某L形建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

卞克儉 曹彥凱 趙作鋒

重點(diǎn)設(shè)防類的高層建筑，建筑主樓平面接近L形，豎向有體型收進(jìn)。結(jié)構(gòu)選型通過比較，不設(shè)抗震縫。通過剪力墻的合理布置，將抗震的不規(guī)則項(xiàng)控制在兩項(xiàng)，使得設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)合理，安全可靠。

一、工程概況

蘇州金雞湖衛(wèi)生服務(wù)中心位于蘇州市工業(yè)園區(qū)蘇茜路北，東側(cè)為星都街，西側(cè)與星海小學(xué)相臨。擬建場(chǎng)地現(xiàn)為空地，擬建場(chǎng)地交通較為便利，地理位置較好。主樓為地下1層，地上6層（裙房三層，裙房屋頂標(biāo)高為15.000），室內(nèi)外高差0.3m，房屋高度29.3m，屬于高度較小的高層建筑。主樓與裙房之間無抗震縫，為1個(gè)抗震單元。主樓的第4層層高6米，其中下部2米作為設(shè)備夾層使用。

按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（2016年版）》，蘇州市工業(yè)園區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g。主樓為規(guī)模較大的社區(qū)衛(wèi)生服務(wù)中心，具有外科手術(shù)室及急診科，參照《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》的4.0.3條及其條文說明，本工程抗震設(shè)防分類為重點(diǎn)設(shè)防類。

圖1 建筑效果圖

二、主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.結(jié)構(gòu)選型

主樓標(biāo)準(zhǔn)層平面接近L形，南北方向的總長(zhǎng)度約為60m，東西方向的總長(zhǎng)度約為41m。選擇結(jié)構(gòu)體系時(shí)，考慮到L形建筑的平面不規(guī)則并容易導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，裙房與主樓存在體形收進(jìn)不規(guī)則。為了將L形主樓分成較為簡(jiǎn)單的抗震單元，給甲方提供了兩種抗震縫設(shè)置方案。方案一：沿主樓與裙房之間設(shè)抗震縫。方案二：將L形主樓設(shè)縫分成兩個(gè)矩形抗震單元。甲方及建筑專業(yè)均對(duì)抗震縫不滿意。于是考慮結(jié)合樓電梯間等合理位置布置剪力墻，形成框剪結(jié)構(gòu)。經(jīng)濟(jì)性略差些，但整體效果比較好。

建筑1~3層含裙房呈矩形，4~6層為L(zhǎng)形主樓。豎向抗側(cè)力構(gòu)件上下貫通連續(xù)。圖2為主樓的標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面圖，圖3為主樓的建筑剖面圖。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面圖

圖3 建筑剖面圖

2.結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的預(yù)期性能目標(biāo)

本工程建筑平面接近L形，豎向有體型收進(jìn)，屬于高層建筑，但總的高度較小?？紤]本工程為重點(diǎn)設(shè)防類建筑，本工程按照《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的3.11.1條，選用結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)為C級(jí)，具體性能水準(zhǔn)如下：

（1）多遇地震下，性能水準(zhǔn)為1，結(jié)構(gòu)滿足彈性設(shè)計(jì)要求；

（2）設(shè)防烈度地震下，性能水準(zhǔn)為3，普通豎向構(gòu)件及結(jié)構(gòu)重要部位的豎向構(gòu)件（剪力墻及四周角柱）抗剪彈性，抗彎不屈服；

（3）預(yù)估的罕遇地震下，性能水準(zhǔn)為4，采用非線性靜力彈塑性對(duì)主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，結(jié)構(gòu)重要部位的豎向構(gòu)件（剪力墻及四周角柱）不屈服。

3.采取的主要抗震措施

（1）主樓采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)防類別重點(diǎn)設(shè)防類，按7度計(jì)算地震內(nèi)力，按8度采取抗震措施和抗震構(gòu)造措施。按照《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的3.9.1、3.9.3條，典型剪力墻抗震等級(jí)為一級(jí)，框架抗震等級(jí)二級(jí)。

