任彧，盧偉煌

(福建省建筑設(shè)計(jì)研究院 福建福州 350001)

1 工程概況

博納廣場(chǎng)地處福州市鼓樓區(qū)北環(huán)中路?？拐鹪O(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防烈度7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.1g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，場(chǎng)地土類別為Ⅱ類。博納廣場(chǎng)6號(hào)樓地下3層，主樓地面以上25層，房屋建筑高度83.3m。裙房四層，裙房屋面高度20.10m，屬 A級(jí)高度高層建筑。

2 結(jié)構(gòu)布置

圖1 博納廣場(chǎng)6號(hào)樓外觀

該工程轉(zhuǎn)換層以上為小戶型住宅，每層有8戶，建筑面積由50m2至90m2不等。由于主要用于安置拆遷戶，因此在戶型面積和比例上均不能進(jìn)行調(diào)整。建筑住宅平面形狀較不規(guī)則。

為減少整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，首先對(duì)住宅標(biāo)準(zhǔn)層平面的結(jié)構(gòu)布置進(jìn)行試算，通過(guò)剪力墻肢的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了非對(duì)稱平面的結(jié)構(gòu)剛度對(duì)稱化，轉(zhuǎn)換層以上的結(jié)構(gòu)體各項(xiàng)整體控制指標(biāo)均處于較理想的狀態(tài)。由于戶型的影響，豎向構(gòu)件特別是剪力墻，基本不能進(jìn)行平面定位上的調(diào)整。

圖2 轉(zhuǎn)換層以上標(biāo)準(zhǔn)層平面

轉(zhuǎn)換層以下為商業(yè)區(qū)域，業(yè)主對(duì)于結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件的布置有嚴(yán)格的限制。圖(3)給出了轉(zhuǎn)換層上下豎向構(gòu)件的分布情況。由(圖3)可知，大量的住宅剪力墻、柱處于二次轉(zhuǎn)換的位置。就結(jié)構(gòu)布置而言，該工程豎向構(gòu)件不連續(xù)、傳力不直接，但是建筑方案又不允許進(jìn)行大的調(diào)整，并且對(duì)轉(zhuǎn)換構(gòu)件的高度有嚴(yán)格的限制。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)經(jīng)討論、試算比選后決定采用箱式轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。

箱式轉(zhuǎn)換系統(tǒng)利用上下兩層較厚的樓板與混凝土轉(zhuǎn)換梁協(xié)同工作，它的整體剛度要顯著優(yōu)于常規(guī)的梁式轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。同時(shí)相對(duì)厚板轉(zhuǎn)換層，箱式轉(zhuǎn)換層自重小，轉(zhuǎn)換層自身的地震效應(yīng)相對(duì)較低。本工程箱式轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的上下層樓板板厚為200mm，轉(zhuǎn)換梁高度2400mm，內(nèi)設(shè)2000mm高厚壁H型鋼。

圖3 轉(zhuǎn)換層平面

3 小震規(guī)范譜的主要計(jì)算結(jié)果

箱式轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的兩層樓板在變形上具有相關(guān)性，常用的PKPM系列程序不能很好地處理這樣的結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)測(cè)試，YJK程序可以通過(guò)在電算下層對(duì)應(yīng)肋梁的位置設(shè)置虛梁、電算上層梁高等于層高的處理，建立箱式轉(zhuǎn)換層的計(jì)算模型。本工程主要使用YJK程序進(jìn)行多遇地震作用下彈性分析，并采用ETABS和Midas/Gen程序進(jìn)行對(duì)比。鑒于工程的復(fù)雜性，利用YJK軟件分別建立了箱式轉(zhuǎn)換模型，以及不考慮箱體下板的梁式轉(zhuǎn)換模型。兩者的計(jì)算結(jié)果對(duì)比如下:

圖4 YJK整體計(jì)算模型(含地下室)

表1 YJK對(duì)比模型的自振周期

表2 YJK對(duì)比模型的層間位移

由上述對(duì)比可知，就整體計(jì)算指標(biāo)而言，考慮下板剛度的箱式轉(zhuǎn)換模型的整體剛度略大于梁式轉(zhuǎn)換模型。

表3 小震規(guī)范譜主要計(jì)算結(jié)果

由(表3)可知，YJK、ETABS以及Midas/Gen的計(jì)算結(jié)果相近，可以使用YJK模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行小震設(shè)計(jì)。

4 多遇地震的彈性時(shí)程分析

彈性時(shí)程法選用的地震波，按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的原則選定:即每條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的65%，多條時(shí)程曲線計(jì)算得到的底部剪力的平均值不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的80%。此外，地震波選取時(shí)還應(yīng)考慮以下4個(gè)要素。

