貴陽(yáng)某商業(yè)裙房超限高層抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

袁國(guó)財(cái)

(華南理工大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司,廣東 廣州 510641)

0 引言

現(xiàn)代大型商業(yè)建筑往往結(jié)構(gòu)復(fù)雜,為保證結(jié)構(gòu)安全且經(jīng)濟(jì)適用,需要有針對(duì)性的對(duì)其進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。文中以貴陽(yáng)某商業(yè)裙房為例,判別其超限情況,選擇合適的性能目標(biāo),采用基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法進(jìn)行分析、設(shè)計(jì),采取一定的加強(qiáng)措施,說(shuō)明結(jié)構(gòu)安全可靠,可供類似工程參考。

1 工程概況

本工程位于貴陽(yáng)市云巖區(qū)漁安安井片區(qū),總建筑面積397 241 m2,包括3棟住宅塔樓、商業(yè)裙房及4層地下室,其中2號(hào)塔樓48層,結(jié)構(gòu)高度188.1 m;3號(hào)塔樓54層,結(jié)構(gòu)高度206.1 m;4號(hào)塔樓51層,結(jié)構(gòu)高度197.1 m;建筑效果圖如圖1所示。在地下室頂板以上通過(guò)設(shè)置抗震縫將建筑物分為4個(gè)結(jié)構(gòu)單元,分別為裙房部分、2號(hào)塔樓、3號(hào)塔樓和4號(hào)塔樓,分縫示意圖如圖2所示,各結(jié)構(gòu)單元嵌固端取在地下室頂板。

設(shè)計(jì)分析研究對(duì)象為裙房部分,效果圖如圖3所示,其中地下室4層,主要使用功能為車庫(kù)、設(shè)備房和商業(yè),由下至上層高分別為3.5 m,3.5 m,3.5 m,7.0 m,底板面標(biāo)高-17.5 m;地上裙房7層,主要使用功能為商業(yè)、車庫(kù)和設(shè)備房,1層—7層層高分別為5.4 m,5.1 m,5.1 m,6.4 m,6.0 m,6.0 m,6.0 m(6層、7層結(jié)構(gòu)層高分別為6.5 m,5.5 m)。結(jié)構(gòu)總高度為40 m。

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》[1],結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50 a,建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí),結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為γ0=1.0。

結(jié)構(gòu)位移計(jì)算采用100年一遇的基本風(fēng)壓w0=0.35 kN/m2,承載力計(jì)算時(shí)按基本風(fēng)壓的1.0倍采用,地面粗糙度類別為C類,體型系數(shù)取1.3,結(jié)構(gòu)阻尼比采用5%[2]。

根據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》[3],抗震設(shè)防類別屬重點(diǎn)設(shè)防類。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[4],抗震設(shè)防烈度為6度,設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05g,設(shè)計(jì)地震分組為第1組。根據(jù)地勘報(bào)告[5],場(chǎng)地類別為Ⅱ類。

2 結(jié)構(gòu)體系

裙房采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)(局部帶支撐)。各條連廊設(shè)置分縫斷開(kāi),分縫處采用限位滑動(dòng)支座只傳遞豎向力給另一結(jié)構(gòu)單元,如圖4所示。平面尺寸約為225 m×185 m,高寬比X=0.18,Y=0.22。結(jié)構(gòu)整體分析模型如圖5所示,主要豎向構(gòu)件的截面尺寸沿豎向變化如表1所示。

表1 豎向構(gòu)件截面尺寸 mm

采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板樓蓋,其中地下3層、地下2層、地下1層樓面為無(wú)梁樓蓋,板厚一般為300 mm或400 mm;地下室頂板采用梁板結(jié)構(gòu),板厚一般為180 mm,2層—4層板厚為120 mm,200 mm(覆土及消防車行走區(qū)域),5層板厚為150 mm,200 mm(覆土及消防車行走區(qū)域),裙樓屋面(7層)板厚一般為150 mm。局部板跨度較大者相應(yīng)加厚。

梁截面尺寸一般為:框架梁300 mm×550 mm,300 mm×800 mm,300 mm×1 000 mm,次梁200 mm×500 mm,250 mm×700 mm等。

3 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

根據(jù)上部結(jié)構(gòu)受力需要及地質(zhì)條件,斜坡上的裙房柱下為旋挖灌注樁,持力層均為中風(fēng)化泥灰?guī)r,樁端阻力特征值為5.4 MPa;其他裙房墻柱下為擴(kuò)展基礎(chǔ),持力層均為中風(fēng)化泥灰?guī)r,地基承載力特征值為3 MPa。

