劉文燕

(上海大學土木工程系，上海200072)

1 工程概況

某商用塔樓位于上海，層數(shù)為12層，地下4層，總高49.85 m，地上建筑面積36 000 m2。主要功能為固定鋪位的商業(yè)單元。結(jié)構(gòu)體系采用鋼筋混凝土框架－剪力墻結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限50年。安全等級二級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.0，抗震設(shè)防類別為重點設(shè)防類。抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度為0.10 g，設(shè)計地震分組為第一組，建筑場地類別為Ⅳ類。50年重現(xiàn)期基本風壓ω0=0.55 kN/m2。地面粗糙度C類。建筑標準層平面見圖1。

圖1 標準層平面圖(單位:mm)Fig.1 Plan of typical floor(Unit:mm)

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)方案的選擇

從建筑標準層平面圖可知，中庭處樓板連接特別薄弱。從結(jié)構(gòu)專業(yè)的角度，設(shè)置抗震縫后設(shè)計計算較為簡便，抗震評審也容易通過。但由于建筑主入口位于東西兩側(cè)，設(shè)置抗震縫會使得建筑立面很難看，且立面玻璃幕墻的防水較難處理，綜合考慮后，采用不設(shè)縫的整體結(jié)構(gòu)方案，并在強度設(shè)計時取整體模型和分塔單獨模型計算的包絡(luò)作為設(shè)計依據(jù)。

2.2 結(jié)構(gòu)平面布置

結(jié)構(gòu)采用框架-剪力墻體系，由于首層樓板開大洞，嵌固端取為地下一層。地下一層與一層剪力墻混凝土采用 C50，核心筒南北向外墻厚500 mm，東西向外墻厚400 mm，內(nèi)墻厚200 mm。二層至頂層混凝土等級為 C40，外墻厚均為400 mm，內(nèi)墻厚為200 mm。11層至頂層混凝土等級為C30。1軸和10軸框架柱間設(shè)置H型鋼斜撐，主要目的是控制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，截面尺寸為H500×500×30×35。與鋼支撐相連的框架柱采用型鋼混凝土柱，型鋼為H500×500×20×30。與鋼支撐相連的框架梁采用截面尺寸為700 mm×1 000 mm的型鋼混凝土梁，型鋼為H700×500×20×30。邊框圓柱直徑1 000 mm，內(nèi)框柱截面900 mm×900 mm。框架梁截面尺寸以400 mm×800 mm為主，次梁的截面尺寸以250 mm×650 mm為主。標準層樓板厚度110 mm，中庭處薄弱連接板厚度250 mm，相關(guān)影響區(qū)域樓板厚度200 mm。B1層嵌固層樓板厚度180 mm。結(jié)構(gòu)三維透視圖詳見圖2。

圖2 結(jié)構(gòu)三維透視圖Fig.2 3D perspective view of the structure

2.3 超限判別

2.3.1 結(jié)構(gòu)高度

根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點》規(guī)定，7度區(qū)(0.10 g)框架－剪力墻的適用的最大高度為 120 m[1－2]，本工程結(jié)構(gòu)高度為55.85 m，為高度不超限結(jié)構(gòu)。

2.3.2 結(jié)構(gòu)規(guī)則性

(1)PMSAP程序計算結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)整體模型在考慮偶然偏心時扭轉(zhuǎn)位移比小于1.2。分塔單體模型在考慮偶然偏心的結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)位移比大于1.2，小于 1.4，屬于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。

(2)由于結(jié)構(gòu)中庭開大洞，導致樓板東西向有效寬度為22.2%，按《上海市超限高層建筑抗震設(shè)防管理實施細則》滬建管[2003]702號文的規(guī)定，有效樓板寬度小于該層樓板典型寬度的40%，屬于樓板不連續(xù)的特別不規(guī)則情況。