（2） 裙房屋頂向上豎向有體型收進(jìn)，15.000標(biāo)高處裙房屋頂（含相鄰的室內(nèi)全部樓面）采用現(xiàn)澆板，厚度150mm，雙層雙向配筋，且每層每個(gè)方向的配筋率不應(yīng)小于0.25%。

（3）塔樓與大底盤兩個(gè)方向的質(zhì)心偏心距均不大于10%，遠(yuǎn)小于《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（2016年版）》3.4.1條塔樓偏置的限值20%。體型收進(jìn)部位上下各2層主樓周邊豎向構(gòu)件（即裙房屋面與主樓交界處）的抗震等級(jí)提高一級(jí)。

（4） 裙房的轉(zhuǎn)角位置也設(shè)置部分剪力墻，提高裙房的抗扭轉(zhuǎn)性能。

4.設(shè)備夾層結(jié)構(gòu)處理

設(shè)備夾層層高僅2米，若按常規(guī)做法做現(xiàn)澆梁板結(jié)構(gòu)，與上下層的層高相差太大，容易導(dǎo)致側(cè)剛突變，形成軟弱層，小層高又容易形成超短柱，均對(duì)整體結(jié)構(gòu)抗震不利。設(shè)計(jì)采用間距4米左右的梁上小柱，將設(shè)備層頂樓面做成二次結(jié)構(gòu)，二次結(jié)構(gòu)與主結(jié)構(gòu)的柱、剪力墻均脫開50mm。

三、結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析

1.結(jié)構(gòu)在多遇地震下的彈性分析

結(jié)構(gòu)整體內(nèi)力計(jì)算分析及配筋設(shè)計(jì)主要采用盈建科建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算模塊YJK-A［1.8.2.1］版，同時(shí)采用ETABS程序v2017版對(duì)YJK的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行校核，詳見下表1和表2。

表1 兩種軟件小震下計(jì)算結(jié)果對(duì)比

表2 兩種軟件小震下結(jié)構(gòu)自振周期計(jì)算結(jié)果

建筑高度遠(yuǎn)小于60米，基本風(fēng)壓按50年重現(xiàn)期取值。本工程周邊緊鄰較矮的學(xué)校和廠房，地面粗糙度按B類，內(nèi)力計(jì)算及配筋設(shè)計(jì)考慮了偶然偏心和雙向地震作用。根據(jù)本工程的詳細(xì)勘察報(bào)告，建筑場(chǎng)地類別為Ⅲ類，場(chǎng)地等效剪切波速為160~170m/s，覆蓋層厚度為90米，按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（2016年版）》的4.1.6條，剪切波速位于場(chǎng)地類別的分界線附近，特征周期按插值法取0.49s。

根據(jù)表1，表2的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可看出，兩種軟件在多遇地震下的彈性分析結(jié)果基本一致。設(shè)置剪力墻后，因總高度較小，結(jié)構(gòu)的整體剛度較大。第一扭轉(zhuǎn)周期與第一平動(dòng)周期的比值小于0.76，最大扭轉(zhuǎn)位移比為1.18，結(jié)構(gòu)整體抗扭轉(zhuǎn)性能較好。最大層間位移角遠(yuǎn)小于規(guī)范限值1/800。結(jié)構(gòu)的底部總剪力、剪重比等指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

2.結(jié)構(gòu)在設(shè)防烈度地震下的計(jì)算分析

按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（2016年版）》第3.10.3條，7度（0.10g）地區(qū)在設(shè)防烈度地震下的水平地震影響系數(shù)amax=0.23，模型參數(shù)輸入時(shí)將柱、墻的抗震等級(jí)改為四級(jí)，采用YJK進(jìn)行整體內(nèi)力計(jì)算和配筋設(shè)計(jì)。和多遇地震的計(jì)算結(jié)果相比，剪力墻、框架柱和框架梁的配筋沒有大的變化，L形建筑的肢端和轉(zhuǎn)角處柱墻配筋略有增加。施工圖設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)L形建筑的肢端和轉(zhuǎn)角處柱、墻按小震和中震彈性的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。