正負(fù)零標(biāo)高相當(dāng)于絕對(duì)標(biāo)高1 058 m,地下室抗浮設(shè)計(jì)水位根據(jù)地勘報(bào)告取絕對(duì)標(biāo)高1 050.5 m,地下室底板結(jié)構(gòu)面相對(duì)標(biāo)高為-17.5 m。塔樓范圍不需抗浮,非塔樓區(qū)域采用抗拔樁抗浮,抗拔樁直徑為800 mm,抗拔承載力特征值為1 000 kN(進(jìn)入中風(fēng)化泥灰?guī)r不少于3.0 m)。

非核心筒范圍底板厚度為800 mm,柱下根據(jù)實(shí)際受力局部加厚。

4 結(jié)構(gòu)超限情況及抗震性能目標(biāo)

本工程塔樓超限[6]情況如表2所示。

表2 工程超限情況

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[7](簡(jiǎn)稱高規(guī))第3.11節(jié),結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)選為C級(jí),多遇地震、設(shè)防烈度地震、預(yù)估的罕遇地震作用下所對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)抗震性能水準(zhǔn)、層間位移角限值及結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能目標(biāo)如表3所示。根據(jù)《高規(guī)》第3.7.5條規(guī)定,框架結(jié)構(gòu)薄弱部位的層間彈塑性位移角限值為1/50,本工程從嚴(yán)要求,提高結(jié)構(gòu)的層間彈塑性位移角限值至1/100。

表3 抗震性能目標(biāo)

5 結(jié)構(gòu)分析

5.1 小震彈性分析

采用YJK結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行小震彈性分析,并與PKPM結(jié)構(gòu)分析軟件得到的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果如表4所示,可見(jiàn)兩個(gè)程序整體指標(biāo)分析結(jié)果接近,各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求,說(shuō)明結(jié)構(gòu)分析模型能較準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力情況,分析結(jié)果合理有效。

表4 YJK,PKPM 軟件主要計(jì)算結(jié)果

根據(jù)《高規(guī)》4.3.4條規(guī)定,采用彈性時(shí)程分析法進(jìn)行多遇地震下的補(bǔ)充驗(yàn)算。按建筑場(chǎng)地類別和設(shè)計(jì)地震分組選取5條實(shí)際地震記錄和2條人工模擬的加速度時(shí)程曲線,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。結(jié)果顯示,時(shí)程曲線選取合適,結(jié)構(gòu)反應(yīng)平均值與CQC法基本持平,滿足規(guī)范要求。

表5 彈性時(shí)程分析計(jì)算結(jié)果

5.2 中震等效彈性分析

采取YJK進(jìn)行中震等效彈性計(jì)算,具體參數(shù)為:αmax=0.12,Tg=0.35 s,周期折減系數(shù)取為1,中梁剛度放大系數(shù)取為1.5,連梁剛度折減系數(shù)取為0.5,結(jié)構(gòu)阻尼比取為5%。結(jié)果表明,底層框架柱、錯(cuò)層柱、穿層柱、轉(zhuǎn)換柱和轉(zhuǎn)換梁滿足中震抗剪彈性、壓彎不屈服的C級(jí)性能目標(biāo)要求;一般框架柱滿足中震抗剪彈性、壓彎不屈服的C級(jí)性能目標(biāo)要求;所有框架梁已達(dá)到中震抗剪不屈服的C級(jí)性能目標(biāo)要求。按等效彈性計(jì)算的中震作用下結(jié)構(gòu)相關(guān)指標(biāo)見(jiàn)表6,滿足規(guī)程要求。

表6 中震作用下的相關(guān)指標(biāo)

5.3 大震等效彈性分析

采取YJK進(jìn)行大震等效彈性計(jì)算,具體參數(shù)為:αmax=0.28,Tg=0.40 s,周期折減系數(shù)取為1,中梁剛度放大系數(shù)取為1,連梁剛度折減系數(shù)取為0.3,結(jié)構(gòu)阻尼比取為5.5%。結(jié)果表明,底層框架柱、錯(cuò)層柱、穿層柱、轉(zhuǎn)換柱和轉(zhuǎn)換梁滿足大震抗剪不屈服、壓彎不屈服的C級(jí)性能目標(biāo)要求;一般框架柱剪壓比滿足要求,即抗剪截面驗(yàn)算滿足C級(jí)性能目標(biāo)要求;所有框架梁剪壓比滿足要求,即抗剪截面驗(yàn)算滿足C級(jí)性能目標(biāo)要求。按等效彈性計(jì)算的大震作用下結(jié)構(gòu)相關(guān)指標(biāo)見(jiàn)表7,滿足規(guī)程要求。

表7 大震作用下的相關(guān)指標(biāo)