(1)地震波特征周期與場(chǎng)地特征周期比較接近。

(2)地震波最大峰值符合規(guī)范要求。

圖5 規(guī)范譜與反應(yīng)譜對(duì)比圖

(3)地震波持續(xù)時(shí)間為結(jié)構(gòu)第一周期的5～10倍。

(4)時(shí)程波對(duì)應(yīng)的加速度反應(yīng)譜在結(jié)構(gòu)主要振型的周期點(diǎn)上與規(guī)范反應(yīng)譜相差不超過(guò)20%

本工程選擇的地震波的譜曲線如(圖5)所示，顯然可以滿足上述要求。通過(guò)(表4)給出的彈性時(shí)程分析結(jié)果對(duì)比可知:規(guī)范反應(yīng)譜的CQC法計(jì)算結(jié)果可以包絡(luò)彈性時(shí)程分析結(jié)果，可以按照CQC法進(jìn)行小震彈性設(shè)計(jì)。

表4 彈性時(shí)程分析主要計(jì)算結(jié)果對(duì)比

5 超限情況

本工程的超限情況如下:

(1)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則:考慮偶然偏心影響的規(guī)定水平力下最大層間位移比:X向:1.22;Y向:1.45;位移比大于1.2。

(2)樓板不連續(xù):二層局部有弱連接;三～四層樓板有效寬度小于50%。

(3)剛度突變:按照《高規(guī)》JGJ3－2010的E.0.2式計(jì)算，轉(zhuǎn)換層與其相鄰上層的Y方向剛度比為0.55＜0.6;轉(zhuǎn)換層下一層X(jué)方向側(cè)向剛度與上一層側(cè)向剛度90%的比值0.98＜1.0;Y方向側(cè)向剛度與上一層側(cè)向剛度90%的比值0.95＜1.0。

(4)尺寸突變:裙房屋面處豎向構(gòu)件縮進(jìn)大于25%。

(5)構(gòu)件間斷:轉(zhuǎn)換層位于地上四層，上下層墻柱不連續(xù)，屬豎向構(gòu)件間斷。

因此，本工程屬于需要進(jìn)行超限審查的高層建筑。

6 抗震性能化設(shè)計(jì)目標(biāo)

結(jié)合本工程的結(jié)構(gòu)布置、超限情況，確定本工程的抗震性能化設(shè)計(jì)目標(biāo)如下:

(1)本工程抗震性能目標(biāo)介于C級(jí)和D級(jí)之間;

(2)所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件小震彈性;

(3)中震關(guān)鍵豎向構(gòu)件(剪力墻底部加強(qiáng)區(qū))正截面不屈服、抗剪彈性;

(4)大震下關(guān)鍵豎向構(gòu)件不屈服，部分梁和豎向構(gòu)件進(jìn)入屈服階段，但滿足高規(guī)第3.7.5對(duì)層間位移角的規(guī)定;豎向構(gòu)件不發(fā)生剪切等脆性破壞。

根據(jù)性能目標(biāo)，本工程各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震等級(jí)確定如下:

(1)底部加強(qiáng)部位剪力墻抗震等級(jí)特一級(jí)，其余部位剪力墻抗震等級(jí)二級(jí)

(2)轉(zhuǎn)換層以下框支柱抗震等級(jí)特一級(jí)

(3)轉(zhuǎn)換梁抗震等級(jí)特一級(jí)

(4)轉(zhuǎn)換層以下其他部位框架抗震等級(jí)一級(jí)

(5)轉(zhuǎn)換層以上框架抗震等級(jí)二級(jí)

7 針對(duì)性技術(shù)措施

7.1 減小扭轉(zhuǎn)效應(yīng)

(1)結(jié)合建筑功能需要，對(duì)裙房結(jié)構(gòu)合理布置，適當(dāng)加大周邊梁柱截面并設(shè)置剪力墻，以提高裙房抗扭剛度。

(2)嚴(yán)格控制周期比，Tt/T1=0.76＜0.85。

(3)根據(jù)《高規(guī)》第3.4.5條的規(guī)定，在嚴(yán)格控制樓層的層間位移角時(shí)，可以放寬位移比限制。

7.2 樓板不連續(xù)

對(duì)裙房二層局部弱連接及三、四層樓板開(kāi)洞超限的情況，首先加大樓板厚度，并采取全層彈性膜的模型，以考慮樓板平面內(nèi)的地震剪力;并根據(jù)時(shí)程分析的樓板面內(nèi)應(yīng)力，加強(qiáng)該層樓板配筋。

7.3 剛度突變、尺寸突變

(1)強(qiáng)制指定轉(zhuǎn)換層為薄弱層，對(duì)樓層剪力放大1.25倍;對(duì)側(cè)向剛度小于相鄰上層的90%的樓層，地震剪力放大1.25倍。

(2)設(shè)備夾層設(shè)置鋼梁和組合樓板，鋼梁與框架柱鉸接，以弱化設(shè)備夾層剛度，提高結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層上一層結(jié)構(gòu)層的計(jì)算高度，使層間剛度比的要求得到滿足;改善轉(zhuǎn)換層上下部結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力狀況，并采取措施加強(qiáng)該層剪力墻配筋。

