超高層相鄰結(jié)構(gòu)防碰撞設(shè)計(jì)分析
——以集商業(yè)辦公為一體的某超高層組合建筑為例

夏恩明

(廈門合立道工程設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司 福建廈門 361000)

0 引言

隨著城市人口不斷增加，而人均占有土地面積有限，為了尋求最大的土地利用率，以致很多建筑結(jié)構(gòu)建造得越來越靠近，越來越高。當(dāng)發(fā)生強(qiáng)震時(shí)，一般抗震縫間距兩側(cè)的相鄰建筑結(jié)構(gòu)會發(fā)生碰撞。如：在1985年發(fā)生的墨西哥城大地震中，在所調(diào)查的330棟發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞或者倒塌的建筑物中，超過40%發(fā)生了碰撞[1]；在1989年發(fā)生的Loma Prieta地震中，在所調(diào)查的500座建筑物中，有超200處地方發(fā)生了碰撞[2]；對2011年2月克賴斯特徹奇地震中碰撞導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)毀壞進(jìn)行了調(diào)查，在所有調(diào)查結(jié)構(gòu)中，超過6%的結(jié)構(gòu)受到了嚴(yán)重的碰撞破壞[3]。

此見，大量建筑結(jié)構(gòu)，由于地震引起的碰撞而發(fā)生破壞或倒塌。因此，如何防止間距很近的建筑物在強(qiáng)震作用下發(fā)生碰撞，或者發(fā)生碰撞后如何保證剩余結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，對于保證這些建筑物的抗震安全性具有重要意義。

對于結(jié)構(gòu)防碰撞和碰撞的研究，主要包括3個(gè)方面，第一方面：在風(fēng)荷載和中震下，保證建筑結(jié)構(gòu)不會發(fā)生碰撞，與規(guī)范的防震縫寬進(jìn)行復(fù)核；第二、復(fù)核建筑結(jié)構(gòu)在大震作用下，是否發(fā)生碰撞；第三、大震發(fā)生碰撞后，怎樣模擬碰撞的荷載及采用措施，確保整體(局部)穩(wěn)固性，防止出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌。

1 工程概況

1.1 建筑概況

某超高層是集商業(yè)、辦公為一體的超高層組合建筑。該棟建筑用地面積約14 000.37m2，總建筑面積148 252.04m2。該樓建筑高度139.450m，上部分為兩個(gè)單元，裙房部分縫寬為100mm，裙房以上兩個(gè)單元之間縫寬為600mm～700mm。項(xiàng)目效果圖如圖1所示。

1.2 結(jié)構(gòu)概況

其中，單元1結(jié)構(gòu)高寬比約3.65,結(jié)構(gòu)長寬比約1.09；單元2結(jié)構(gòu)高寬比約3.64,結(jié)構(gòu)長寬比約1.09。該項(xiàng)目的基本風(fēng)壓取50年一遇0.70kN/m2(超高層計(jì)算構(gòu)件強(qiáng)度時(shí)取基本風(fēng)壓的1.1倍為0.77kN/m2)，風(fēng)壓高度變化系數(shù)按A類地面粗糙度采用?？拐鹪O(shè)防烈度按7度考慮，設(shè)計(jì)地震分組為第三組(設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.15g)，多遇地震(小震)下場地特征周期為0.45s(安評報(bào)告提供的場地特征周期為0.50s)，場地類別為Ⅱ類。

主樓采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，兩個(gè)單元的體型，剛度及高度基本一致，單元1逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90o，即得到單元2的布置。樓面結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土梁板樓面體系，框架梁截面為400×800～450×1000mm，250×500～800mm，樓板厚度120mm～130mm，布置如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層平面布置

2 結(jié)構(gòu)分析

2.1 風(fēng)荷載和小震作用下結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移分析

該工程主體結(jié)構(gòu)采用中國建筑科學(xué)研究院PKPM CAD工程部開發(fā)的PKPM系列軟件SATWE計(jì)算，并采用YJK軟件補(bǔ)充計(jì)算校核。

