“C”型平面高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析與調(diào)整措施探討

秦家田，查春光，齊榮慶

(1.中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100007；2.北京新京潤(rùn)房地產(chǎn)有限公司，北京 100022；3.西南林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，昆明 650224)

1 工程概況

某辦公綜合樓地下兩層，局部設(shè)有夾層，地上十四層。地上主要功能為辦公，地下室部分為汽車(chē)庫(kù)、自行車(chē)庫(kù)以及設(shè)備用房等。地下部分與整體地下室連為一體；地上部分為獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元，首層樓面室內(nèi)外高差150 mm。地面以上結(jié)構(gòu)高度：58.950 m，樓板平面尺寸約101×58(m)。地上結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓屋蓋。

結(jié)構(gòu)平面外輪廓為矩形。二層～十二層平面由于一側(cè)帶有很大的凹進(jìn)而成為“C”型，凹進(jìn)開(kāi)口處寬度33.6 m，凹進(jìn)深度41.6 m，“C”型兩個(gè)伸臂長(zhǎng)度與伸臂方向結(jié)構(gòu)總長(zhǎng)之比l/Bmax約為0.72[1-2]。十三、十四及屋頂將開(kāi)口處采用與層高等高的鋼桁架梁和壓型鋼板加現(xiàn)澆鋼筋混凝土組合樓板連接，平面成為樓板開(kāi)洞的“回”形結(jié)構(gòu)。屋頂中央開(kāi)洞處為采光屋面，該部分采用張弦梁輕鋼結(jié)構(gòu)，采光屋面標(biāo)高60.8 m。

本建筑外墻采用玻璃幕墻體系，屋頂采用鋼結(jié)構(gòu)玻璃采光屋面(局部)，對(duì)該部分做了相關(guān)結(jié)構(gòu)體系與型式的布置，計(jì)算中考慮了該部分荷載。結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層平面圖如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層平面圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50 a，安全等級(jí)為二級(jí)，抗震設(shè)防類(lèi)別為一般設(shè)防類(lèi)。場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10 g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地土層等效剪切波速Vse=110.2～113.1 m/s，建筑場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅲ類(lèi)，場(chǎng)地特征周期為0.47 s?；撅L(fēng)壓為0.45 kN/ m2(按100a一遇)，地面粗糙度類(lèi)別為C類(lèi)。

柱墻混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35至C50，梁板混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，縱向鋼筋選用HRB400，箍筋選用HPB235，鋼材選用Q235B。

3 主要計(jì)算結(jié)果

選用中國(guó)建筑科學(xué)研究院的PKPM-SATWE(2009年07月版)軟件進(jìn)行計(jì)算分析[3-5]。將地上各層與地下室合并為整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模計(jì)算，考慮到結(jié)構(gòu)首層樓面與(車(chē)庫(kù))地下部分頂板存在1.50 m高差，故將地下室剪力墻體進(jìn)行加強(qiáng)，使結(jié)構(gòu)地下一層與相鄰上一層的剛度比大于2倍，滿足地下一層頂板作為嵌固端的要求，因此該結(jié)構(gòu)范圍以外的地下結(jié)構(gòu)未輸入在計(jì)算模型內(nèi)[6-7]。

計(jì)算結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)樓層質(zhì)量分布均勻，無(wú)異常突變；結(jié)構(gòu)在地震及風(fēng)荷載作用下的剪重比能滿足《高規(guī)》3.3.13條要求[8]；結(jié)構(gòu)各層剪重比均滿足規(guī)范要求；水平地震作用下，框架柱所承擔(dān)的傾覆彎矩小于50%總傾覆彎矩，滿足《高規(guī)》8.1.3條要求；結(jié)構(gòu)能夠通過(guò)《高規(guī)》5.4.4條規(guī)定的整體穩(wěn)定驗(yàn)算，剛重比大于《高規(guī)》5.4.1條規(guī)定不考慮重力二階效應(yīng)不利影響的剛重比限值，不需要考慮重力二階效應(yīng)。

SATWE計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)前3個(gè)振型對(duì)應(yīng)的周期見(jiàn)表1。X、Y方向的振型參與質(zhì)量系數(shù)分別為99.81%和99.50%，均滿足規(guī)范不小于90%的要求。結(jié)構(gòu)的第一扭轉(zhuǎn)周期與第一平動(dòng)周期之比為0.834，滿足規(guī)范周期比要求。

