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綜合體建筑作為我國重要的建筑建設項目,突破了建筑功能局限性,提高了空間資源利用率。由于綜合體建筑結(jié)構(gòu)較為復雜,穩(wěn)定性相對較差,必須對其樓層進行限定[1]。隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展,人們對綜合體建筑樓層的高度提出了新的要求,如何在滿足穩(wěn)定性的前提條件下,盡可能地滿足建筑空間的擴大需求,制訂超限高層結(jié)構(gòu)方案,成為建筑領域的重要研究方向[2]。
某建筑物坐落于商業(yè)圈,與地鐵站距離較短,交通便利,集辦公、休閑娛樂、居住等多項功能于一體。由于建筑功能較為復雜,為了滿足不同樓層的使用需求,分別為其設定層高,并設置防震縫,以此加強各個樓層鋼筋的穩(wěn)定性。
該研究將核心筒插入建筑結(jié)構(gòu)模型中,獲取雙道抗震防線的構(gòu)件,為提高建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性奠定基礎。建筑總體結(jié)構(gòu)體系設計方案如圖1所示。在圖1中,左側(cè)是建筑結(jié)構(gòu)模型,中間是核心筒,右側(cè)是框架柱,該結(jié)構(gòu)內(nèi)部含有建筑的第1道抗震防線構(gòu)件,穩(wěn)定性能較高。
圖1 建筑總體結(jié)構(gòu)體系設計方案
扭轉(zhuǎn)位移比μ是建筑結(jié)構(gòu)偏心的重要參數(shù),通常情況下,采取減小樓層質(zhì)量中心與剛度中心之間的偏心距的方法控制μ<1.4[3]。由于該研究項目建筑未設防震縫,在塔樓的一側(cè)存在裙樓偏置情況,在此條件下μ>1.4。經(jīng)計算分析可知,這種常用的操作手段無法控制μ,其原因是豎向體型收進期間裙樓上半部分樓層的結(jié)構(gòu)剛度與標準存在一定差異,使抗震性能嚴重偏離預期目標。綜合體建筑結(jié)構(gòu)力學模型如圖2所示。
圖2 綜合體建筑結(jié)構(gòu)力學模型
假設塔樓地震力為F1、塔樓質(zhì)量為m1、塔樓結(jié)構(gòu)剛度為K1,樓層扭轉(zhuǎn)位移比μ與裙樓地震力F2、塔樓質(zhì)量m2、塔樓結(jié)構(gòu)剛度K2存在相關關系,用以下公式來描述:
如果僅調(diào)整樓層結(jié)構(gòu)構(gòu)件,認為建筑總質(zhì)量和結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布對構(gòu)件的影響較小,并且在調(diào)整局部構(gòu)件的剛度時,建筑整體結(jié)構(gòu)周期變化幅度較小,其影響可以忽略不計。依據(jù)反應譜曲線變化特點認為,結(jié)構(gòu)質(zhì)量、結(jié)構(gòu)周期、地震力之間存在一定的相關關系,地震力隨著其他兩個變量的減小而下降。由此可以推斷,要想調(diào)整豎向構(gòu)件剛度,需要保證參數(shù)F2、F1、m2、m1恒定。依據(jù)此關系,對公式(1)進行轉(zhuǎn)換,可以得到關系模型:
設計建筑結(jié)構(gòu)期間,為了調(diào)整參數(shù)μ,使其滿足結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置要求,需要考慮以下三種調(diào)整情況:(1)無偏心,參數(shù)記為μ0;(2)正偶然偏心,參數(shù)記為μ1;(3)負偶然偏心,參數(shù)記為μ2。該方案以4層建筑物為例,將建筑項目相關數(shù)據(jù)代入公式中,可以得到計算結(jié)果。由此可知,該建筑工程受正偶然偏心的影響最大。另外,通過計算還可以掌握參數(shù)μ1與參數(shù)η之間的關系,二者之間同樣存在正相關關系。因此,建筑結(jié)構(gòu)調(diào)整方案中,應該減小參數(shù)η,如增加裙樓剛度等,確保建筑各個樓層參數(shù)μ數(shù)值均<1.4。
