污水處理廠綜合樓結(jié)構(gòu)抗震超限驗(yàn)算與措施

張 楨

［上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092］

1 概 述

本文工程為上海某污水處理廠工程。該工程中的綜合樓由辦公區(qū)域、展示區(qū)域、辦公區(qū)域三部分構(gòu)成。綜合樓采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土異形柱框架-剪力墻結(jié)構(gòu)；基礎(chǔ)采用樁+ 全現(xiàn)澆鋼筋混凝土條形承臺(tái)基礎(chǔ)形式。地下室埋深為2.920 m，綜合樓以地下室頂板面作為嵌固端，頂板厚度均取180 mm?；炷翉?qiáng)度等級(jí)：C35，P6。上部結(jié)構(gòu)最大高度約為13.75 m，未超過(guò)設(shè)防烈度為7 度時(shí)的異形柱框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的最大適用高度（40 m）；上部混凝土強(qiáng)度等級(jí)取C30。該綜合樓為平面、豎向規(guī)則性超限多層建筑，設(shè)計(jì)中考慮空間分析（SATWE 與PMSAP）兩種程序進(jìn)行驗(yàn)算分析比較，分析方法為扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)的CQC 振型分解反應(yīng)譜法，同時(shí)補(bǔ)充計(jì)算多遇地震下的彈性動(dòng)力時(shí)程分析，充分考慮較多振型以充分考慮高階振型的影響。

2 結(jié)構(gòu)超限情況分析

建筑形體及其構(gòu)件布置的不規(guī)則性包括平面不規(guī)則和豎向不規(guī)則，具體劃分依據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（2016年版）》（GB 50011—2010）中3.4 節(jié)及《混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 149—2017）中相關(guān)規(guī)定。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需首先判斷其不規(guī)則性，通過(guò)分析，該單體的不規(guī)則性情況分析見(jiàn)表1。

依照規(guī)范，對(duì)照該工程進(jìn)行判斷：

（1）建筑物最大高度約為13.75 m，按抗震設(shè)防烈度7 度設(shè)計(jì)，未超過(guò)規(guī)范異形柱框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的最大適用高度（40 m）。

（2）根據(jù)SATWE 計(jì)算結(jié)果，在考慮偶然偏心影響的地震作用下，樓層水平位移和層間位移的比值如下：綜合樓中單元（展示區(qū)域）1.39，大于1.2，屬于平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)，但小于《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（2016年版）》（GB 50011—2010） 中不大于1.50 的規(guī)定，同時(shí)滿足《混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 149—2017）中不大于1.45 的限值。

（3）地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端，局部區(qū)域樓板洞口寬度與該層樓板典型寬度比值大于現(xiàn)行規(guī)范的限值50%。如綜合樓（A～M 軸樓梯間加南北采光井開(kāi)洞處）為79.74%，屬平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)，但樓板的開(kāi)洞面積與該層樓面面積的比值，綜合樓為18.45%，小于《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（2016年版）》（GB 50011—2010）中規(guī)定的30%的要求。

（4）底層至三層局部平面凹進(jìn)長(zhǎng)度：綜合樓左單元（辦公區(qū)域）底層至三層4～6/C～E 軸處為40.87%，均大于現(xiàn)行規(guī)范限值30%，屬于平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)。

（5）二層及以上樓板局部區(qū)域，樓板有效寬度與該層樓板典型寬度比值的最不利處：綜合樓左單元（辦公區(qū)域）二至三層1～6/C～E 軸處為19.23%；綜合樓中單元（展示區(qū)域） 二至三層8～14/C～F 軸處為41.36%。均大于現(xiàn)行規(guī)范限值50%，屬于平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)。

（6）三層局部收進(jìn)的水平向尺寸與下層的比值：綜 合 樓 左 單 元（辦 公 區(qū) 域）5～1/7/F～L 軸 處 為35.31%；綜合樓中單元（展示區(qū)域）8～9/7/A～C 軸處為32.12%；綜合樓中單元8～14/E～K 軸處為30.42%或40.28%。均大于現(xiàn)行規(guī)范限值30%，屬于豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)。

表1 單體的不規(guī)則性情況分析

（7）第四層小面積樓層，計(jì)算中定義為小塔樓，計(jì)算過(guò)程內(nèi)力放大系數(shù)取1.5。

綜上所述，該綜合樓為平面、豎向規(guī)則性超限多層建筑。

3 結(jié)構(gòu)超限計(jì)算及對(duì)策

綜合樓在結(jié)構(gòu)分析與計(jì)算中采取了以下超限對(duì)策：

（1）通過(guò)樁位的合理布置，使群樁形心盡量和上部結(jié)構(gòu)荷載中心重合，同時(shí)控制建筑物中心最大計(jì)算沉降量，以減少房屋的不均勻沉降，中心計(jì)算值不大于5.0 cm。通過(guò)加強(qiáng)地下室剛度，充分提高建筑物調(diào)節(jié)不均勻沉降差的能力。實(shí)際計(jì)算中發(fā)現(xiàn)綜合樓中心計(jì)算沉降量為3.16 cm，符合現(xiàn)行規(guī)范要求。

