梁志豪
(廣東省建筑設(shè)計研究院有限公司,廣東 廣州 510180)
梅州某大學實驗樓北塔建筑平面形似字母F型,建筑面積32 221.1 m2。本工程為大學教學樓建筑,主要建筑功能包括學校理工科專業(yè)的實驗室、教室等教學用房及其配套用房等。
北塔主樓地面以上14層,建筑高度為64.5 m。實驗樓北塔采用RC框架-剪力墻(簡稱框剪)結(jié)構(gòu),嵌固部位在基礎(chǔ)面。所在場地抗震設(shè)防烈度為7度,Ⅱ類場地,設(shè)計地震分組為第一組,設(shè)計基本地震加速度值為0.10g,場地特征周期0.35 s??拐鹪O(shè)防類別為丙類,性能目標為C級。
實驗樓北塔建筑效果如圖1所示。
為了得到更合理的結(jié)構(gòu)剪力墻布置,選取4個剪力墻平面布置方案。
方案1塔樓電梯井設(shè)置T形墻,方案2塔樓電梯井設(shè)置剪力墻筒,方案3以及方案4則分別在方案1和方案2的基礎(chǔ)上在裙樓增設(shè)剪力墻。
剪力墻布置方案如圖2所示。
框架剪力墻結(jié)構(gòu)最大適用高度如表1所示。
方案1和方案2底層框架傾覆彎矩比例大于50%,方案3和方案4底層框架傾覆彎矩比例小于50%。根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)[1]對框架剪力墻結(jié)構(gòu)最大適用高度的規(guī)定,方案3和方案4滿足框架剪力墻結(jié)構(gòu)A級最大適用高度要求,方案1和方案2最大適用高度可在框架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上適當增加。
框剪結(jié)構(gòu)A級的最大適用高度為96.8 m,大于建筑房屋高度64.5 m。4個方案均滿足框剪結(jié)構(gòu)A級最大適用高度的要求,不屬于高度超限高層建筑。
本項目X向扭轉(zhuǎn)位移比為1.16(4層),對應(yīng)位移角1/1 474;Y向扭轉(zhuǎn)位移比為1.38(6層)對應(yīng)位移角1/1 310,屬于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。1~6層裙樓凸出長度55 m,平面凸出大于相應(yīng)邊長100 m的30%,屬于凹凸不規(guī)則。
建筑2層連廊樓板有效寬度小于50%,屬于樓板不連續(xù)。
6層位于結(jié)構(gòu)高度的36%,收進大于25%,屬于尺寸突變。綜上所述,該實驗樓北塔為存在4項不規(guī)則項的特別不規(guī)則建筑。
為了探討剪力墻布置對結(jié)構(gòu)周期、地震基底剪力、最大層間位移角和扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響,進行小震彈性分析。
小震彈性分析計算結(jié)果如表2所示。
地震基底剪力隨著剪力墻剛度的增加而逐漸增加。方案3、4的Y向地震基底剪力比X向大,方案1、2的X向地震基底剪力比Y向大。由于剪力墻筒引起Y向?qū)蛹袅υ龃蠓缺萖向?qū)蛹袅υ龃蠓雀蟆?/p>
小震作用下各方案最大彈性層間位移角均滿足規(guī)范[2]位移角限值為1/800的要求。由于小震彈性階段的最大層間位移角樓層在體型收進部位以上,裙樓的剪力墻并沒有對減小最大彈性層間位移角起到明顯作用。
Y向位移角隨著剪力墻剛度的增加而逐漸增加,而X向位移角隨著剪力墻剛度的增加而逐漸減小,這是由于電梯井剪力墻筒引起Y向?qū)蛹袅υ龃蠓却笥诳箓?cè)剛度增大幅度,而X向?qū)蛹袅υ龃蠓刃∮诳箓?cè)剛度增大幅度。
