淺析某連體結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計

劉 洋

(軍委政治工作部房地產(chǎn)管理處,北京 100035)

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淺析某連體結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計

劉 洋

(軍委政治工作部房地產(chǎn)管理處,北京 100035)

結(jié)合高烈度區(qū)某雙塔連體結(jié)構(gòu)項(xiàng)目,詳細(xì)闡述了雙塔連體結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)布置、連體結(jié)構(gòu)力學(xué)模型的建立,通過不同力學(xué)模型計算分析其受力性能和相互影響,探討了連體結(jié)構(gòu)在水平地震和豎向地震作用下的動力反應(yīng)特性;并針對結(jié)構(gòu)的薄弱部位和關(guān)鍵構(gòu)件提出了抗震設(shè)計時的加強(qiáng)措施和方法,從而為類似的工程計算和分析設(shè)計提供了參考。

連體結(jié)構(gòu);豎向不規(guī)則;彈性膜;豎向地震;桁架結(jié)構(gòu)

連體結(jié)構(gòu)是指兩個塔樓或多個塔樓由設(shè)置在一定高度處的連接體相連而組成的建筑物。影響連體高層結(jié)構(gòu)靜力、動力受力特性的主要因素包括：塔樓的結(jié)構(gòu)形式；塔樓的對稱性；連接體的剛度、數(shù)量及位置；連接體與塔樓的連接方式；豎向地震效應(yīng)；風(fēng)荷載脈動效應(yīng)等[1-2]。

1 工程概況

某大型綜合樓由兩個對稱雙塔形成的連體組成,地下2層,地上8層,南北純地下室為車庫及設(shè)備用房,首層層高5.1 m,以上各標(biāo)準(zhǔn)層4.2 m,雙塔分別在第6層和第8層設(shè)置連接體,其中第6層采用鋼桁架形式(兩端剛接),第8層受建筑空間限制采用組合鋼梁形式(兩端固定鉸接),地上部分主要為辦公以及會議室等功能,總建筑面積約5萬m2。

本工程結(jié)構(gòu)安全等級為二級,設(shè)計使用年限為50年?？拐鹪O(shè)防烈度為8度,設(shè)計基本加速度值為0.20 g,設(shè)計地震分組為第二組,抗震設(shè)防分類為丙類,建筑場地類別為Ⅲ類,地基承載力特征值為200 kPa,采用梁板式整體式筏板基礎(chǔ)；上部結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架-剪力墻,連體部分分別采用了鋼桁架以及組合鋼梁。結(jié)構(gòu)空間模型見圖1、圖2。

圖1 結(jié)構(gòu)計算模型

圖2 連接體局部放大圖

2 結(jié)構(gòu)方案

2.1 結(jié)構(gòu)布置

兩側(cè)塔樓均采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系,塔樓縱向柱網(wǎng)為8.4 m,共6跨,橫向3 m×8.4 m,共3跨?？蚣苤鶖嗝妫旱叵虏糠?00 mm×900 mm,地上部分800 mm×800 mm；標(biāo)準(zhǔn)層框架梁450 mm×700 mm,剪力墻厚度:地上4層(含)以下450 mm,地上4層以上350 m。豎向構(gòu)件的混凝土強(qiáng)度等級由C55過渡到C40,梁、板以及樓梯構(gòu)件均采用C35混凝土。

在左右兩個塔樓的第6層,通過設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)連廊來實(shí)現(xiàn)兩個塔樓之間的聯(lián)系,連體采用鋼桁架作為主要的承重體系,通過設(shè)置水平布置的樓板以及交叉水平支撐,形成較強(qiáng)的整體剛度,來實(shí)現(xiàn)與兩個塔樓之間的可靠連接與內(nèi)力傳遞。桁架跨度為25.2 m。連接桁架上下端部與塔樓框架柱剛性連接。

2.2 加強(qiáng)措施

1)調(diào)整兩個塔樓的抗側(cè)剛度,減小雙塔整體計算時結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)位移過大以及連體部分產(chǎn)生過大應(yīng)力。