分別利用以上兩個(gè)計(jì)算軟件，采用考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)的振型分解反應(yīng)譜法(CQC)計(jì)算兩個(gè)單元在風(fēng)荷載和小震下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，以驗(yàn)證規(guī)范的吻合性。

分析對比SATWE與YJK兩個(gè)程序的計(jì)算結(jié)果基本一致，僅在數(shù)值上有細(xì)微差異，如表1所示。

表1 風(fēng)荷載和小震結(jié)構(gòu)頂層最大絕對移

該項(xiàng)目整體比較規(guī)則，剛度比較均勻，從表1可以得出，小震作用下X、Y方向的結(jié)構(gòu)位移大于風(fēng)荷載工況下的位移，變形縫縫寬由地震作用控制。

2.2 中震作用下結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移分析

為了防止房屋在地震中可能發(fā)生的碰撞，防震縫的凈寬度宜大于兩側(cè)結(jié)構(gòu)允許地震(中震)水平位移之和[4]。根據(jù)PKPM計(jì)算出來的中震下的位移如表2所示。

表2 中震下的各層位移 mm

兩個(gè)單元在X向、Y向、45°地震作用下發(fā)生的位移得出，兩個(gè)單元存在相對運(yùn)動(dòng)情況。這意味著，在這種情況下，兩個(gè)單元發(fā)生碰撞的可能性最大。一般工程師認(rèn)為，中震下兩棟建筑的位移應(yīng)該相加得出最不利防震防寬度。從圖7～圖10可知，其實(shí)，兩棟鄰近的超高層，由于其結(jié)構(gòu)特性及地震頻譜等均基本相同，在地震作用下，兩棟建筑基本互為90°同相位振動(dòng)，所以，其最大位移不能簡單地直接相加。

從表可以看出，中震下頂層樓面Y向位移最大375mm，小于700mm，中震下不會發(fā)生碰撞。根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[2](JGJ3-2010)3.4.10條房屋高度為139.45m，防震縫寬度為[(139.45-15)/4×20+100]×70%=505.6mm>375mm(中震下的位移)，對于結(jié)構(gòu)高度和特性基本相當(dāng)?shù)膬沙邔咏ㄖ?，?guī)范防震縫寬度的取值是完全合理的。該項(xiàng)目根據(jù)與建筑專業(yè)人員溝通，最終采用柱子變截面及邊梁偏位等措施，設(shè)置圖3示意的防震縫寬度，可以有針對性地避免中震下的碰撞，及減少大震可能碰撞的區(qū)域。

圖3 防震縫示意圖

3 大震作用下分析及防倒塌設(shè)計(jì)

3.1 碰撞位置分析

對重要工程或結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度較小的工程，以及扭轉(zhuǎn)不規(guī)則程度較高的工程等，宜根據(jù)工程需要按大震位移確定防震縫的寬度[4]。但要是根據(jù)大震位移來確定防震縫的寬度，場地原因、建筑定性問題、建筑立面處理困難等原因，防震縫寬度無法按大震作用下位移來確定。從表3可知，在大震作用下，兩棟建筑仍存在碰撞的可能?；凇叭齻€(gè)水準(zhǔn)”的抗震設(shè)防目標(biāo)，即“小震不壞、中震可修、大震不倒”[4]，結(jié)構(gòu)分析可能碰撞的區(qū)域及防倒塌設(shè)計(jì)。

本文通過YJK動(dòng)力彈塑性分析，選用2條天然波(San Fernando_NO_68、Chi-Chi, Taiwan-04_NO_2699)，1條人工波(ArtWave-RH4TG055)，各波的波形圖如圖4～圖6所示。

圖4 San Fernando_NO_68波形

圖5 Chi-Chi,Taiwan-04_NO_2699波形

圖6 ArtWave-RH4TG055波形

分別計(jì)算了單元1和單元2在大震下(最大地震影響系數(shù)取0.72)的樓層位移，如表3所示。

表3 大震下樓層位移值

圖7～圖10是單元1和單元2的平面振型圖，各圖中矩形框示意其立面碰撞區(qū)域。

圖7 單元1向Y向平動(dòng)

圖8 單元2向Y向平動(dòng)

圖9 單元1扭轉(zhuǎn)