L形建筑的肢端和轉(zhuǎn)角處樓板容易引起應(yīng)力集中，將各層樓板設(shè)為彈性板6，按設(shè)防烈度地震下進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，并相應(yīng)加強(qiáng)不利位置的樓板配筋。

3.大震靜力彈塑性分析

水平地震影響系數(shù)按取amax=0.5（6倍小震），特征周期比小震增加0.05，采用YJK進(jìn)行分析計(jì)算。經(jīng)分析， 大震下有少量柱墻出現(xiàn)較重?fù)p傷，主要位于L形建筑的肢端和轉(zhuǎn)角處。設(shè)計(jì)時(shí)相應(yīng)對(duì)該位置的柱墻梁板加強(qiáng)截面配筋，提高其受力性能和延性。

圖4 中震樓板應(yīng)力圖

圖5 大震下結(jié)構(gòu)損傷等級(jí)圖

4.結(jié)構(gòu)彈性時(shí)程分析

按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（2016年版）》第5.1.2條，采用YJK軟件進(jìn)行彈性時(shí)程分析，對(duì)CQC振型分解反應(yīng)譜法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行校核。彈性時(shí)程分析采用兩條天然波（Big Bear-01_NO_908、Northridge-01_NO_962）和一條人工波（ArtWave-RH2TG055），計(jì)算結(jié)果將時(shí)程法的包絡(luò)值與振型分解反應(yīng)譜法相比，取兩者中的較大值。圖6是X向樓層位移的比較結(jié)果，圖7是X向樓層剪力的比較結(jié)果。各條時(shí)程曲線的包絡(luò)底層剪力為CQC法的84%，各條時(shí)程曲線的包絡(luò)頂層位移為CQC法的78%。

圖6 彈性時(shí)程分析樓層位移（X向）

圖7 彈性時(shí)程分析樓層剪力（X向）

四、結(jié)語

（1） 回字形建筑、C形建筑、L形建筑屬于特別常見的建筑，結(jié)構(gòu)選型時(shí)應(yīng)慎重設(shè)置抗震縫。一般來說，回字形建筑的抗扭轉(zhuǎn)性能很好，通長(zhǎng)可不設(shè)抗震縫。C形建筑抗扭轉(zhuǎn)性能也相對(duì)較好，L形建筑抗扭轉(zhuǎn)性能比較差。C形、L形建筑應(yīng)先仔細(xì)建模進(jìn)行整體計(jì)算分析，全面檢查各項(xiàng)整體計(jì)算指標(biāo)。在一些加強(qiáng)措施（如適當(dāng)增加邊框架的截面、結(jié)合樓電梯間布置剪力墻等，甲方也能接受相關(guān)措施引起的造價(jià)增加時(shí)）增加后仍不能滿足規(guī)范要求時(shí)再考慮設(shè)置抗震縫。設(shè)置抗震縫時(shí)應(yīng)充分與建筑專業(yè)及甲方溝通，并相應(yīng)繪制詳細(xì)的外立面及屋頂處抗震縫節(jié)點(diǎn)詳圖，避免后期滲水影響使用。

（2） L形建筑很容易導(dǎo)致平面凹凸不規(guī)則、平面扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。設(shè)計(jì)時(shí)要仔細(xì)排查各項(xiàng)抗震不規(guī)則項(xiàng)，盡量將抗震不規(guī)則項(xiàng)的總數(shù)控制在兩項(xiàng)或一項(xiàng)?？拐鸩灰?guī)則項(xiàng)達(dá)到三項(xiàng)時(shí)一般需要按超限建筑進(jìn)行抗震審查，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要進(jìn)行更全面的計(jì)算分析，采用更細(xì)致的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施，建設(shè)成本也要相應(yīng)增加。

（3）本工程屬重點(diǎn)設(shè)防類的復(fù)雜高層建筑。采用了兩種不同的軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體內(nèi)力計(jì)算和分析對(duì)比，并采取性能化抗震設(shè)計(jì)。對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件按中震彈性分析結(jié)果包絡(luò)設(shè)計(jì)，用大震彈塑性分析結(jié)構(gòu)的薄弱部位并相應(yīng)加強(qiáng)。確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足規(guī)范要求及甲方需求。