某C形高層建筑的抗震設(shè)計(jì)分析

汪 瑞 （安徽省城建設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230051）

0 引言

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，首先需要對(duì)建筑結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行把控，注重抗震概念設(shè)計(jì)，只有建筑物具有合理的抗震性能并滿足“三個(gè)水準(zhǔn)”抗震設(shè)防目標(biāo)，才能在地震災(zāi)害發(fā)生時(shí)不被損毀。對(duì)于特別不規(guī)則的建筑，應(yīng)采取更有效的加強(qiáng)措施或?qū)Ρ∪醪课徊捎孟鄳?yīng)的抗震性能化設(shè)計(jì)方法[1]，采用“兩階段設(shè)計(jì)”實(shí)現(xiàn)“三個(gè)水準(zhǔn)”設(shè)防目標(biāo)，確保其安全性。

1 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)原則

1.1 合理的建筑結(jié)構(gòu)平面布置方案

對(duì)于高層建筑的抗震設(shè)計(jì)，建筑結(jié)構(gòu)平面布置方案的合理性尤為重要，由于地震作用發(fā)生的隨機(jī)性和不確定性，地震作用效應(yīng)很難準(zhǔn)確預(yù)估。大量的震害調(diào)查研究表明，平面布置規(guī)則對(duì)稱、剛度分布均勻、傳力路徑明確的結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，不會(huì)輕易損壞；而平面布置復(fù)雜不規(guī)則、存在明顯薄弱部位的結(jié)構(gòu)破壞程度一般都較為嚴(yán)重，主要是因?yàn)閷?duì)于簡(jiǎn)單對(duì)稱規(guī)則的結(jié)構(gòu)在采取相應(yīng)抗震構(gòu)造措施和處理時(shí)較為容易。因此，確定合理的建筑結(jié)構(gòu)體系和布局尤為重要，也是抗震概念設(shè)計(jì)的關(guān)鍵內(nèi)容。高層建筑抗震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量采用規(guī)則對(duì)稱結(jié)構(gòu)布置方案，避免具有較多不規(guī)則項(xiàng)或明顯薄弱部位的結(jié)構(gòu)布置。

1.2 多道抗震防線

單一結(jié)構(gòu)體系只有一道抗震防線，地震發(fā)生時(shí)一旦破壞就會(huì)造成建筑物倒塌。如果建筑物具有多道抗震防線，采用多重抗側(cè)力體系，第一道防線的抗側(cè)力構(gòu)件在地震作用下遭到破壞后，建筑物不會(huì)倒塌，其余防線的抗側(cè)力構(gòu)件立即接替，承擔(dān)后續(xù)的地震作用，確保建筑物仍然具有一定的安全度。當(dāng)建筑物基本周期與地震動(dòng)周期相同或接近時(shí)，多道防線就更顯示出其優(yōu)越性。當(dāng)共振發(fā)生時(shí)，第一道抗側(cè)力防線破壞，第二道防線進(jìn)入工作狀態(tài)，建筑物自振周期發(fā)生變化，與地震動(dòng)周期有較大差異，共振現(xiàn)象消除，避免建筑物發(fā)生二次嚴(yán)重破壞[2]。因此，對(duì)于高層建筑的抗震設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)體系應(yīng)有明確的計(jì)算簡(jiǎn)圖及合理的傳力路徑，注重加強(qiáng)薄弱部位的抗震能力，設(shè)置多道抗震防線，使建筑物具有更大的安全冗余度。

1.3 三水準(zhǔn)設(shè)防、兩階段設(shè)計(jì)