5.4 大震作用下樓板應(yīng)力分析

采用YJK分析水平地震作用下樓板的應(yīng)力。列出部分(6層樓板)分析應(yīng)力云圖如圖6所示。

計(jì)算結(jié)果表明:在大震作用下的樓層樓板拉壓應(yīng)力一般不超過(guò)1 MPa,小于混凝土的抗壓、抗拉標(biāo)準(zhǔn)值強(qiáng)度(5層樓板C35,ftk=2.20 MPa,fck=23.4 MPa;其他層樓板C30,ftk=2.01 MPa,fck=20.1 MPa),洞口附近的局部樓板存在應(yīng)力集中現(xiàn)象,通過(guò)雙層雙向拉通板筋、加大板筋配筋率等相應(yīng)措施,可達(dá)到大震樓板受拉不屈服的性能目標(biāo);剪應(yīng)力一般不超過(guò)0.5 MPa,小于樓板混凝土的抗剪承載力0.7×ftk=1.407 MPa或1.540 MPa。所有樓板在大震作用下能滿足抗剪不屈服、拉壓不屈服的性能目標(biāo)。

5.5 靜力彈塑性推覆(Pushover)分析

采用YJK——建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)軟件程序?qū)ㄖ镌诤庇龅卣鹱饔孟逻M(jìn)行靜力彈塑性推覆分析。分兩步進(jìn)行加載:第一步為施加重力荷載代表值,并在后續(xù)施加水平荷載過(guò)程中保持恒定。第二步為逐步施加豎向分布模式為倒三角形的水平荷載。所得的性能點(diǎn)處相關(guān)指標(biāo)如表8所示;性能曲線如圖7所示;性能點(diǎn)處結(jié)構(gòu)出鉸情況如圖8所示。

表8 性能點(diǎn)處相關(guān)指標(biāo)

結(jié)果表明:

1)最大層間位移角X向?yàn)?/340,Y向?yàn)?/384,小于C級(jí)抗震性能目標(biāo)的最大層間位移角限值(1/100)。

2)結(jié)構(gòu)底層的剪重比約為小震時(shí)的4.81倍～5.01倍,而大震時(shí)的最大層間位移角則為小震時(shí)的2.91倍～3.85倍,說(shuō)明在大震時(shí)構(gòu)件損傷導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了中等剛度退化,結(jié)構(gòu)阻尼有一定的增長(zhǎng)。

3)在推覆過(guò)程中,在中間層的結(jié)構(gòu)周邊及支撐附近的框架梁首先出現(xiàn)受彎塑性點(diǎn),然后沿豎向雙向發(fā)展,出現(xiàn)更多塑性點(diǎn)。部分支撐附近的框架梁,在推覆過(guò)程中出現(xiàn)彎曲中等損傷,均未出現(xiàn)彎曲破壞和受剪破壞。

4)X向、Y向推覆至性能點(diǎn)時(shí),框架柱均未出現(xiàn)彎曲破壞和受剪破壞。

綜上所述,結(jié)構(gòu)在預(yù)估的罕遇地震作用下滿足C級(jí)性能目標(biāo)要求。

6 結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施

借鑒其他項(xiàng)目的超限設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)[8-10],結(jié)合本工程的結(jié)構(gòu)超限情況,采取針對(duì)性的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施如下:

1)加強(qiáng)局部錯(cuò)層柱及連層柱構(gòu)造措施,采用箍筋全高加密,增大縱向配筋率的方法進(jìn)行加強(qiáng)。

2)樓板的加強(qiáng)措施:裙房5層和屋面樓板加厚至150 mm,其余各層樓板厚均不小于120 mm,適當(dāng)提高樓板的配筋率,采用雙層雙向配筋,同時(shí)適當(dāng)加強(qiáng)平面凹角部位或洞口附近的梁縱筋和梁腰筋,保證水平力在抗側(cè)力構(gòu)件之間的可靠傳遞,提高結(jié)構(gòu)整體性。

7 結(jié)論

按照《高規(guī)》結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)要求,設(shè)定結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)為C級(jí)。分別采用建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)軟件YJK和PKPM進(jìn)行了小震下的對(duì)比計(jì)算,消除單一軟件分析的片面性和局限性。進(jìn)行了小震下的彈性動(dòng)力時(shí)程分析,并和小震下的振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,地震作用效應(yīng)取兩者規(guī)定值的較大值結(jié)果。根據(jù)規(guī)范反應(yīng)譜,采用YJK軟件進(jìn)行整體計(jì)算,要求構(gòu)件滿足預(yù)定的中震彈性或中震不屈服、大震不屈服的性能目標(biāo)。采用YJK軟件進(jìn)行罕遇地震作用下的靜力彈塑性推覆分析,以驗(yàn)證結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)“大震不倒”的設(shè)防目標(biāo)及中度損壞的性能目標(biāo)。本項(xiàng)目可作為類似工程進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)的參考。