帶連體的學(xué)校超限高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

段 貝 袁 升 張陳勝

(浙江省建筑設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310006)

1 工程概況

該項(xiàng)目位于杭州市西湖區(qū)，建筑效果圖如圖1所示。地面以下1層，主要為車庫(kù)及食堂，局部兼做人防；地上從北向南依次設(shè)有行政綜合樓、報(bào)告廳、教學(xué)樓、體育綜合樓、宿舍樓；總用地面積34 640 m2，總建筑面積78 940 m2。

行政綜合樓共9層，首層層高4.2 m，其余層層高為3.9 m。1層～6層?xùn)|西兩側(cè)主體結(jié)構(gòu)獨(dú)立存在，7層～9層通過(guò)南北兩個(gè)連接體連接成為一個(gè)整體。此外，8層，9層存在豎向收進(jìn)、多層存在樓板大開洞等不規(guī)則情況。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]和《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》[2]，該工程為平面和豎向不規(guī)則的超限結(jié)構(gòu)。

建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期和使用年限為50年，安全等級(jí)為二級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.0。抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，設(shè)計(jì)特征周期為0.35 s，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，建筑抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類(乙類)。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)體系及布置

由于8層，9層存在豎向收進(jìn)，收進(jìn)之后9層局部為單跨框架結(jié)構(gòu)，對(duì)于乙類建筑不應(yīng)采用單跨框架結(jié)構(gòu)[1]，所以行政綜合樓采用框架—剪力墻體系，結(jié)構(gòu)模型見圖2。綜合考慮建筑樓電梯、鐘樓的位置，合理調(diào)整剪力墻的布置，使東西兩側(cè)主體結(jié)構(gòu)剛度接近。在不影響建筑功能的前提下，利用7層作為轉(zhuǎn)換層與東西兩側(cè)主體結(jié)構(gòu)剛性連接[3]，行政綜合樓的典型平面圖如圖3所示。由于連體層數(shù)較多，為了減輕結(jié)構(gòu)自重，轉(zhuǎn)換層采用鋼桁架的形式，且轉(zhuǎn)換層以上連接體也采用鋼結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)換桁架跨度26.1 m，桁架高度3.9 m，采用倒V形桁架。桁架上下弦桿采用H600×500×15×35，H600×500×25×40，腹桿采用H400×400×18×35，H400×400×16×30，H650×500×45×50，鋼桁架與東西兩側(cè)主體結(jié)構(gòu)連接處的框架柱內(nèi)置H600×400×40×40，內(nèi)置型鋼與鋼桁架上下弦桿剛接。沿桁架方向上下弦桿伸入兩側(cè)主體結(jié)構(gòu)各一跨，形成鋼骨梁，與主體結(jié)構(gòu)一側(cè)鋼骨柱剛接，以保證連接體與兩側(cè)主體結(jié)構(gòu)可靠連接(見圖4)。

2.2 結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)目標(biāo)

綜合考慮抗震設(shè)防類別、設(shè)防烈度、場(chǎng)地條件、結(jié)構(gòu)特殊性、建筑費(fèi)用、震后損失和修復(fù)難易程度等各項(xiàng)因素，本項(xiàng)目性能目標(biāo)選用“C”，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)性能目標(biāo)具體見表1。

表1 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)性能目標(biāo)