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（2016 版）》（GB 50011-2010）對(duì)于建筑抗震設(shè)防的基本思想和原則為“三個(gè)水準(zhǔn)”抗震設(shè)防目標(biāo)，采用“三水準(zhǔn)、兩階段”的設(shè)計(jì)方法。抗震設(shè)防的三個(gè)水準(zhǔn)目標(biāo)即“小震不壞、中震可修、大震不倒”，采用“兩階段設(shè)計(jì)”實(shí)現(xiàn)“三個(gè)水準(zhǔn)”設(shè)防目標(biāo)，第一階段是采用“小震”的地震動(dòng)參數(shù)計(jì)算彈性地震作用標(biāo)準(zhǔn)值和對(duì)應(yīng)的地震作用效應(yīng)，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面承載力抗震驗(yàn)算，滿足了“小震不壞，中震可修”的目標(biāo)。對(duì)于絕大多數(shù)結(jié)構(gòu)，可只進(jìn)行第一階段設(shè)計(jì)，通過概念設(shè)計(jì)及抗震構(gòu)造措施實(shí)現(xiàn)“大震不倒”的要求。第二階段是對(duì)地震時(shí)易倒塌的結(jié)構(gòu)、抗震性能差的結(jié)構(gòu)（如單跨框架）、特別不規(guī)則結(jié)構(gòu)（有明顯薄弱部位）進(jìn)行彈塑性變形驗(yàn)算并采取相應(yīng)的構(gòu)造措施，實(shí)現(xiàn)“大震不倒”的目標(biāo)。

2 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)優(yōu)化對(duì)策

2.1 優(yōu)化場(chǎng)地選址

地震震害的形成原因可以分為地震動(dòng)作用直接引起結(jié)構(gòu)破壞和不合理的場(chǎng)地選址兩種。地震災(zāi)害調(diào)查分析研究表明，地表錯(cuò)動(dòng)、邊坡失穩(wěn)、滑坡、泥石流、軟土震陷及地基土液化等都是造成建筑物破壞的主要原因。按目前的科技發(fā)展水平，很難做到經(jīng)濟(jì)有效地防御地震，避讓是唯一有效的辦法，也就將建筑物建設(shè)場(chǎng)地選在地質(zhì)條件穩(wěn)定和安全的地帶。一般地，距離發(fā)震斷裂帶越遠(yuǎn)，次生地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性就越小。因此，在抗震設(shè)防區(qū)應(yīng)遵循“選擇有利地段、避開不利地段、嚴(yán)禁選擇危險(xiǎn)地段”的原則進(jìn)行建筑物選址。

2.2 合理選擇結(jié)構(gòu)體系

高層建筑抗震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)進(jìn)行多種結(jié)構(gòu)體系的比選，選用最為可靠的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系，首選具有多道抗震防線的結(jié)構(gòu)型式，如框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、框架-核心筒、筒中筒結(jié)構(gòu)等。地震發(fā)生時(shí)，地震動(dòng)對(duì)建筑物的破壞很大，且一般情況下會(huì)發(fā)生多次余震，給建筑物帶來累積性破壞。對(duì)于單一結(jié)構(gòu)體系，地震極易造成建筑物直接倒塌，威脅人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全；而采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)的建筑物在地震發(fā)生有多道防線來抵御地震作用，有效地延緩甚至阻止建筑物的倒塌，減小了人民群眾人身傷害及財(cái)產(chǎn)損失。因此，在高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)，合理的結(jié)構(gòu)贅余度及采用多重抗側(cè)力體系是非常必要的。

2.3 結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化

建筑與結(jié)構(gòu)相互依存、密不可分，建筑創(chuàng)作需要結(jié)構(gòu)創(chuàng)新作為技術(shù)支撐，很多著名的建筑作品往往是二者完美結(jié)合的成果?？拐鹪O(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)技術(shù)聯(lián)系密切，性能化設(shè)計(jì)、消能減震、隔震技術(shù)等都具有較為成熟的研究成果和大量的工程實(shí)踐，可以合理地應(yīng)用到結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中，既能滿足建筑的功能要求、實(shí)現(xiàn)立面效果，又能滿足結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防目標(biāo)，形成最優(yōu)的結(jié)構(gòu)方案。尋求更加合理有效的抗震新技術(shù)，并將這些技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際工程項(xiàng)目中，以實(shí)現(xiàn)安全適用、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、方便施工的目標(biāo)，不應(yīng)把結(jié)構(gòu)方案局限于常用的結(jié)構(gòu)體系中，要盡可能多地考慮不同的結(jié)構(gòu)體系，并進(jìn)行對(duì)比，選出最優(yōu)的結(jié)構(gòu)方案。因此，結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化及確定在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中尤為重要。

2.4 嚴(yán)控扭轉(zhuǎn)效應(yīng)

