某商業(yè)辦公樓框筒結(jié)構(gòu)連梁設(shè)計(jì)分析

胡正泱

摘 要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)的商業(yè)辦公樓建設(shè)越來(lái)越多。本文以某商業(yè)辦公樓工程為實(shí)例，在7度抗震設(shè)防烈度區(qū)內(nèi)進(jìn)行框筒結(jié)構(gòu)的計(jì)算，對(duì)抗剪超限的連梁，采用改變連梁截面，設(shè)置交叉鋼筋、雙連梁等結(jié)構(gòu)處理方案，以滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：框筒結(jié)構(gòu);連梁;超限

隨著高層框筒結(jié)構(gòu)的廣泛使用及建造高度不斷提升，抗震性能分析與評(píng)估的需求日益增長(zhǎng)，需要深化高層框筒結(jié)構(gòu)性能抗震設(shè)計(jì)的研究。

一、工程概況

本文以某辦公商業(yè)（大型）綜合建筑為例，由5座塔樓及大型裙房組成，結(jié)構(gòu)總高度為99.700m，地上24層，地下3層。其中3～6層為商業(yè)及辦公區(qū)域，6層以上為辦公樓。根據(jù)《建筑工程設(shè)防分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50223—2008）規(guī)定，辦公樓抗震類(lèi)別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類(lèi)（丙類(lèi)）。該工程抗震設(shè)防烈度為7度，因裙房部分在設(shè)縫后，商業(yè)面積滿(mǎn)足不超過(guò)7000m²，故無(wú)需按重點(diǎn)設(shè)防類(lèi)提高一度抗震措施。

二、中震作用下結(jié)構(gòu)性能分析

中震作用下的結(jié)構(gòu)抗震性能分析不考慮風(fēng)荷載效應(yīng)的組合，不考慮與抗震等級(jí)相關(guān)的內(nèi)力調(diào)整系數(shù)。當(dāng)按彈性計(jì)算時(shí)，需考慮荷載分項(xiàng)系數(shù)﹑材料分項(xiàng)系數(shù)和抗震承載力調(diào)整系數(shù)，當(dāng)按不屈服計(jì)算時(shí)，不考慮荷載分項(xiàng)系數(shù)﹑材料分項(xiàng)系數(shù)和抗震承載力調(diào)整系數(shù)。中震作用下結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)定的性能目標(biāo)為：底部加強(qiáng)部位的剪力墻、框架柱等關(guān)鍵構(gòu)件的抗剪、抗彎承載力應(yīng)滿(mǎn)足不屈服性能要求;一般部位的剪力墻、框架柱允許部分屈服，抗剪截面應(yīng)滿(mǎn)足要求;大部分框架梁、連梁等耗能構(gòu)件允許進(jìn)入屈服階段，部分允許破壞。

三、連梁超限的解決方法

（一）IDA分析指標(biāo)的確定

地震動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)有很多種，常用的有基本周期對(duì)應(yīng)的加速度反應(yīng)譜（Sa（T1，5%））峰值加速度（PGA）、峰值速度（PGV），各有優(yōu)缺點(diǎn)，目前并沒(méi)有統(tǒng)一的方法來(lái)表征地震動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)。我國(guó)規(guī)范采用的地震動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)是PGA，具有概念清晰、計(jì)算簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。在本文算例中IDA分析所需的地震動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)選用PGA。結(jié)構(gòu)損傷響應(yīng)指標(biāo)有多種表征方法，一般選取較多的有頂點(diǎn)位移、層間位移角或滯回耗能等，必要時(shí)可采取多個(gè)指標(biāo)同時(shí)考慮。但有時(shí)根據(jù)不同的地面運(yùn)動(dòng)記錄強(qiáng)度對(duì)結(jié)構(gòu)性能狀態(tài)的所需特征表述，就可針對(duì)性的選取結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)方法。而最大層間位移角θmax直接相關(guān)于樓層變形和節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，是反映結(jié)構(gòu)破壞的最佳選擇，在本文算例中IDA分析的結(jié)構(gòu)損傷響應(yīng)指標(biāo)選用最大層間位移角θmax。

（二）加大或減小連梁截面面積

連梁截面加大有助于增加抗剪承載力，但同時(shí)連梁分配的剪力也會(huì)變大，連梁剛度變強(qiáng)，容易過(guò)早的出現(xiàn)剛度和承載力退化。在地震作用下，連梁截面越小，所受的剪力也越小，相反產(chǎn)生的軸力會(huì)變大。連梁截面越大，受到的剪力也越大，同時(shí)產(chǎn)生的軸力會(huì)變小。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010—2010第11.7.9條，連梁截面設(shè)計(jì)應(yīng)盡量控制高跨比不小于2.5來(lái)滿(mǎn)足抗剪要求較為合理。

（三）大震作用下結(jié)構(gòu)性能分析

在罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的最大彈塑性層間位移角均小于1/110的規(guī)范規(guī)定限值，層間位移角剛度樓層變化較平緩，說(shuō)明塔樓的剛度分段均勻。結(jié)構(gòu)整體及各構(gòu)件的抗震性能滿(mǎn)足“罕遇地震作用下不倒”的要求。為了體現(xiàn)結(jié)構(gòu)在罕遇地震中的破壞情況，下面以罕遇地震下產(chǎn)生的最大層間位移角的人工地震波為例，給出局部位置核芯筒的墻體壓傷圖，框架和剪力墻塑性發(fā)育情況。