2.4 針對超限情況的結(jié)構(gòu)設(shè)計和相應(yīng)措施

2.4.1 針對扭轉(zhuǎn)不規(guī)則的措施

該建筑平面為長方形，平面布置規(guī)則，核心筒剪力墻和框架柱布置均勻，為控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)，在1、10軸線上中庭兩側(cè)布置X型鋼支撐。結(jié)構(gòu)整體模型在考慮偶然偏心時扭轉(zhuǎn)位移比小于1.2。分塔單體模型在考慮偶然偏心時其扭轉(zhuǎn)位移比為1.25。整體模型前兩個周期均為平動周期(1.32 s，1.30 s)，第三周期為扭轉(zhuǎn)周期(1.12 s)，其與第一周期的比值為0.85，分塔模型前兩個周期均為平動周期(1.42 s，1.32 s)，第三周期為扭轉(zhuǎn)周期(1.18 s)，其與第一周期的比值為0.83，周期比控制在規(guī)范[2]規(guī)定的A類高度建筑0.9以內(nèi)。

2.4.2 針對樓板不連續(xù)的措施[3]

中庭處樓板有效寬度占結(jié)構(gòu)總寬度的22%，結(jié)構(gòu)連接較為薄弱。采用全樓彈性膜的模型分析薄弱連接樓板的應(yīng)力，板厚加厚至250 mm，樓板配筋雙層雙向拉通。連接板按小震和豎向荷載標準組合下不開裂，中震按承載力極限狀態(tài)進行強度設(shè)計。

2.4.3 針對鋼支撐轉(zhuǎn)換的措施

支撐設(shè)置主要目的是控制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，在結(jié)構(gòu)整體扭轉(zhuǎn)指標滿足的前提下，盡可能減小其截面尺寸，弱化其剛度，以減小其分配的地震力。與鋼支撐連接的框架柱均為型鋼混凝土柱，增強連接的剛性，并改善柱的延性;相關(guān)框架柱在B1層(支撐中斷層)以下部分的抗震等級提高一級;增大相關(guān)框架柱截面，控制軸壓比不大于0.65;在地下室靠近支撐處增設(shè)剪力墻，滿足嵌固端下層側(cè)向剛度不小于上層側(cè)向剛度的2倍;B1層樓板厚度取為180 mm，以有效傳遞水平力。

2.4.4 其他相關(guān)措施

(1)嚴格控制各項指標:結(jié)構(gòu)在設(shè)計過程中嚴格按現(xiàn)行國家有關(guān)規(guī)范的要求進行設(shè)計，各類指標控制在規(guī)范規(guī)定的范圍內(nèi)，并留有余量;

(2)采用兩種計算程序(YJK、PMSAP)對結(jié)構(gòu)進行驗算，保證計算結(jié)果的準確性和完整性;

(3)按規(guī)范要求進行彈性時程分析和彈塑性靜力推覆分析，了解結(jié)構(gòu)在地震時程下的響應(yīng)過程，并尋找結(jié)構(gòu)薄弱部位以便進行針對性加強;

(4)取結(jié)構(gòu)整體模型和單獨模型計算的包絡(luò)作為設(shè)計依據(jù)。

3 結(jié)構(gòu)整體分析及結(jié)果

本工程采用中國建筑科學研究院編制的結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件(PMSAP)和盈建科建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件(YJK)軟件計算。

計算模型中定義了豎向和水平荷載工況。對于多遇地震的水平地震分別考慮了雙向地震以及偶然偏心的影響;地震作用計算采用振型分解反應(yīng)譜法，并采用時程分析法進行了補充計算。計算時采用全樓彈性膜分析樓板的應(yīng)力，整體計算結(jié)果見表1。

計算結(jié)果顯示，兩個程序分析結(jié)果基本一致，結(jié)構(gòu)周期、位移、層間位移比均滿足規(guī)范要求，層剛度比無突變。

4 樓板應(yīng)力分析

針對中庭處樓板薄弱連接的情況，將樓板定義為彈性膜，利用PMSAP進行多遇地震、設(shè)防地震作用下樓板應(yīng)力分析。薄弱連接板的抗震性能目標為[4]:小震作用下，采用混凝土抗拉強度標準值作為控制連接板混凝土核心層開裂的指標，連接板中主拉應(yīng)力標準值要滿足:

式中，ftk為混凝土抗拉強度標準值;σ1k，小震為有地震作用效應(yīng)組合時連接板在小震作用下的主拉應(yīng)力標準值。

表1 整體計算模型主要分析結(jié)果Table 1 Analysis results for the integral calculation model

中震作用下，采用水平鋼筋的抗拉強度設(shè)計值作為連接板承載能力的指標，連接板中的主拉應(yīng)力設(shè)計值應(yīng)滿足:式中，σ1，中震為有地震作用效應(yīng)組合時連接板在中震作用下的主拉應(yīng)力設(shè)計值;γRE為承載力抗震調(diào)整系數(shù);s為連接板鋼筋間距;h為連接板的厚度;As表示在間距s的范圍內(nèi)上下層水平鋼筋的面積。表2是地震作用下連接板應(yīng)力值匯總。

表2 地震作用與重力荷載組合主應(yīng)力計算值Table 2 Principal stress results underearthquake action and gravity load N/mm2

從分析結(jié)果可以看出，連接板在小震和豎向荷載標準組合下主拉應(yīng)力最大值為1.191 MPa，小于混凝土抗拉強度標準值2.01 MPa，可以滿足小震樓板不開裂的要求。

而在設(shè)防烈度地震作用下，按彈性計算的樓板最大主拉應(yīng)力設(shè)計值為3.499MPa，該區(qū)域樓板厚度250 mm，由公式可知，當配置雙層雙向φ14@150的鋼筋即可滿足設(shè)防地震下按承載力極限狀態(tài)進行強度設(shè)計的要求。

5 靜力彈塑性PUSHOVER分析

為滿足結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的抗震要求，有必要研究和計算結(jié)構(gòu)的彈塑性變形。本文采用PUSH＆EPDA軟件進行結(jié)構(gòu)靜力彈塑性PUSHOVER 分析[5－6]。

混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用三線模型，材料參數(shù)按照我國現(xiàn)行混凝土規(guī)范取值。鋼材材料采用雙線性隨動硬化模型，考慮包辛格效應(yīng)，在循環(huán)過程中，無剛度退化，計算分析中，設(shè)定鋼材的強屈比為1.2。水平側(cè)向力采用倒三角形水平加載模式。

圖3、圖4為罕遇地震作用下X向、Y向抗倒塌性能點圖。經(jīng)過分析計算，罕遇地震下的X向?qū)娱g位移角1/174，Y向?qū)娱g位移角1/224，均小于規(guī)范要求的1/100。

圖3 罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)X向抗倒塌性能點圖Fig.3 Collapse resistant capacity under rare earthquake(X direction)

圖4 罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)Y向抗倒塌性能點圖Fig.4 Collapse resistant capacity under rare earthquake(Y direction)

第一批有規(guī)律的塑性鉸的出現(xiàn)位置位于地下1層至地上3層的局部剪力墻連梁，當基底剪力達到設(shè)防烈度時，塑性鉸由下向上逐漸發(fā)展至其余各層的剪力墻連梁，并在與剪力墻相連的框架梁端部及小墻肢剪力墻底部出現(xiàn)塑性鉸。當結(jié)構(gòu)達到性能點時，大部分的塑性鉸位置集中在連梁和與剪力墻相連的框架梁上，而剪力墻和鋼支撐在大震作用下未進入屈服階段，按支撐承擔的最大軸力進行復(fù)核，其可以滿足在罕遇地震作用下不發(fā)生屈曲。

6 結(jié)語

本工程各標準層結(jié)構(gòu)中庭處樓板有效寬度僅占結(jié)構(gòu)總寬度的22%，結(jié)構(gòu)連接薄弱。結(jié)構(gòu)設(shè)計時，采用性能化的設(shè)計思想，確定了薄弱樓板的抗震性能目標。分析表明，該連接板滿足多遇地震作用下不開裂，設(shè)防地震作用下承載力極限狀態(tài)要求。并在結(jié)構(gòu)強度設(shè)計時取整體模型和分塔單獨模型計算的包絡(luò)作為設(shè)計依據(jù)。避免了設(shè)置抗震縫，較好地滿足了建筑功能與美觀的要求。

對該結(jié)構(gòu)的靜力彈塑性PUSHOVER分析表明，罕遇地震下的結(jié)構(gòu)變形滿足規(guī)范的有關(guān)要求，結(jié)構(gòu)達到罕遇地震作用下抗倒塌性能目標。

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