《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3-2010）[3]對(duì)于扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的控制主要概括為對(duì)位移比、周期比兩個(gè)宏觀指標(biāo)的控制。

當(dāng)位移比達(dá)到不規(guī)則判別的界限值時(shí)，整個(gè)結(jié)構(gòu)的豎向受力體系和水平受力體系受力都非常不均勻。震害調(diào)查研究表明，處于薄弱的邊緣部位且受力變形較大的豎向構(gòu)件扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯，隨著地震作用效應(yīng)累積，較快進(jìn)入受損狀態(tài)，造成局部倒塌甚至結(jié)構(gòu)的整體破壞。

周期比是判斷結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的另一項(xiàng)重要指標(biāo)，當(dāng)扭轉(zhuǎn)振型為結(jié)構(gòu)第一振型時(shí)，表明扭轉(zhuǎn)振動(dòng)成為主振型，結(jié)構(gòu)抗扭剛度小，對(duì)結(jié)構(gòu)抗震非常不利。若計(jì)算結(jié)果表明結(jié)構(gòu)的抗扭剛度較弱，需要調(diào)整優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置?？箓?cè)力構(gòu)件宜對(duì)稱、均勻布置，使結(jié)構(gòu)的剛度中心與質(zhì)量中心盡量重合；加大外圍構(gòu)件的抗側(cè)剛度；設(shè)置防震縫解決了地震作用下的扭轉(zhuǎn)問題，可以把體型復(fù)雜的建筑劃分為若干較為簡(jiǎn)單的抗震分析模型，方便分別計(jì)算地震作用并采取相應(yīng)的抗震措施。

3 實(shí)例分析

3.1 工程概況

某老年醫(yī)學(xué)康復(fù)中心工程（南地塊）位于安徽路以東、錦繡大道以南，8#樓位于地塊東南角，地下2 層（地下一層設(shè)夾層），地上11 層的介助介護(hù)養(yǎng)護(hù)單元，主體結(jié)構(gòu)高度44.95m，塔樓呈C 形，在適當(dāng)位置設(shè)有一道200 寬防震縫，劃分為兩個(gè)L 形的結(jié)構(gòu)單元，其中上部結(jié)構(gòu)單元凸角尺寸較小，小于相應(yīng)邊長(zhǎng)的30%。下部L 形結(jié)構(gòu)單元水平肢長(zhǎng)37.4m，寬17.0m；垂直肢長(zhǎng)49.0m，寬16.9m。8#介助介護(hù)養(yǎng)護(hù)單元地上建筑面積為24448.67m2,地下建筑面積為5513.24m2，整體YJK 結(jié)構(gòu)模型見圖1，標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置圖見圖2。

圖1 整體YJK結(jié)構(gòu)模型

圖2 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置圖

3.2 上部結(jié)構(gòu)

標(biāo)準(zhǔn)層典型樓板厚度為120mm，屋面板厚度為120mm，內(nèi)部主梁截面尺寸為350mm×600mm，外框架主梁截面尺寸為400mm×850mm；次梁截面尺寸為250mm×550mm、200mm×500mm。塔樓地下室負(fù)二層頂板厚度350mm(人防頂板)，負(fù)一層頂板及夾層頂板厚度180mm，地下室負(fù)二層頂板采用大板結(jié)構(gòu)，主梁截面尺寸為600mm×900mm，地下室負(fù)一層頂板及夾層頂板采用的主梁截面尺寸為350mm×800mm，次梁截面尺寸為300mm×600mm，典型柱網(wǎng)為8.0m×8.0m；框架柱截面尺寸為800×800mm～1000×1300mm，剪力墻厚度為200～400mm。

3.3 基本參數(shù)

合肥地區(qū)基本風(fēng)壓取50 年一遇的風(fēng)壓值0.35kN／m2(舒適度計(jì)算取0.25kN／m2)，地面粗糙度為B類。抗震設(shè)防烈度為7 度，基本地震加速度為0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，抗震設(shè)防類別為乙類，根據(jù)安徽省及合肥市防震減災(zāi)條例，計(jì)算采用的基本地震加速度提高一檔至0.15g，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，特征周期為0.35s?？拐鹪O(shè)計(jì)等級(jí)：上部結(jié)構(gòu)單元為框架結(jié)構(gòu)，框架抗震等級(jí)為一級(jí)，下部結(jié)構(gòu)單元為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，剪力墻為一級(jí)，框架為二級(jí)。墻、柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30～C55，梁、板混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30～C35，地下室底板、外墻混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35（抗?jié)B等級(jí)P8）。