（2）對(duì)上部結(jié)構(gòu)單元拼接后，可能造成的平面不規(guī)則（如平面凹口大于30%或樓板有效寬度小于50%），通過(guò)設(shè)置抗震縫使其滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

（3）設(shè)計(jì)中通過(guò)空間分析（SATWE 與PMSAP）兩種程序進(jìn)行驗(yàn)算分析比較，分析方法為扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)的CQC 振型分解反應(yīng)譜法。同時(shí)補(bǔ)充計(jì)算多遇地震下的彈性動(dòng)力時(shí)程分析，并選用較多振型以充分考慮高階振型的影響。綜合樓采用整樓和上部各單元模型，進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和SATWE 包絡(luò)配筋。

為使保證率更高，該綜合樓設(shè)計(jì)中共選用了五組實(shí)際記錄和兩組人工模擬時(shí)程曲線進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算，彈性動(dòng)力時(shí)程分析所用地震加速度時(shí)程的最大值（cm/s2），多遇地震時(shí)取35，罕遇地震時(shí)取200。計(jì)算結(jié)果表明：

a. 多組時(shí)程波的平均地震影響系數(shù)曲線與CQC振型分析反應(yīng)譜法所用的地震影響系數(shù)曲線相比均小于20%的結(jié)構(gòu)主要振型的周期點(diǎn)。

b. 每條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力與CQC振型分析反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果相比，均大于65%。

c. 多條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值與CQC 振型分析反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果相比，均大于80%。

（4）對(duì)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，則增強(qiáng)建筑物周?chē)鷦偠龋岣呓Y(jié)構(gòu)的抗扭能力；對(duì)結(jié)構(gòu)第一、二、三周期中扭轉(zhuǎn)分量所占比例調(diào)整至合理范圍；盡量減少結(jié)構(gòu)質(zhì)心與剛心之間的偏心，降低結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，如均勻布置抗側(cè)力構(gòu)件等措施，使位移比控制小于1.45。且結(jié)構(gòu)分析時(shí)，充分考慮了雙向地震扭轉(zhuǎn)效應(yīng)影響。

該工程中綜合樓兩種空間分析程序（SATWE/PMSAP）位移角及位移比計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 兩種空間分析程序（S ATWE/P MS AP）位移角及位移比計(jì)算結(jié)果

扭轉(zhuǎn)周期及平動(dòng)周期計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

有效質(zhì)量系數(shù)、樓層最小地震剪力系數(shù)值計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

該層與相鄰上層的豎向側(cè)向剛度比（Ratx1、Raty1）計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表3 扭轉(zhuǎn)周期及平動(dòng)周期計(jì)算結(jié)果

表4 有效質(zhì)量系數(shù)、樓層最小地震剪力系數(shù)值計(jì)算結(jié)果

分析上述表格中數(shù)據(jù)可知，SATWE 和PASAP兩種空間分析程序計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

（5）對(duì)傳遞整個(gè)地震水平力的重要構(gòu)件。如地下室頂板及各層樓板連接薄弱處（凹口大于30%、樓板有效寬度小于50%處），采取以下措施：

表5 與相鄰上層的豎向側(cè)向剛度比計(jì)算結(jié)果

a. 地下室頂板作為嵌固端，擬采取的措施如圖1 所示。

圖1 地下室頂板嵌固條件分析圖

原設(shè)計(jì)頂板嵌固條件分析：

情況1 處：

開(kāi)洞率：12.28/15.40=79.74%＞50%。

樓板有效寬度：2.420 m。

平面不規(guī)則超限。

情況2 處：

開(kāi)洞率：7.74/15.40=50.26%，接近50%。

樓板有效寬度：8.260 m。

內(nèi)側(cè)樓板寬：1.940 m＜2.0 m。

平面不規(guī)則超限。

情況3 處：

開(kāi)洞率：9.23/15.40=59.93%＞50%。

樓板有效寬度：5.720 m。

平面不規(guī)則超限。

整體樓板開(kāi)洞率：102.91/558.07=18.45%。

在盡量不影響建筑方案和功能的情況下，擬采取的加強(qiáng)措施如下：

情況1 處：

在南側(cè)增設(shè)結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土和樓板，以增加有效樓板寬度，同時(shí)確保南側(cè)樓板寬度不小于2.0 m。

在建筑物兩側(cè)，采光井處（A、C、M 軸），加強(qiáng)縱向剪力墻與山墻連接，以有效傳遞抗震水平剪力。

情況2 處：

在南側(cè)增設(shè)結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土和樓板，以增加有效樓板寬度，同時(shí)確保南側(cè)樓板寬度不小于2.0 m。