表1 結(jié)構(gòu)周期

主要超限計(jì)算結(jié)果如下。

3.1 結(jié)構(gòu)位移和位移比指標(biāo)

結(jié)構(gòu)主要位移指標(biāo)見(jiàn)表2及表3。地震作用下層位移角如圖2所示。在地震作用下，樓層位移及層間位移角很小，能夠滿足規(guī)范要求，且位移比數(shù)值也能滿足規(guī)范嚴(yán)格限值要求。在風(fēng)荷載作用下，位移指標(biāo)滿足規(guī)范嚴(yán)格限值要求。

表2 地震作用下的最大層間位移角

表3 風(fēng)荷載作用下的最大層間位移角

3.2 結(jié)構(gòu)層間剛度比分析

結(jié)構(gòu)各層側(cè)移剛度與上一層側(cè)移剛度70%或上三層側(cè)移剛度平均值80%的比值中較小值如圖3所示，結(jié)構(gòu)各層剛度比均大于1，不存在薄弱層，剛度比滿足規(guī)范要求；結(jié)構(gòu)的剛心分布如圖4所示。可見(jiàn)，結(jié)構(gòu)剛度分布合理，不存在薄弱層。

圖2 地震作用下層間位移角

圖3 上部層間結(jié)構(gòu)剛度比

圖4 結(jié)構(gòu)的剛心分布

3.3 結(jié)構(gòu)層間抗剪承載力比分析

各樓層本層與上一層的抗剪承載力之比如圖5所示，從圖中可見(jiàn)各樓層抗剪承載力變化較為均勻，每層的抗剪承載力都不小于上一層的65%，都能滿足《高規(guī)》4.4.3條的規(guī)定。地上個(gè)別樓層(計(jì)算層號(hào)：5、12、15)本層與上一層的抗剪承載力之比略小于80%，相應(yīng)抗剪承載力偏小。

圖5 各樓層本層與上一層抗剪承載力之比

4 結(jié)構(gòu)分析與調(diào)整

本工程高度較低，結(jié)構(gòu)體系比較簡(jiǎn)單，傳力途徑明確，但結(jié)構(gòu)平面布置存在一定缺陷。整體計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范要求，但一些局部構(gòu)件的反應(yīng)也存在超出規(guī)范一般性限值(即規(guī)范條文中規(guī)定的不宜超出的指標(biāo))。對(duì)這些存在的問(wèn)題需做出分析、判斷，進(jìn)行必要的調(diào)整和采取對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)措施。

4.1 結(jié)構(gòu)平面布置存在的缺陷

結(jié)構(gòu)布置方面：結(jié)構(gòu)平面基本呈矩形，外圍周邊有挑出，挑出邊緣為弧線，由于樓板邊緣為弧線半徑很大，結(jié)構(gòu)平面仍屬于矩形平面。主入口部位凹入，且凹入延續(xù)至十二層樓面，形成較大平面凹凸，屬平面凹凸不規(guī)則[9-10]。十三、十四及屋頂，主入口上方設(shè)有樓層(共兩層)，形成樓板開(kāi)大洞。洞口為43.8×24.6(m)矩形洞口，洞口較大，但未超過(guò)規(guī)范限值。見(jiàn)表4。

結(jié)構(gòu)整體計(jì)算結(jié)果方面：樓層位移指標(biāo)滿足規(guī)范要求，樓層位移比超過(guò)規(guī)范1.2的一般性限值，但不大于規(guī)范嚴(yán)格限值1.5，見(jiàn)表5。樓層沿豎向剛度相對(duì)均勻，滿足規(guī)范要求，樓層計(jì)算抗剪承載力有部分層略小，其與相鄰上層之比小于80%，但大于65%，超出規(guī)范一般性限值。見(jiàn)表6。

4.2 結(jié)構(gòu)不規(guī)則情況分析

按照現(xiàn)結(jié)構(gòu)布置情況和計(jì)算分析結(jié)果，與規(guī)范技術(shù)指標(biāo)比對(duì)，存在三項(xiàng)不規(guī)則，即平面特別不規(guī)則以及結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)、樓層抗剪承載力一般性不規(guī)則。