2.3 結(jié)構(gòu)主要抗震加強(qiáng)措施

1)提高重點(diǎn)部位結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震等級(jí)。根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(簡(jiǎn)稱《高規(guī)》)[4]，框架抗震等級(jí)為二級(jí)，剪力墻抗震等級(jí)為一級(jí)。連接體及與連接體相連的結(jié)構(gòu)構(gòu)件在連接體高度范圍及其上下層的抗震等級(jí)由二級(jí)提高為一級(jí)；8層樓面收進(jìn)處的框架柱，從6層～9層對(duì)應(yīng)的抗震等級(jí)由二級(jí)提高至一級(jí)。2)由于層數(shù)較少，與轉(zhuǎn)換桁架相連的框架柱內(nèi)置型鋼從底層延伸至頂層。與轉(zhuǎn)換桁架相連的框架柱按照轉(zhuǎn)換柱設(shè)計(jì)，箍筋全高加密，嚴(yán)格控制其軸壓比小于0.6[5]，并適當(dāng)提高柱配筋率(不小于1.2%)、配箍率(不小于1.5%)和鋼骨率(不小于5.0%)。3)為確保樓蓋的整體性及剪力的傳遞，轉(zhuǎn)換桁架上下弦桿所在樓層的樓面采用現(xiàn)澆樓板，樓板厚度不小于150 mm，雙層雙向配筋，配筋率不小于0.3%，并按照《高規(guī)》進(jìn)行受剪截面和承載力的驗(yàn)算。4)連接體轉(zhuǎn)換鋼桁架與上部柱形心對(duì)齊，伸入兩側(cè)主體結(jié)構(gòu)一跨，保證可靠剛性連接。鋼桁架受壓腹桿的軸壓比按照同等級(jí)的框架柱的軸壓比控制。5)補(bǔ)充東西兩側(cè)主體結(jié)構(gòu)單獨(dú)計(jì)算和承載力復(fù)核，與整體計(jì)算包絡(luò)設(shè)計(jì)，確保當(dāng)連接體失效后，兩側(cè)主體結(jié)構(gòu)能單獨(dú)承受地震作用而不發(fā)生倒塌。6)由于多層存在樓板大開洞的情況，需按彈性板驗(yàn)算所在樓層的樓板應(yīng)力，根據(jù)樓板詳細(xì)分析結(jié)果對(duì)大開洞周邊樓板進(jìn)行加厚或提高配筋率。

3 結(jié)構(gòu)整體分析

3.1 多遇地震作用下結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

在進(jìn)行整體驗(yàn)算之前，首先采用PKPM對(duì)連接體以下的東西兩側(cè)主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了單獨(dú)計(jì)算分析，具體指標(biāo)如表2所示。東西兩側(cè)主體結(jié)構(gòu)X向平動(dòng)周期相差10%，Y向平動(dòng)周期基本一致；X向?qū)娱g位移角基本一致，Y向?qū)娱g位移角相差了12%。兩者剛度非常接近，適合采用強(qiáng)連接的連接結(jié)構(gòu)。

表2 東西兩側(cè)主體結(jié)構(gòu)主要指標(biāo)比較

采用PKPM和MIDAS Building兩種軟件對(duì)結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下整體內(nèi)力和變形進(jìn)行了對(duì)比分析，主要結(jié)果如表3，圖5所示?？梢钥闯?，兩種軟件計(jì)算出的總重量、前三階周期、剛重比、層間位移角、最大位移比等結(jié)果基本一致，且滿足相關(guān)規(guī)范的要求。轉(zhuǎn)換層及下部結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)換層上部結(jié)構(gòu)等效剛度比X向最小為1.53，Y向最小為2.47，滿足規(guī)范大于0.8，并宜接近1的要求。從圖5可以看出X向轉(zhuǎn)換層與其下一層的剛度比約1.6，與其上一層的剛度比約1.7，樓層剛度存在突變；Y向轉(zhuǎn)換層與其下一層的剛度比約0.9，與其上一層的剛度比約1.1，樓層剛度相對(duì)變化均勻，但均大于規(guī)范規(guī)定的0.6限值，說(shuō)明轉(zhuǎn)換層的設(shè)置相對(duì)合理。

表3 多遇地震作用下彈性分析主要指標(biāo)比較

3.2 結(jié)構(gòu)彈性時(shí)程分析

行政綜合樓存在高位連體，屬于復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)，采用PKPM對(duì)其進(jìn)行多遇地震作用下的彈性時(shí)程分析補(bǔ)充驗(yàn)算。根據(jù)建筑場(chǎng)地類別和設(shè)計(jì)分組最終選取了兩條天然波和一條人工波，與規(guī)范反應(yīng)譜分析的基底剪力進(jìn)行了對(duì)比，滿足了規(guī)范要求的在統(tǒng)計(jì)意義上相符，具體比較結(jié)果如表4所示。根據(jù)規(guī)范要求，需取三組時(shí)程曲線取時(shí)程計(jì)算結(jié)果的包絡(luò)值與反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果的較大值進(jìn)行計(jì)算，因此，整樓地震力放大系數(shù)X向取1.04，Y向取1.09。