該建筑塔樓平面為長方形,長度為30.8m、寬度為43.6m,結(jié)構(gòu)高寬比設置為6.4,建筑中央位置布設核心筒;布設平面尺寸長度為23.9m、寬度為13.3m,結(jié)構(gòu)高寬比設置為14.9。以建筑上部分酒店功能和辦公功能為例,設計結(jié)構(gòu)平面布置方案如圖3所示。
圖3 建筑上部結(jié)構(gòu)樓層平面布置設計方案(單位:mm)
圖3(a)對辦公用房樓層平面布置進行設計,標注了樓層各個單元活動面積劃分尺寸;圖3(b)對酒店客房樓層平面布置進行設計,標注了樓層各個單元活動面積尺寸。這些建筑結(jié)構(gòu)具有相同的布設特點,均選取柱內(nèi)型鋼作為結(jié)構(gòu)延伸性提高工具。在界面的底層布設型鋼混凝土柱,規(guī)格為1700mm×1700mm,隨著樓層的增加,型鋼混凝土柱尺寸逐漸減小,頂層規(guī)格為800mm×800mm,采用分段收進方法進行布置。
該設計方案以《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)為參考依據(jù),設定風壓參數(shù)為0.45kN/m2,按照建筑結(jié)構(gòu)技術施工規(guī)程,將施工場地地面粗糙程度設定為B類,取值1.44。按照50年重現(xiàn)期,取基本風壓參數(shù)數(shù)值是規(guī)范值的1.1倍,根據(jù)承載力和位移兩項指標數(shù)值的設定,將結(jié)構(gòu)阻尼比設定為5%。
另外,按照《建筑抗震設計規(guī)范(2016年版)》(GB 50011—2010),設定該項目的抗震設防指標為7度。通過現(xiàn)場實地勘察可知,施工現(xiàn)場地震類別為Ⅲ類,對應的特征周期為0.5s。當建筑所處位置發(fā)生大型地震時,特征周期為0.55s,結(jié)構(gòu)阻尼比為0.06。當該區(qū)域發(fā)生的地震等級為中等或者低等時,結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)比有所減小,取值0.05。
為了驗證上述設計方案是否可靠,文章對設計方案進行模擬仿真分析。建筑結(jié)構(gòu)抗震性能模擬測試結(jié)果如表1所示。
表1 建筑結(jié)構(gòu)抗震性能模擬測試結(jié)果
從表1中可以看出,文章提出的建筑結(jié)構(gòu)設計方案具有較強的抗震性。在滿足結(jié)構(gòu)抗震安全性要求的同時,為人們提供了多項服務。
文章通過對上述工程項目進行技術分析與調(diào)整,得出以下結(jié)論:(1)在建筑豎向體型收進,樓的一側(cè)存在裙樓偏置情況,建筑未設防震縫的情況下,抗震性能嚴重偏離預期目標。常規(guī)手段無法控制扭轉(zhuǎn)位移比μ。(2)僅調(diào)整樓層結(jié)構(gòu)構(gòu)件,建筑總質(zhì)量和結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布對構(gòu)件的影響較小,調(diào)整局部構(gòu)件的剛度時,建筑整體結(jié)構(gòu)周期變化幅度較小,其影響可以忽略不計。(3)結(jié)構(gòu)質(zhì)量、結(jié)構(gòu)周期、地震力之間存在一定相關關系,地震力隨著其他兩個變量的減小而下降。(4)扭轉(zhuǎn)位移比μ與塔樓裙房之間剛度比η存在正相關關系。可以通過增加裙樓剛度等方法調(diào)整剛度比,確保建筑各個樓層參數(shù)μ數(shù)值滿足預期要求。