按照結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)，本工程的確存在一個(gè)明顯的缺陷，即平面凹凸特別不規(guī)則。“C”型平面的雙軸有明顯的強(qiáng)弱之分，抗扭能力較矩形平面(包括凸多邊形)弱。計(jì)算結(jié)果中，前三周期呈雙向平動(dòng)加扭轉(zhuǎn)和角位移比略大均由“C”型平面引起。頂部三層樓面開(kāi)洞指標(biāo)雖然滿足規(guī)范限值，但已很接近限值，特別是洞口長(zhǎng)、寬比更為接近。

表4 結(jié)構(gòu)平面情況

表5 結(jié)構(gòu)樓層位移情況

表6 樓層抗剪承載力情況

5 結(jié)構(gòu)調(diào)整加強(qiáng)措施

根據(jù)上述分析，針對(duì)相關(guān)問(wèn)題提出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的加強(qiáng)措施，以改善結(jié)構(gòu)性能，保證安全。

5.1 框架柱提高要求

由于本工程存在著平面特別不規(guī)則以及結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)、樓層抗剪承載力一般性不規(guī)則；適當(dāng)提高其結(jié)構(gòu)抗剪承載能力是必要的。同時(shí)考慮本工程結(jié)構(gòu)高度為58.950 m，接近規(guī)范中框架抗震墻結(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)為二級(jí)的60 m分界要求的規(guī)定。因此本工程框架的計(jì)算采用抗震等級(jí)為二級(jí)，且其縱筋、箍筋的配置要求按照二級(jí)框架的抗震構(gòu)造措施設(shè)計(jì)。

5.2 開(kāi)大洞層樓板配筋構(gòu)造要求

開(kāi)大洞樓層，即十三、十四及屋頂層，樓板采用雙層雙向通長(zhǎng)配筋。配筋量在滿足樓板豎向荷載承載力要求下，增加0.4%，樓板上下配筋各增加0.2%。

鋼梁部位樓板較薄，樓板配筋滿足基本構(gòu)造和豎向荷載承載力要求，不增加配筋，樓板下加設(shè)型鋼水平支撐。

5.3 5、12及15層墻體、框架柱配筋調(diào)整

整體計(jì)算結(jié)果中，程序給出5、12、15層(計(jì)算樓層編號(hào))樓層抗剪承載力本層與上層的承載力比值分別為0.80、0.71、0.72，不滿足規(guī)范0.8限值。由于目前樓層抗剪承載力比值小于規(guī)范要求不多，因此根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》第3.4.3條有關(guān)規(guī)定，統(tǒng)籌考慮相鄰層配筋并適當(dāng)調(diào)整本層剪力墻、框架的實(shí)際配筋，通過(guò)提高本層剪力墻、框架柱抗剪承載力，增加結(jié)構(gòu)延性，同時(shí)注意與相鄰的下層受剪承載力比值，以保證相鄰各層均能滿足規(guī)范要求，避免形成新的薄弱樓層。在結(jié)構(gòu)程序Satwe計(jì)算中選擇五、十二、十五層為結(jié)構(gòu)薄弱層，根據(jù)規(guī)范條文要求自動(dòng)調(diào)整該層的配筋量，增加結(jié)構(gòu)的變形能力。

6 結(jié) 論

(1)結(jié)構(gòu)按反應(yīng)譜進(jìn)行彈性分析時(shí)，結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)樓層剛度和質(zhì)量分布均勻；結(jié)構(gòu)剛度分布合理，變化均勻，不存在薄弱層；結(jié)構(gòu)剪重比滿足規(guī)范要求；結(jié)構(gòu)在規(guī)定風(fēng)荷載(一百年一遇)及地震作用下，存在一定超出規(guī)范一般限值要求項(xiàng)，但均滿足較為嚴(yán)格的規(guī)定要求。

(2)在設(shè)計(jì)平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)時(shí)，為降低平面不規(guī)則給結(jié)構(gòu)所帶來(lái)的不利影響，可采取提高框架柱抗震等級(jí)、增加樓板配筋和增加結(jié)構(gòu)薄弱層剪力墻及框架柱的配筋三種措施進(jìn)行調(diào)整。

【參 考 文 獻(xiàn)】

[1]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.JGJ3-2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程條文說(shuō)明[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

[2]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

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