設(shè)計(jì)研究院，重慶 400010）

引言

我國(guó)的高層建筑正在朝著多功能化、現(xiàn)代化、大型化的方向發(fā)展。目前，區(qū)別于傳統(tǒng)高層建筑的新型高層建筑——超限高層建筑也越來(lái)越受到市場(chǎng)的喜愛(ài)[1]。超限高層建筑是指超出現(xiàn)行有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范所規(guī)定的適用高度、體型規(guī)則性等要求的高層建筑工程。由于傳統(tǒng)高層建筑的設(shè)計(jì)方法存在一定的局限性，基于性能化的設(shè)計(jì)方法逐漸的被發(fā)展起來(lái)。對(duì)超限高層建筑結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，抗震性能化設(shè)計(jì)顯得尤為重要。本文依據(jù)新修訂的規(guī)范，通過(guò)軟件SATWE，MAIDAS等有限元軟件對(duì)某超限高層建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計(jì)分析，著重討論了結(jié)構(gòu)的抗震問(wèn)題，并提出了相應(yīng)的加強(qiáng)措施。

1 實(shí)例分析

1.1 工程簡(jiǎn)介

該工程位于6度區(qū)，1號(hào)塔樓設(shè)有地下室、裙房。地下室為全嵌固地下室車庫(kù)，3層。裙樓7層為綜合大型商業(yè)，其中第7層為轉(zhuǎn)換層。1號(hào)塔樓為商業(yè)住宅，塔樓35層，層高2.8m，結(jié)構(gòu)總高度135m。本工程采用部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)。上部塔樓采 用鋼筋混凝土剪力墻；下部裙樓為鋼筋混凝土框架-剪力墻，部分框支。裙樓采用雙重抗側(cè)力體系，鋼筋混凝土剪力墻作為第1道防線，框架作為第2道防線。

裙樓為多層商場(chǎng)屬乙類建筑。其抗震措施應(yīng)提高1度，按7度確定。塔樓部分為商住樓，屬丙類建筑，其抗震措施按6度確定。本工程為超A級(jí)高度、高位轉(zhuǎn)換的復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系，根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2010第3.11.1條，結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)分為A、B、C、D四個(gè)等級(jí)。本工程選用C級(jí)性能目標(biāo)。即多遇地震、設(shè)防烈度地震和預(yù)估的罕遇地震對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)抗震性能水準(zhǔn)分別為1、3、4。各性能水準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的預(yù)期的震后性能如表1所示。

表1 各性能水準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的震后性能狀況

選用C級(jí)結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)。

1.2 結(jié)構(gòu)超限情況分析

根據(jù)我國(guó)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）規(guī)定，對(duì)結(jié)構(gòu)超限情況做以下總結(jié)說(shuō)明：高度超限，為B級(jí)高度高層建筑；轉(zhuǎn)換層位于裙樓第7層，屬高位轉(zhuǎn)換；大底盤，與塔樓的偏心嚴(yán)重；裙樓有一較大洞口，使樓板有效寬度較?。凰敲娣e比裙樓面積小很多，塔樓收進(jìn)明顯；樓層扭轉(zhuǎn)效應(yīng)較明顯；由于轉(zhuǎn)換層的存在，結(jié)構(gòu)豎向側(cè)度分布不均勻。因此，1號(hào)樓結(jié)構(gòu)屬超限高層建筑。

1.3 超限結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計(jì)

前面已經(jīng)總結(jié)1號(hào)樓計(jì)算單元存在超A級(jí)高度、高位轉(zhuǎn)換、大底盤、上部樓層收進(jìn)、樓板開(kāi)洞等超限項(xiàng)。為了保證超限結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做到安全、經(jīng)濟(jì)、合理，從結(jié)構(gòu)分析和結(jié)構(gòu)抗震措施兩方面入手，保證結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能。

對(duì)超限結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要有3方面：采用3種不同力學(xué)模型的空間分析程序SATWE（2011.9）、PMSAP（2011.9）、Midas Building進(jìn)行對(duì)比校核計(jì)算，確保計(jì)算結(jié)果的可靠性；根據(jù)高規(guī)第5.1.13條規(guī)定，采用彈性時(shí)程分析法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多遇地震作用下的補(bǔ)充計(jì)算，要求所采用時(shí)程曲線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；采用EPDA（2011.9）進(jìn)行罕遇地震下的結(jié)構(gòu)的彈塑性時(shí)程反應(yīng)分析，考查結(jié)構(gòu)的大震下的性能。

對(duì)于本超限結(jié)構(gòu)的抗震措施主要有：從嚴(yán)控制結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)；裙樓采用雙重抗側(cè)力體系；優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置，合理布置剪力墻數(shù)量和位置，控制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)；增加落地剪力墻數(shù)量，盡可能的減少結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度沿高度的變化；采用增加板厚（板厚取為120mm）和次梁等方式，提高樓板的整體性，保證樓板的傳力作用。

本工程中的關(guān)鍵構(gòu)件為框支框架、底部加強(qiáng)部位剪力墻，普通豎向構(gòu)件為普通框架柱、非底部加強(qiáng)部位剪力墻，耗能構(gòu)件為框架梁、剪力墻的連梁。

針對(duì)超限設(shè)計(jì)的措施及對(duì)策：

裙樓采用雙重抗側(cè)力體系，鋼筋混凝土剪力墻作為第1道防線，框架作為第2道防線。為保證作為第2道防線的 框架具有一定的抗側(cè)力能力，通過(guò)調(diào)整使各層框架承擔(dān)的地震總剪力不小于底部總剪力的20%。