3.4 上部結(jié)構(gòu)嵌固端選取

根據(jù)高規(guī)第12.2.1 條，當(dāng)?shù)叵率翼敯遄鳛樯喜拷Y(jié)構(gòu)嵌固部位時(shí)，地下一層與相鄰上層的側(cè)向剛度比（剪切剛度）不小于2.0。本項(xiàng)目地下室均采用現(xiàn)澆梁板結(jié)構(gòu)體系，地下室頂板厚度為180mm，地下室部分結(jié)構(gòu)模型已考慮地上結(jié)構(gòu)周邊外延不大于20m 的地下室范圍。計(jì)算結(jié)果表明結(jié)構(gòu)在X向、Y向的嵌固剪切剛度比值分別為2.27、3.17，地下一層頂板滿足要求。同時(shí)，考慮地下室夾層頂板存在的實(shí)際嵌固作用，其板厚及配筋均按嵌固端要求設(shè)計(jì)。

3.5 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

3.5.1 結(jié)構(gòu)不規(guī)則情況

本項(xiàng)目設(shè)置結(jié)構(gòu)縫后，上部結(jié)構(gòu)單元僅存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則項(xiàng)，可按《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3-2010）相關(guān)要求進(jìn)行抗震計(jì)算并采取相應(yīng)的抗震構(gòu)造措施。本文重點(diǎn)分析下部結(jié)構(gòu)單元的抗震設(shè)計(jì)，下部結(jié)構(gòu)單元存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、平面凹凸不規(guī)則等不規(guī)則項(xiàng)，屬于一般不規(guī)則高層結(jié)構(gòu)，在考慮偶然偏心影響的規(guī)定水平地震力作用下，第6 結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層的扭轉(zhuǎn)位移比為1.28，X 向風(fēng)荷載作用下，第8 結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層的扭轉(zhuǎn)位移比為1.26，平面凸角尺寸約為相應(yīng)投影方向總尺寸的55%，遠(yuǎn)大于《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（2016 版）》（GB 50011-2010）第3.4.3 條30%的限值要求，接近《2010 超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》的實(shí)施細(xì)則中60%的要求。因此，下部結(jié)構(gòu)單元采用抗震性能化設(shè)計(jì)方法，性能目標(biāo)確定為D 級(jí)，性能水準(zhǔn)為1、3、5，結(jié)構(gòu)各部分性能要求見表1。地震作用的主要計(jì)算參數(shù)見表2。

表1 主要構(gòu)件性能目標(biāo)

表2 地震作用的主要計(jì)算參數(shù)

3.5.2 采取的結(jié)構(gòu)抗震措施

本項(xiàng)目主體結(jié)構(gòu)高度44.95m，低于《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（2016 版）》（GB 50011-2010）7 度區(qū)框架結(jié)構(gòu)的最大適用高度（50m），但由于抗震設(shè)防類別為乙類，計(jì)算采用的基本地震加速度提高一檔至0.15g，計(jì)算地震作用較大，且下部結(jié)構(gòu)單元呈L 形，凹凸尺寸遠(yuǎn)大于規(guī)范限值，存在較為突出的扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，下部結(jié)構(gòu)單元選用具有多道防線的框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系，剪力墻是主要抗側(cè)力構(gòu)件，為第一道防線，框架為第二道防線。同時(shí)，針對(duì)部分工況下位移比超限的情況，調(diào)整剪力墻布置，使結(jié)構(gòu)的剛心與質(zhì)心盡量重合，增大結(jié)構(gòu)的抗扭剛度，減少中部剪力墻的剛度，適當(dāng)加大各樓層外圍框架梁的截面尺寸，避免設(shè)置轉(zhuǎn)角窗和大開洞。在考慮偶然偏心影響的規(guī)定水平地震力作用下，扭轉(zhuǎn)位移比大于1.2，但遠(yuǎn)小于1.4；扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期與平動(dòng)為主的第一自振周期比值為0.77，遠(yuǎn)小于0.90，滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3-2010）第3.4.5條要求。