表4 時(shí)程分析與反應(yīng)譜分析基底剪力比較

3.3 設(shè)防地震作用下結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

基于性能的設(shè)計(jì)要求，在設(shè)防地震作用下，轉(zhuǎn)換鋼桁架及其相連構(gòu)件、轉(zhuǎn)換柱等關(guān)鍵構(gòu)件的結(jié)構(gòu)承載力需要滿足彈性設(shè)計(jì)要求。在進(jìn)行中震彈性驗(yàn)算時(shí)，地震作用不考慮與抗震等級(jí)有關(guān)的增大系數(shù)；不考慮由填充墻引起的周期折減；考慮連梁有一定程度的破壞，連梁剛度折減系數(shù)可以根據(jù)規(guī)范適當(dāng)減小。經(jīng)計(jì)算，轉(zhuǎn)換柱的軸壓比最大為0.5，轉(zhuǎn)換鋼桁架上下弦桿最大應(yīng)力比為0.65，轉(zhuǎn)換鋼桁架受壓腹桿最大應(yīng)力比為0.9，受拉腹桿的最大應(yīng)力比為0.8?？梢钥闯鲫P(guān)鍵構(gòu)件的軸壓比、應(yīng)力比滿足規(guī)范要求，且配筋較合理，可以達(dá)到中震彈性的性能要求。

3.4 罕遇地震作用下彈塑性分析

采用MIDAS Building對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性分析，以評(píng)估結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的性能。在框架梁兩端設(shè)置彎矩鉸，在框架柱兩端設(shè)置軸力彎矩鉸，桁架腹桿設(shè)置軸力鉸，采用層剪力加載模式，考慮P—Δ二階效應(yīng)的影響。隨著側(cè)推荷載的逐步增大，結(jié)構(gòu)位移逐漸增加，從而得到基底剪力—位移曲線，轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)的能力譜。能力譜和需求譜交點(diǎn)即為性能點(diǎn)。該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)應(yīng)處于目標(biāo)性能范圍之內(nèi)。

根據(jù)主體結(jié)構(gòu)在7度0.1g罕遇地震作用下相應(yīng)的能力譜和需求譜曲線，X向性能點(diǎn)對(duì)應(yīng)的基底剪力26 850 kN，約為多遇地震作用下的基底剪力的3.2倍，對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)有效周期為2.477 s，有效阻尼為15.47%，對(duì)應(yīng)的最大層間位移角為1/237；Y向性能點(diǎn)對(duì)應(yīng)的基底剪力為21 670 kN，約為多遇地震作用下的基底剪力的2.5倍，對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)有效周期為3.03 s，有效阻尼為12.5%，對(duì)應(yīng)的最大層間位移角為1/477。兩個(gè)方向的性能點(diǎn)對(duì)應(yīng)的層間位移角均小于1/100，可以滿足“大震不倒”的性能要求。

從整個(gè)推覆過(guò)程的出鉸狀態(tài)來(lái)看，連梁和框架梁端首先出鉸，當(dāng)結(jié)構(gòu)達(dá)到性能點(diǎn)時(shí)，桁架及其相連構(gòu)件、轉(zhuǎn)換柱均無(wú)出鉸，部分的框架柱端出現(xiàn)了鉸，到了屈服狀態(tài)，大部分的鉸出現(xiàn)在梁端，總體上符合預(yù)期的抗震性能設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)帶連體的行政綜合樓多軟件整體對(duì)比分析、彈性時(shí)程分析、關(guān)鍵構(gòu)件的中震彈性驗(yàn)算以及大震彈塑性分析，并針對(duì)連接體、豎向收進(jìn)、大開洞等薄弱部位進(jìn)行了加強(qiáng)，最終達(dá)到了預(yù)期的結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)，在以上過(guò)程中以下經(jīng)驗(yàn)可供類似項(xiàng)目參考：

1)學(xué)校建筑當(dāng)出現(xiàn)單跨框架時(shí)可以采用框架—剪力墻體系，保證形成二道防線；對(duì)于有剪力墻的連體結(jié)構(gòu)，盡量通過(guò)剪力墻的合理布置，使連接體兩側(cè)的主體結(jié)構(gòu)剛度接近，以保證連接體優(yōu)先采用剛性連接。

2)連接體盡量采用鋼結(jié)構(gòu)，當(dāng)連接體有多層時(shí)，根據(jù)跨度可將最下面一層設(shè)置為桁架轉(zhuǎn)換層，桁架上下弦桿與主體結(jié)構(gòu)連接處框架柱內(nèi)置型鋼，當(dāng)層數(shù)較少時(shí)，內(nèi)置型鋼可通長(zhǎng)布置。上下弦桿需伸入主體結(jié)構(gòu)至少一跨，且可靠連接。