2)連接體共設(shè)4榀豎向鋼桁架,且上下弦分別與第7層和第6層樓面鉸接,桁架之間設(shè)置水平系桿和交叉水平支撐,與樓板構(gòu)成整體,使連接體具有足夠的豎向和水平方向的抗彎、抗剪剛度以及軸向剛度,在滿足承載能力的基礎(chǔ)上,滿足連接體樓層的舒適度要求。

3)鋼桁架采用整層的桁架結(jié)構(gòu),弦桿和腹桿均為箱型截面,桁架上弦與端部的混凝土柱均為鉸接。連接體部分的樓面主梁采用焊接寬翼緣H鋼,并與桁架弦桿剛接。

4)連接體的4榀桁架直接相連的框架柱均采用型鋼混凝土柱全部落地,柱子的抗震等級由二級提高到一級,同時向內(nèi)延伸一跨的框架柱(包括墻肢端柱)在連接體上下各一層范圍內(nèi)設(shè)置型鋼,以增強(qiáng)柱的承載力并提高其延性;同時與型鋼柱相連的樓面梁采用型鋼混凝土梁,以保證連接的可靠性。

對于多塔連體結(jié)構(gòu)中連體部分與主塔之間的連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計部位,根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(JGJ 3—2011)》(以下簡稱《高規(guī)》)要求,連體結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行抗震性能化設(shè)計,連體部分應(yīng)該豎向地震組合,連體部分構(gòu)件與節(jié)點(diǎn)設(shè)計宜按中震彈性進(jìn)行設(shè)計[3-4]。

3 結(jié)構(gòu)計算分析

該工程采用SATWE和ETABS兩個力學(xué)模型軟件進(jìn)行多遇地震下的內(nèi)力和變形分析,并對計算結(jié)果進(jìn)行對照分析和包絡(luò)設(shè)計。結(jié)構(gòu)抗震分析時,按照不規(guī)則結(jié)構(gòu),考慮雙向地震和偶聯(lián)效應(yīng),取前24階振型,以保證質(zhì)量參與系數(shù)不小于90%。

同時采用彈性時程分析法進(jìn)行多遇地震作用的補(bǔ)充計算,取多條時程曲線計算結(jié)果的平均值和反應(yīng)譜法計算的較大值[3-4]。

計算模型分析：

根據(jù)本工程實(shí)際情況,建模過程中做了以下模擬,以保證結(jié)構(gòu)安全。

1)施工順序,本工程主樓施工完成后,再進(jìn)行連接體施工,主樓各層—連接體頂層—連接體桁架層。

2)計算時,桁架上下弦樓板定義為彈性板,以計算出設(shè)計需要的桿件內(nèi)力。多遇地震和風(fēng)荷載作用下,樓板拉應(yīng)力不超過混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

3)小震作用下,按照規(guī)范提供的簡化方法補(bǔ)充考慮連體部位豎向地震。

4)按照“中震彈性”補(bǔ)充計算連接體鋼構(gòu)件內(nèi)力以及直接與連接體相連接的框架梁柱。

3.1 主要計算結(jié)果

采用合適的樓板假定(彈性膜)保證小震下結(jié)構(gòu)處于彈性階段。SATWE程序計算結(jié)果是工程設(shè)計的主要依據(jù),ETABS程序計算結(jié)果則作為設(shè)計校核的補(bǔ)充依據(jù)。計算結(jié)果表明,自振周期在合理范圍內(nèi),結(jié)構(gòu)周期比小于0.85,位移比以及位移角均滿足《高規(guī)》要求。部分計算結(jié)果見表1、表2。

表1 結(jié)構(gòu)自振周期計算結(jié)果對比

表2 地震下結(jié)構(gòu)變形參數(shù)結(jié)果比較

3.2 結(jié)構(gòu)的彈性時程分析

采用SATWE軟件按照建筑場地類別和設(shè)計地震分組,選擇兩組實(shí)際的地震記錄和一組人工模擬加速度時程進(jìn)行結(jié)構(gòu)彈性時程分析。輸入地震加速度最大值70 cm/s2,并按1∶0.85考慮雙向地震輸入。計算結(jié)果見表3。