優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置，合理布置剪力墻數(shù)量和位置，控制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，使結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)指標(biāo)控制在現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的范圍內(nèi)。

調(diào)整落地剪力墻數(shù)量及位置，盡可能的減少結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度沿高度的變化，使結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)抗震性能指標(biāo)滿足現(xiàn)行規(guī)范要求

1.4 超限結(jié)構(gòu)性能化分析

本超限結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析采用PKPM-SATWE、PMSAP、MIDAS分析軟件程序進(jìn)行對(duì)比校核計(jì)算，建立分析模型如圖1所示。本分析模型地下室一層的側(cè)向剛度遠(yuǎn)大于首層的側(cè)向側(cè)度，因此滿足嵌固端的要求，嵌固端選為地下室頂板；同時(shí)將1號(hào)樓簡(jiǎn)化為單塔形式，如圖1所示。

圖1 1號(hào)塔樓分析模型

通過(guò)有限元軟件PKPM-SATWE、PMSAP、MIDAS對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行抗震性能化分析。對(duì)于此超限結(jié)構(gòu)性能化分析主要對(duì)于小震作用下結(jié)構(gòu)彈性性能分析（采用SATWEPMSAP與MIDAS對(duì)結(jié)構(gòu)振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行分析，并對(duì)彈性時(shí)程進(jìn)行分析）；同時(shí)對(duì)于中震作用下結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行分析與結(jié)構(gòu)彈塑性性能進(jìn)行分析。通過(guò)有限元軟件對(duì)比分析，對(duì)結(jié)構(gòu)性能化抗震性能做了分析。

1.5 分析結(jié)論與加強(qiáng)措施

1.5.1 本工程存在的問(wèn)題

本工程采用采用SATWE、PMSAP、MIDAS三個(gè)不同力學(xué)模型的空間分析程序得到的各項(xiàng)指標(biāo)基本一致，指標(biāo)間的規(guī)律性相同，計(jì)算結(jié)果可信。通過(guò)分析主要存在的問(wèn)題歸納為：

小震作用下，轉(zhuǎn)換層使得結(jié)構(gòu)的樓層質(zhì)量和側(cè)向剛度在轉(zhuǎn)換層位置發(fā)生突變，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的層間位移角和位移比在該處發(fā)生突變。位移比，特別是偶然偏心作用下的位移比接近規(guī)范上限。

大震作用下，1號(hào)樓的轉(zhuǎn)換層以下部分剪力墻的端柱、與剪力墻相連的框支梁、轉(zhuǎn)換層以上塔樓剪力墻底部較薄弱，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意。

樓板受力分析表明：在小震作用下，樓板平面內(nèi)的剪應(yīng)力值遠(yuǎn)小于樓板的抗剪強(qiáng)度，樓板處于彈性；而在大震作用下，部分樓板的平面內(nèi)剪應(yīng)力值超過(guò)其抗剪強(qiáng)度，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加強(qiáng)。

綜上所述，結(jié)構(gòu)具有較好的抗震性能，結(jié)構(gòu)能達(dá)到“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震性能設(shè)計(jì)目標(biāo)，結(jié)構(gòu)方案可行。

1.5.2 加強(qiáng)措施

結(jié)構(gòu)計(jì)算單元均為嚴(yán)重的不規(guī)則結(jié)構(gòu)，雖相關(guān)指標(biāo)滿足規(guī)范和規(guī)定的要求，但仍存在結(jié)構(gòu)周期較柔、有抗震薄弱部位、部分指標(biāo)接近上限等問(wèn)題。根據(jù)分析，給出如下的設(shè)計(jì)主要加強(qiáng)措施：

為了防止中震和大震下1號(hào)樓大洞口兩側(cè)樓板破壞后改變1號(hào)樓的地震力傳遞途徑，對(duì)1號(hào)樓大洞口兩側(cè)連接樓板進(jìn)行加強(qiáng)，施工圖設(shè)計(jì)時(shí)建議板厚設(shè)計(jì)為120mm以上，提高最小配筋率，采用3級(jí)鋼作為板鋼筋，配筋面積不小于雙層雙向φ10×120mm。

結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層以上塔樓底部是結(jié)構(gòu)抗震薄弱部位，要求部分采取與轉(zhuǎn)換層相同的混凝土強(qiáng)度等級(jí)和抗震等級(jí)。

根據(jù)計(jì)算分析，3棟塔樓轉(zhuǎn)換層以上塔樓底部均為薄弱層。建議施工圖設(shè)計(jì)時(shí)，該部分剪力墻墻厚增加至250mm以上，最小配筋率提高至0.35%，暗柱配筋率提高至1.5%，以提高延性，改善抗震性能。

2 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析可以看出，本工程結(jié)構(gòu)雖為復(fù)雜超限高層結(jié)構(gòu)，但通過(guò)性能化設(shè)計(jì)，進(jìn)行彈性和彈塑性分析，可以判定所選用的結(jié)構(gòu)的抗震性能，針對(duì)選擇目標(biāo)值及分析結(jié)果，采用有針對(duì)性的加強(qiáng)措施，使結(jié)構(gòu)能達(dá)到“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震性能設(shè)計(jì)目標(biāo)。

[1]呂西林，李學(xué)平.超限高層建筑工程抗震設(shè)計(jì)中的若干問(wèn)題[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2002，23（2）.

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

[3]GB50011-2010 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].中國(guó)建筑工業(yè)出版社.

[4]陳建斌，羅志遠(yuǎn).某超限高層建筑結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)分析[J].建筑結(jié)構(gòu)，2005，35（3）:66-70.