針對(duì)結(jié)構(gòu)平面呈C 形，在適當(dāng)位置設(shè)置防震縫，形成兩個(gè)較為規(guī)則的結(jié)構(gòu)單元，針對(duì)上部結(jié)構(gòu)單元X 向超長(zhǎng)及下部結(jié)構(gòu)單元Y 向超長(zhǎng)，分別合理設(shè)置伸縮后澆帶，減少溫度應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。

塔樓固嵌端范圍內(nèi)采用現(xiàn)澆梁板結(jié)構(gòu)，板厚增加至180mm 以利于水平力的傳遞，同時(shí)考慮地下室夾層頂板存在的實(shí)際嵌固作用。

3.6 計(jì)算分析

3.6.1 YJK與ETABS計(jì)算結(jié)果對(duì)比

對(duì)8#樓下部結(jié)構(gòu)單元，采用YJK 和ETABS 兩種結(jié)構(gòu)軟件進(jìn)行計(jì)算分析，對(duì)比結(jié)果見表3，結(jié)果表明，兩種軟件的計(jì)算結(jié)果基本吻合。

表3 YJK和ETABS計(jì)算結(jié)果對(duì)比

3.6.2 彈性動(dòng)力時(shí)程補(bǔ)充分析

下部結(jié)構(gòu)單元采用時(shí)程分析法進(jìn)行多遇地震下的補(bǔ)充計(jì)算，按建筑場(chǎng)地類別和設(shè)計(jì)地震分組，選用2 組實(shí)際強(qiáng)震記錄和1 組人工模擬的加速度時(shí)程曲線，地震波的主向地震加速度峰值約為40cm/s2，次向地震加速度峰值約為34cm/s2，彈性時(shí)程分析時(shí)，每條地震波計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)底部剪力均滿足規(guī)范相關(guān)要求，彈性計(jì)算結(jié)果取時(shí)程分析法的包絡(luò)值和振型分解反應(yīng)譜法的較大值，在計(jì)算總信息中輸入“地震作用放大系數(shù)”滿足包絡(luò)設(shè)計(jì)要求。

3.6.3 中震不屈服分析

由于下部結(jié)構(gòu)單元凹凸比例較大，除按規(guī)范要求進(jìn)行設(shè)計(jì)外，補(bǔ)充中震不屈服分析。底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻按抗剪彈性、壓彎及拉彎不屈服進(jìn)行設(shè)計(jì)，普通豎向構(gòu)件按抗剪不屈服、壓彎及拉彎不屈服進(jìn)行設(shè)計(jì)。

同時(shí)，由于樓板具有傳遞豎向荷載及水平荷載的作用，在地震作用下將水平力傳遞、分配給豎向構(gòu)件并與豎向構(gòu)件一起協(xié)調(diào)變形，補(bǔ)充設(shè)防地震工況下的樓板應(yīng)力分析。樓板采用彈性板6 假定，經(jīng)YJK 軟件進(jìn)行計(jì)算分析可知，在設(shè)防地震作用下，樓板大部分區(qū)域的面內(nèi)拉、壓應(yīng)力一般為0.1～0.7MPa，小于C30 混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（ftk=2.01MPa），樓梯間以及電梯間周邊局部出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)加強(qiáng)該區(qū)域配筋。

4 結(jié)語

本文通過對(duì)某C 形高層建筑下部結(jié)構(gòu)單元的小震彈性、中震不屈服計(jì)算分析并采取相應(yīng)的抗震措施，可滿足選定的抗震性能目標(biāo)。采用YJK、ETABS 兩種結(jié)構(gòu)軟件對(duì)其進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果表明二者計(jì)算結(jié)果基本一致，結(jié)構(gòu)總體上滿足多遇地震無損壞、設(shè)防地震輕度損壞可修復(fù)、罕遇地震嚴(yán)重?fù)p壞但不倒塌的性能目標(biāo)。