表3 彈性時程分析結(jié)果

3.3 專項(xiàng)分析

3.3.1 單塔計算

根據(jù)規(guī)范要求,當(dāng)剛性連接的連接體部分樓板較薄弱時,宜補(bǔ)充連接體兩側(cè)塔樓的單體計算和承載力復(fù)合,即假定雙塔之間連廊發(fā)生破壞,兩側(cè)的塔樓形成獨(dú)立的抗震單元,以保證結(jié)構(gòu)整體安全,防止連續(xù)性倒塌。兩塔樓單獨(dú)建模計算,作為整體模型結(jié)果的補(bǔ)充,滿足“大震不倒”的原則。

3.3.2 連接體部位樓板應(yīng)力分析

連接體部位樓板應(yīng)力分析見圖3、圖4。

圖3 X方向地震樓板應(yīng)力

圖4 Y方向地震樓板應(yīng)力

3.3.3 連接體桁架應(yīng)力分析

1)小震作用下桁架桿件應(yīng)力比見圖5。

2)中震作用下桁架桿件應(yīng)力比見圖6。

4 抗震措施

本工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計基本能滿足規(guī)范要求的“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。但是在抗震設(shè)計中更重要的是概念設(shè)計,即所謂“三分計算,七分構(gòu)造”,因此，還應(yīng)當(dāng)應(yīng)用工程經(jīng)驗(yàn)和通過計算分析對發(fā)現(xiàn)的薄弱部位采取加強(qiáng)措施。

圖5 小震作用下桁架桿件應(yīng)力比

為保證在水平地震作用下連接體部位樓層剪力的有效傳遞,增強(qiáng)塔樓之間的協(xié)同工作性能,對連接體采取如下加強(qiáng)措施：

1)連接體頂層和底層(即鋼桁架的上弦層和下弦層)采用組合樓蓋,板厚150 mm,連接體兩塔樓第一跨范圍板厚度200 mm。連接體部位樓板按照內(nèi)力包絡(luò)值進(jìn)行配筋設(shè)計。

2)連接體樓板下設(shè)置交叉鋼支撐,與樓板共同傳遞水平力,增強(qiáng)連體的整體抗彎、抗剪和軸向變形能力,使連接體部分的樓層與主樓盡量符合剛性板假定。

圖6 中震作用下桁架桿件應(yīng)力比

3)對應(yīng)于連接體上下弦的樓層的縱向框架梁配筋適當(dāng)加強(qiáng),并保證縱筋全部通長設(shè)置。

5 結(jié) 語

本文以某雙塔連體結(jié)構(gòu)為背景,對復(fù)雜高層連體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗震設(shè)計和研究,加強(qiáng)連接體以及與連接體相連的構(gòu)件的構(gòu)造設(shè)計,一般情況下,連接體與主體的連接要用剛性連接?？缍却髸r,可采用鋼桁架,以便減輕結(jié)構(gòu)自重和方便施工。

根據(jù)本工程的復(fù)雜性特點(diǎn),對關(guān)鍵環(huán)節(jié)和重要部位進(jìn)行了性能化設(shè)計。通過概念設(shè)計和彈性、 彈

塑性分析計算,以及多種抗震構(gòu)造措施的運(yùn)用,結(jié)構(gòu)物滿足了小震、中震和大震作用下各項(xiàng)指標(biāo)的要求。

[1] 沈蒲生. 多塔與連體高層結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

[2] 唐興榮.特殊和復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[3] 中國建筑科學(xué)研究院.GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2010.

[4] 中國建筑科學(xué)研究院.JGJ 3—2011高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2011.

Brief Analysis on the Seismic Design of a Connected Structure

LIUYang

2016-09-28

劉 洋(1977—)，男，湖南衡陽人，工程師，從事建筑工程管理工作。

TU352.1

B

1008-3707(2016)11-0021-03