（四）高層框筒結(jié)構(gòu)各性能水準(zhǔn)限值

我國(guó)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》3.11條規(guī)定將結(jié)構(gòu)的抗震性能劃分為五個(gè)等級(jí)水準(zhǔn)，即正常使用、基本使用、修復(fù)使用、生命安全、接近倒塌，同時(shí)給出了各水準(zhǔn)下的宏觀判別依據(jù)、構(gòu)件損傷劃分以及繼續(xù)使用可能性等情況。以最大層間位移角θmax作為IDA分析響應(yīng)指標(biāo)，并依據(jù)我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范以及參考同濟(jì)大學(xué)呂西林相關(guān)研究成果確定。小震作用下框筒結(jié)構(gòu)的層間位移角限值為1/800，能滿(mǎn)足小震不壞性能目標(biāo)要求，即認(rèn)為滿(mǎn)足性能水準(zhǔn)1要求;而罕遇地震作用下的限值為1/100，能滿(mǎn)足大震不倒性能目標(biāo)要求，即認(rèn)為滿(mǎn)足性能水準(zhǔn)5要求。

（五）設(shè)置雙連梁

雙連梁是指兩根連梁中部以50或100的水平縫隔開(kāi)的上下兩根連梁，縫隙采用砂漿或減震材料填充。雙連梁的實(shí)質(zhì)是減小連梁高度的同時(shí)，增加連梁的寬度。如截面400×1000的連梁設(shè)置為雙連梁后，變?yōu)閮筛?00×450的連梁，近似相當(dāng)于等效為一根800×450的連梁的作用。雙連梁在抗剪截面面積基本不變的情況下，受到的剪力會(huì)大大降低。對(duì)于部分超限的連梁，在采用雙連梁設(shè)計(jì)后，計(jì)算結(jié)果會(huì)滿(mǎn)足規(guī)范要求。

（六）抗震加強(qiáng)措施

根據(jù)上述分析，在施工圖階段采取以下抗震加強(qiáng)措施：（1）嚴(yán)格控制剪力墻和塔樓框架柱的軸壓比、剪壓比，提高豎向構(gòu)件的承載力和延性;（2）核心筒內(nèi)部樓板加厚（150mm），配筋率不小于0.3%、核心筒以外的樓板，配筋率不小于0.25%;（3）塔樓框架柱地下一層～三層內(nèi)設(shè)置構(gòu)造型鋼，第四層設(shè)型鋼柱過(guò)渡層，短柱樓層構(gòu)造設(shè)芯柱，柱子出現(xiàn)損傷的樓層，加大其箍筋直徑，使結(jié)構(gòu)剛度沿豎向均勻變化。9～16層局部墻體損傷嚴(yán)重，施工圖設(shè)計(jì)時(shí)增大墻身鋼筋的配筋率;（4）按中震作用下，框架柱抗剪、抗彎彈性，底部加強(qiáng)部位剪力墻抗剪彈性、抗彎不屈服進(jìn)行設(shè)計(jì);大震作用下，框架柱抗剪、抗彎不屈服，其余標(biāo)高框架柱抗剪不屈服，底部加強(qiáng)部位剪力墻抗剪不屈服進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（七）默認(rèn)連梁超限

在實(shí)例設(shè)計(jì)中，由于種種要求和客觀條件限制，上述方法并不一定都可以采用，往往還是不可避免地出現(xiàn)連梁超限的問(wèn)題。此時(shí)根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3—2010第7.2.26條：當(dāng)連梁破壞對(duì)承受豎向荷載無(wú)明顯影響時(shí)，可按獨(dú)立墻肢的計(jì)算簡(jiǎn)圖進(jìn)行第二次多遇地震作用下的內(nèi)力分析，墻肢截面應(yīng)按兩次計(jì)算的較大值計(jì)算配筋。因此要考慮在連梁不參與作用的情況下，墻體是否仍然滿(mǎn)足配筋要求。實(shí)質(zhì)建模中，需要將連梁兩端人為設(shè)置為鉸支點(diǎn)，或者將連梁做成虛梁來(lái)讓程序不考慮連梁的作用。失去連梁作用的兩邊墻體側(cè)向剛度會(huì)減小，位移增大，再和連梁作用下的墻體配筋取包絡(luò)設(shè)計(jì)，以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。此時(shí)連梁就變成了墻體結(jié)構(gòu)里的抗震防線，只需要以連梁的最大抗剪承載力計(jì)算其兩端彎矩即可得到實(shí)際需要的配筋。

四、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，框筒結(jié)構(gòu)因?yàn)楸旧硭邆涞目拐鹦阅堋⒄w空間工作性能以及水平抗側(cè)能力突出，再加上內(nèi)外筒之間存在相對(duì)較為理想的自由空間，本身極為符合建筑工程設(shè)計(jì)需求。對(duì)于框筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，是否能夠?qū)⑼饪蛲矊?duì)應(yīng)的空間工作性能充分發(fā)揮出來(lái)，同時(shí)降低外框筒對(duì)應(yīng)的“剪力滯后”效應(yīng)，針對(duì)核心筒連梁實(shí)施科學(xué)合理的設(shè)計(jì)，是有效保障框筒結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)成功的重要內(nèi)容。針對(duì)框筒結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計(jì)，不但可以顯著提升結(jié)構(gòu)本身整體抗震的能力，有效提升結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的安全性，同時(shí)也能夠在經(jīng)濟(jì)層面獲得較為理想的效果，具有良好的適應(yīng)性。

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