圖10 單元2扭轉(zhuǎn)

圖11 軸側(cè)圖

圖12 軸側(cè)圖

根據(jù)表3和圖7～圖10可知，兩個(gè)單元在強(qiáng)烈地震作用下發(fā)生的位移得出，兩個(gè)單元存在互為90°地震反應(yīng)(單元1沿X向，單元2沿Y向；單元1沿Y向，單元2沿X向)。在這種情況下，兩個(gè)單元仍然可能發(fā)生碰撞。由于該項(xiàng)目單元1和單元2兩者結(jié)構(gòu)布置互為90°結(jié)構(gòu)特性基本相同，從表3可以看出，在大震下1單元21層及以上樓層樓面的位移大于700mm，2單元27層以上樓層樓面的位移大于700mm，該部分在大震下可能碰撞。從圖7和圖8可知平動(dòng)引起的碰撞區(qū)域?yàn)閮蓡卧徑蚣芰?、柱首?dāng)其沖；從圖9和圖10可知，扭轉(zhuǎn)引起的碰撞區(qū)域?yàn)閮蓡卧徑蚣芰骸＞C上所述，碰撞直接作用的區(qū)域最為薄弱，應(yīng)注意加強(qiáng)設(shè)計(jì)。

通過設(shè)置600mm～700mm變形縫寬度，既能保證中震作用下，兩棟建筑不會碰撞，又能最大限度地減少大震相互碰撞的影響，而且可以確保縫寬不至于過大造成建筑立面處理困難。基此，設(shè)計(jì)最后采取相應(yīng)的加強(qiáng)措施，保證大震作用下結(jié)構(gòu)的安全、提高防倒塌能力，如圖11～圖12所示。

3.2 碰撞防倒塌措施

兩棟建筑碰撞導(dǎo)致局部結(jié)構(gòu)破壞失效時(shí)，如果整體結(jié)構(gòu)不能形成有效的多重荷載傳遞路徑，破壞范圍就可能沿水平或者豎向方向蔓延，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生大范圍的倒塌甚至是整體倒塌[4]。

第一：該項(xiàng)目對大震下碰撞后，塑性鉸的形成可能導(dǎo)致梁板的受力模式由受彎為主逐漸轉(zhuǎn)向拉彎為主，對圖13中27層及以上樓層的KL1、KL2和與之相連樓板加大通長筋，并全長加大加密箍筋，保證梁形成塑性鉸后不至于整片倒塌，同時(shí)梁柱增設(shè)芯柱，以增加梁柱的延性。

圖13 單元1和單元2防震縫處局部結(jié)構(gòu)示意圖

第二：取消對大震下碰撞的框架柱及框架梁，重新計(jì)算并加強(qiáng)碰撞區(qū)域外周邊鄰近的梁柱及樓板的配筋，保證大震彈塑性情況下的層間位移角控制在1/100內(nèi)，以防止受直接碰撞區(qū)域局部構(gòu)件的損壞導(dǎo)致周邊構(gòu)件承載力失效。

4 結(jié)論

(1)通過合理設(shè)置變形縫，使平面嚴(yán)重不規(guī)則的建筑，成為兩個(gè)平面規(guī)則、動(dòng)力特性相近的獨(dú)立結(jié)構(gòu)單元，可有效減少結(jié)構(gòu)碰撞破壞。

(2)通過對超高層抗震縫的研究，防震縫的寬度不能簡單地以中震下的位移矢量和，還應(yīng)結(jié)合兩個(gè)結(jié)構(gòu)單元的動(dòng)力特性深入分析，根據(jù)振動(dòng)模態(tài)(同向、相向、轉(zhuǎn)動(dòng)等)確定合理的防震縫寬度。

(3)通過大震的動(dòng)力彈塑性分析，找出可能的碰撞區(qū)域，并對碰撞區(qū)域的構(gòu)件進(jìn)行“弱化處理、內(nèi)力轉(zhuǎn)移”，加強(qiáng)碰撞區(qū)域外周邊構(gòu)件，提高抗碰撞倒塌的能力，保證“大震不到”的抗震目標(biāo)。