結(jié)構(gòu)最大扭轉(zhuǎn)位移比均出現(xiàn)在裙樓頂層,裙樓布置的剪力墻并沒有起到減小扭轉(zhuǎn)位移比的作用,反而引起了扭轉(zhuǎn)位移比的增大。這是由于裙樓凹凸不規(guī)則,受限制的剪力墻布置使結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)增大。
上述分析表明,方案1電梯井T形墻方案剛度最小且滿足規(guī)范要求,地震作用下基底剪力與扭轉(zhuǎn)位移比均最小。
采用YJK軟件進行小震彈性時程分析。選取特征周期為0.35 s、有效持續(xù)時長滿足5~10T1、基底剪力滿足要求的60條實際地震記錄和4條人工模擬加速時程曲線進行彈性時程分析。64條地震時程的平均譜與規(guī)范譜在各方案結(jié)構(gòu)主要周期點上相差小于20%。彈性時程分析結(jié)果表明,建筑10層以上反應(yīng)譜法層剪力小于64條地震時程平均層剪力,因此需要對建筑頂部地震力進行放大。
各方案頂部地震力放大系數(shù)對比如圖3所示。
由圖3可知,方案2的地震放大系數(shù)比方案1、方案4和方案3的地震放大系數(shù)均大。體型收進部位以下裙樓布置剪力墻導致塔樓頂部動力時程響應(yīng)增大。塔樓剛度越小,裙樓剪力墻布置引起的塔樓頂部動力時程響應(yīng)越大。
方案3比方案1的地震力放大系數(shù)大,表明塔樓剪力墻剛度越大頂部動力時程響應(yīng)越大。因此,方案1電梯井T形墻方案的塔樓頂部地震力放大系數(shù)最小,頂部動力時程響應(yīng)最小。
中震性能水準為3,中震等效彈性分析結(jié)果如表3所示。
方案1電梯井T形墻方案結(jié)構(gòu)剛度最小,中震基底剪力最小。在中震作用下,塔樓電梯井剪力墻存在拉力,其余剪力墻無拉力。
電梯井剪力墻中震拉力分析如圖4所示。
由圖4可知,方案1、2墻肢中震拉力不大于墻肢抗拉強度值;方案3、4電梯井門兩側(cè)小墻肢中震拉力均大于2倍墻肢抗拉強度值。
大震性能水準為4,采用YJK進行靜力推覆[3]分析。
大震彈塑性分析結(jié)果如表4所示。
方案1電梯井T形墻方案大震基底剪力最小,大震彈塑性層間位移角最大,且滿足規(guī)范要求。
電梯井剪力墻大震抗剪截面分析如圖5所示。
由圖5可知,方案1、2墻肢大震剪壓比不大于0.15;方案3、4墻肢大震剪力較大,墻肢大震剪壓大于0.15。
最大彈性層間位移角樓層在體型收進部位以上,裙樓的剪力墻并沒有對減小最大彈性層間位移角起到明顯作用。裙樓凹凸不規(guī)則,受限制的剪力墻布置使結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)增大。
體型收進部位以下裙樓布置剪力墻導致塔樓鞭梢效應(yīng)增大,且塔樓剪力墻剛度越小,裙樓剪力墻引起的鞭梢效應(yīng)越顯著。塔樓的剪力墻剛度也會對鞭梢效應(yīng)造成影響,塔樓剪力墻剛度越大鞭梢效應(yīng)越顯著。
中震作用下塔樓電梯井設(shè)置剪力墻筒比設(shè)置T形墻產(chǎn)生更大墻肢拉力,裙樓設(shè)置剪力墻則起到減小墻肢拉力的作用。大震作用下塔樓電梯井設(shè)置剪力墻筒比設(shè)置T形墻產(chǎn)生更大墻肢剪力,裙樓設(shè)置剪力墻則起到減小墻肢剪力的作用。
因此,方案1裙樓不設(shè)置剪力墻,且電梯井采用T形墻方案為更合理的結(jié)構(gòu)剪力墻布置方案。