情況3 處：

在南側(cè)增設(shè)結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土和樓板，以增加有效樓板寬度，同時(shí)確保南側(cè)樓板寬度不小于2.0 m。

b. 增加樓板厚度，地下室頂板厚度取180 mm，上部室內(nèi)樓板厚度取不小于120 mm，衛(wèi)生間樓板取不小于100 mm。板內(nèi)雙層雙向配筋，且單層單向配筋率不小于0.25%。

c. 結(jié)構(gòu)分析時(shí)，該范圍或洞口周?chē)臉前宥x為彈性樓板。

d. 在多遇地震力作用下，控制板內(nèi)混凝土主拉應(yīng)力不超過(guò)混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk（經(jīng)PMSAP彈性樓板分析，樓板的最大主拉應(yīng)力為829 kN/m2，小于C30 混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2010 kN/m2）。

e. 在設(shè)防地震力作用下，控制樓板內(nèi)受力鋼筋不屈服。例如：180 mm 厚地下室頂板，綜合樓在設(shè)防地震力作用下，最不利點(diǎn)所需鋼筋面積A1=（0.6934×2.875×180×1000/360）×0.5=498.38（mm2），在恒活作用下所需鋼筋面積A2=360 mm2，即A1+A2=858.38 mm2。實(shí)配φ10@90（873 mm2），故可滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。其余各層驗(yàn)算結(jié)果均可滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

（6）加強(qiáng)結(jié)構(gòu)延性設(shè)計(jì)，嚴(yán)格控制墻、柱結(jié)構(gòu)軸壓比，對(duì)底層加強(qiáng)部位采取較嚴(yán)的抗震措施，如設(shè)置一定數(shù)量的剪力墻，控制剪力墻承擔(dān)的底部地震傾覆彎矩百分比不小于50%，可滿足框架-剪力墻結(jié)構(gòu)要求，以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)在地震作用下的抵抗能力。該綜合樓墻、柱最大軸壓比見(jiàn)表6。

表6 綜合樓墻、柱最大軸壓比

綜合樓底部框架柱地震傾覆彎矩百分比見(jiàn)表7。

表7 綜合樓底部框架柱地震傾覆彎矩百分比 單位：%

由上表可知，綜合樓的結(jié)構(gòu)延性設(shè)計(jì)滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

（7）加強(qiáng)樓梯等洞口周?chē)鷺前搴穸?，配筋采用雙層雙向方法布置，適當(dāng)加強(qiáng)配筋。適當(dāng)加強(qiáng)如樓梯柱等樓梯間的豎向構(gòu)件，并且樓梯間處的框架抗震等級(jí)提高一級(jí)。

（8）因建筑方案退臺(tái)，使三層局部收進(jìn)水平向尺寸大于下層25%，故結(jié)構(gòu)分析時(shí)，該層指定為薄弱層，同時(shí)地震剪力乘1.15 放大系數(shù)，以提高其抗震能力。

（9）對(duì)承擔(dān)傳遞梁上立柱或墻的梁和柱定義為水平轉(zhuǎn)換梁和框支柱。

（10）對(duì)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的分隔墻：

a. 沿長(zhǎng)度方向每隔不大于3 m 設(shè)構(gòu)造柱一個(gè)，構(gòu)造柱斷面為200 mm×240 mm，柱配筋4φ12，φ6@200。

b. 沿高度方向每隔500～600 mm 設(shè)2φ6 通長(zhǎng)拉結(jié)筋與主體柱或墻連接，并在1/2 層高處設(shè)混凝土水平系梁一道，梁斷面及配筋同構(gòu)造柱。

c. 當(dāng)分隔墻懸臂高度大于2.1 m 時(shí)，應(yīng)設(shè)框架與主體連接，每隔不小于2 層設(shè)平面外的支撐梁一道。

4 結(jié) 語(yǔ)

該綜合樓設(shè)計(jì)過(guò)程采用SATWE、PMSAP 兩種程序進(jìn)行分析計(jì)算，補(bǔ)充計(jì)算多遇地震下的時(shí)程分析，嚴(yán)格控制結(jié)構(gòu)各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足要求，同時(shí)加強(qiáng)概念設(shè)計(jì)及抗震構(gòu)造措施。

從SATWE、PMSAP 的計(jì)算結(jié)果及時(shí)程分析曲線結(jié)果來(lái)看，結(jié)構(gòu)的層間位移角及位移比、周期、有效質(zhì)量系數(shù)、樓層最小地震剪力系數(shù)值、上下層的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)剪切剛度比等均在合理范圍內(nèi)，說(shuō)明結(jié)構(gòu)布置基本合理，計(jì)算結(jié)果可靠。