7.4 構(gòu)件間斷

(1)轉(zhuǎn)換柱、落地墻和轉(zhuǎn)換梁的抗震等級(jí)均按特一級(jí)考慮;轉(zhuǎn)換層以上底部加強(qiáng)部位的剪力墻抗震等級(jí)按特一級(jí)考慮，框架柱按一級(jí)考慮。

(2)框支柱采用型鋼混凝土柱，改善框支柱的延性。

8 罕遇地震作用下的彈塑性分析

為確認(rèn)結(jié)構(gòu)的性能化設(shè)計(jì)目標(biāo)，本工程罕遇地震下的彈塑性分析采用了3套程序，分別是:PKPM系列的PUSH程序進(jìn)行Pushover分析;SAP2000程序基于分層殼剪力墻模型的Pushover分析;STRAT軟件基于纖維模型的彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析。

Push程序給出的X向罕遇地震下最大層間位移角 1/320，頂點(diǎn)位移176.1mm;Y向罕遇地震下最大層間位移角1/310，頂點(diǎn)位移184.2mm，滿足罕遇地震作用下規(guī)范規(guī)定的變形要求。

圖7 PUSH程序給出性能曲線和塑性鉸分布

SAP2000的分層殼單元基于復(fù)合材料力學(xué)原理[2]，可以較好地反映剪力墻構(gòu)件在推覆分析過(guò)程中的性能變化，解決了長(zhǎng)期困擾設(shè)計(jì)人員的問(wèn)題。在本工程分析中，SAP2000的分層殼單元的混凝土本構(gòu)關(guān)系按照按照Mander模型考慮，鋼筋的本構(gòu)關(guān)系按照國(guó)標(biāo)給出的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系考慮，將剪力墻分為4層進(jìn)行模擬。

圖8 SAP2000計(jì)算的剪力墻塑性區(qū)分布

(圖8)給出了SAP2000程序給出的剪力墻塑性區(qū)分布云圖(為便于觀察，隱去了除剪力墻外的其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件)，計(jì)算結(jié)果顯示在大震作用下剪力墻的塑性區(qū)主要集中在轉(zhuǎn)換層以上的區(qū)域;轉(zhuǎn)換層及裙房剪力墻基本完好。X向推覆計(jì)算對(duì)應(yīng)性能點(diǎn)處的最大層間位移為1/290，頂點(diǎn)位移169mm;Y向推覆計(jì)算對(duì)應(yīng)性能點(diǎn)處的最大層間位移為1/270，頂點(diǎn)位移219mm;滿足罕遇地震作用下規(guī)范規(guī)定的變形要求。

此外，本工程利用STRAT軟件超元梁、墻功能，對(duì)轉(zhuǎn)換層及其上下相鄰樓層，采用細(xì)分板單元模型，進(jìn)行精細(xì)化分析。轉(zhuǎn)換大梁、轉(zhuǎn)換層墻采用較密的剖分網(wǎng)格(0.6m)，向上、向下漸次增大網(wǎng)格(0.8m～1.0m)，使轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的精確細(xì)分與非轉(zhuǎn)換樓層的常規(guī)分析相互協(xié)調(diào)。各類構(gòu)件之間、上下樓層之間，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格之間的完全協(xié)調(diào)。

在大震分析過(guò)程中，程序定時(shí)計(jì)算結(jié)構(gòu)的整體剛度，獲取隨地震波作用過(guò)程的結(jié)構(gòu)剛度變化曲線。通過(guò)剛度的下降程度，評(píng)估結(jié)構(gòu)整體的抗震性能。在大震分析過(guò)程中，構(gòu)件整體或部分混凝土超過(guò)受壓應(yīng)力峰值，將導(dǎo)致承載能力的降低。程序以基本纖維為單元，記錄承載能力下降的程度，并根據(jù)不同類型構(gòu)件在結(jié)構(gòu)整體抗震性能中的貢獻(xiàn)程度，考慮相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)，得到結(jié)構(gòu)整體的損傷程度曲線，用于評(píng)估結(jié)構(gòu)整體的抗震性能。由(圖9，10)可以直觀地了解結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的剛度退化的情況。

圖9 彈塑性分析整體剛度變化曲線

圖10 彈塑性分析整體損傷曲線

基于STRAT纖維模型的彈塑性時(shí)程分析表明:在罕遇地震作用下，轉(zhuǎn)換層構(gòu)件極少屈服，沒(méi)有發(fā)生破壞;剪力墻的屈服主要發(fā)生在轉(zhuǎn)換層以上;部分框架柱進(jìn)入屈服，但未進(jìn)入破壞階段;框架梁、連梁梁端屈服的分布范圍較大，符合“強(qiáng)柱弱梁”的預(yù)設(shè)目標(biāo)。

9 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)罕遇地震作用下的Pushover分析和彈塑性時(shí)程分析，證明博納廣場(chