某超限高層建筑抗震設計分析

朱正西

摘 要 本工程屬于超限高層建筑，存在多項不規(guī)則項，針對不規(guī)則項采取相應的構造措施，并選取合理的計算軟件及計算方法進行抗震分析，確保抗震設防滿足要求，為類似工程提供參考。

關鍵詞 超限高層;結(jié)構方案;抗震設計;構造措施

引言

高層建筑結(jié)構方案選型跟結(jié)構安全、經(jīng)濟、功能使用息息相關，合理選型至關重要?，F(xiàn)代建筑越來越注重建筑使用功能，造成結(jié)構上的局部不規(guī)則，容易形成抗震薄弱部位，結(jié)構設計時應重點關注不規(guī)則部分，并采取相應的構造措施[1]。

1工程概況

本工程為商業(yè)高層辦公樓，帶兩層地下室，地下二層為機動車庫，層高5.1m，地下一層自行車庫，層高5.7m，地上底部三層為商鋪，層高分別為5.7m、4.5m、4.5m，商鋪通過連橋與大商業(yè)綜合體連接，四層設設備夾層，層高2.15m，標準層為辦公，層高4.5m，建筑總共16層，建筑高度75m，標準層平面尺寸56×30m。該工程位于一般抗震設防地段，建筑場地類別為三類，抗震設防烈度7度（0.1g），屬于標準設防類建筑。本工程采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構體系，框架和剪力墻抗震等級均為二級，底層主要剪力墻厚450mm，主要柱截面900×900mm，底層墻柱混凝土強度等級C60。該工程標準層平面存在樓板開洞后有效樓板寬度為該層樓面寬度45%，經(jīng)計算后平面最大扭轉(zhuǎn)位移比達到1.35，有6根標準層柱在設備層轉(zhuǎn)換，造成豎向構件不連續(xù)，同時設備層高度達到建筑總高度的19.4%，商鋪柱網(wǎng)在設備層收進，最大收進尺寸達到40%，所以，本工程存在三項不規(guī)則項，屬于不規(guī)則高層建筑，應進行抗震超限專項審查[2]。

1.1 主要結(jié)構方案

本工程采用塔樓部分鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構體系，局部底商采用框架結(jié)構。剪力墻集中布置在兩個樓梯間，形成兩個核心筒體，核心筒體間間距29m，底層核心筒外圍剪力墻墻厚450mm，到標準層墻厚收到300mm，內(nèi)側(cè)樓電梯剪力墻墻厚200mm，塔樓部位底層標準柱網(wǎng)8.4m，框架柱截面700×700～900×900mm，到標準層收到600×600mm，底層墻柱混凝土強度C60，到標準層逐漸變到C30。一層采用結(jié)構大板布置，不設次梁，板厚取180mm，二～三層底商結(jié)構布置采用單次梁布置，梁高根據(jù)跨度選取，板厚120mm，標準層結(jié)構布置采用雙次梁布置，次梁布置在建筑墻體位置，保證房間不露梁，板厚120mm。底商二、三層與大商業(yè)相連的連橋采用鋼結(jié)構設計，一端設計鉸接支座，一端設滑動支座。本工程塔樓部分基礎采用800mm鉆孔灌注樁（樁端后注漿），樁長27m，樁端持力層粉砂層，單樁抗壓承載力特征值4300kN，裙房部分基礎采用600mm鉆孔灌注樁，樁長27m，樁端持力層粉砂層，單樁抗壓承載力特征值1900kN，抗拔承載力特征值950kN。塔樓柱下三樁、四樁承臺，核心筒采用樁筏基礎，核心筒筏板厚度1000mm，其余部分底板采用700mm筏板。

1.2 結(jié)構設計難點

（1）平面樓板不連續(xù)。標準層平面樓板有效寬度小于該層樓面寬度50%，存在樓板大開洞，水平地震力不能有效傳遞，形成薄弱部位。中庭開洞后兩側(cè)梁不連續(xù)，形成單跨框架，對抗震受力不利。

（2）平面扭轉(zhuǎn)位移比過大。計算所得局部樓層的扭轉(zhuǎn)位移比達到1.35，遠大于規(guī)范限值1.2，局部樓層剛性與質(zhì)心偏移較多，偏心率不滿足規(guī)范要求，造成地震力作用下扭轉(zhuǎn)過大。

（3）豎向構件不連續(xù)。本工程較多標準層柱不能落到底商層，需在設備層進行轉(zhuǎn)換，需轉(zhuǎn)換的柱是邊柱或者角柱，造成轉(zhuǎn)換梁僅一側(cè)與樓板相連，對轉(zhuǎn)換梁受扭不利。需轉(zhuǎn)換的柱柱底荷載較大，梁上抬柱離支座較近，轉(zhuǎn)換梁受到較大的剪力、彎矩作用，導致需設計滿足要求的轉(zhuǎn)換梁截面較大，同時又受到建筑條件限制，轉(zhuǎn)換梁尺寸也受限，梁高僅能做到1800mm，應此需進行轉(zhuǎn)換梁以及轉(zhuǎn)換柱的專項設計[3]。

（4）結(jié)構豎向體型收進。底商三層的裙房柱在設備層收進，收進尺寸最大一側(cè)達到40%，雖然收進的部位高度沒達到建筑高度的20%，但也屬于接近不規(guī)則，設計時應按不規(guī)則項進行加強設計。

（5） 設備夾層設計。設備夾層層高僅2.15m，而其上一層標準層層高4.5m。若按實際情況建模計算，設備層就會形成薄弱層，其與上一層的剛度比以及受剪承載力比均不滿足規(guī)范要求，屬于嚴重不規(guī)則項，形成安全隱患，必須采用措施避免這一薄弱層的出現(xiàn)。

2采取主要抗震技術措施

標準層樓板不連續(xù)，大開洞周邊樓板按彈性板進行設計，洞口周邊板厚加強到130mm，配筋按雙層雙向配筋加強，配筋率按0.25%控制，洞口周邊梁寬加寬到400mm，同時梁抗扭配筋加強。并進行中震下樓板應力分析，根據(jù)計算結(jié)果調(diào)整板厚并進行配筋設計。針對樓板開洞造成梁不連續(xù)，形成單跨框架，取出其中的一榀框架進行單獨計算分析，運用PKPM軟件進行計算，根據(jù)分析結(jié)果進行梁柱的配筋設計。

平面扭轉(zhuǎn)位移比過大，應加大位移較大側(cè)的抗側(cè)力剛度，減小位移較小側(cè)的抗側(cè)力剛度，同時加強周邊抗側(cè)力構件的配筋，避免地震力作用下周邊構架先發(fā)生破壞。

豎向構件不連續(xù)，由于轉(zhuǎn)換梁承受的梁上柱荷載較大，且荷載作用點離支座較近，且轉(zhuǎn)換梁截面尺寸受限，采用普通混凝土梁時，梁計算截面較大，且梁截面抗剪計算不滿足要求。所以采用型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁、型鋼混凝土轉(zhuǎn)換柱設計，提高轉(zhuǎn)換梁的抗剪、受彎承載力，同時可以減小截面尺寸，轉(zhuǎn)換梁截面做到950×1800mm，內(nèi)部型鋼采用焊接H型鋼，截面高度1400mm，轉(zhuǎn)換梁需上翻300mm，上翻后高度滿足建筑功能要求。計算時轉(zhuǎn)換梁、轉(zhuǎn)換柱按抗震等級提高一級考慮，抗震等級為一級，并在計算模型中定義轉(zhuǎn)換梁、轉(zhuǎn)換柱。采用MADIS軟件對型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁進行有限元應力分析，對型鋼翼緣受拉應力比、受剪受剪應力比控制在0.8以內(nèi)。同時進行中震下計算分析，確保轉(zhuǎn)換梁滿足抗剪中震彈性，受彎中震不屈服，轉(zhuǎn)換柱中震彈性，根據(jù)中震計算結(jié)果進行配筋設計[4]。

結(jié)構豎向體型收進，設備層樓板板厚取到150mm，配筋率滿足0.25%，配筋雙層雙向，上一層樓板板厚130mm，配筋雙層雙向加強，配筋率按0.2%。對收進部位的豎向構件抗震等級提高一級，配筋加強。

設備夾層采用與主體結(jié)構設縫脫開的設計方法，采用小梁小柱的結(jié)構體系，小柱從設備層梁上立起，小柱與主體框架柱預留50mm縫。結(jié)構整體計算時，該層不建入模型，僅考慮該層荷載，該層單獨建模計算。采用此方法后樓層剛度比滿足要求，無薄弱層。

本工程計算分析采用盈建科結(jié)構計算軟件，并利用第二軟件PMSAP進行計算對比，對比結(jié)果滿足要求。同時進行彈性時程分析，選取合理的三條地震波進行分析，跟振型分解反應譜法計算結(jié)構比較，取最不利情況進行設計。并利用MADIS軟件進行大震下彈塑性分析，結(jié)構彈塑性位移角1/120，滿足規(guī)范要求。

3結(jié)束語

本工程為不規(guī)則高層建筑，主要存在三項不規(guī)則項，進行抗震超限專項審查。

采取不同分析軟件進行分析計算，并采用不同分析方法進行對比分析，保證計算結(jié)果的準確性。

針對每個不規(guī)則項分別采取抗震加強措施，確保結(jié)構薄弱部位的受力性能，在地震作用下，薄弱部位不發(fā)生先破壞，以實現(xiàn)抗震設防目標。

參考文獻

[1] 高層建筑混凝土結(jié)構技術規(guī)程：JGJ3-2010[S].中華人民共和國行業(yè)標準，2010.

[2] 建筑抗震設計規(guī)范GB50011-2010（2016年版）[S].中華人民共和國國家標準，2016.

[3] 傅學怡.實用高層建筑結(jié)構設計[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[4] 趙西安.現(xiàn)代高層建筑結(jié)構設計[M].北京：科學出版社，2004.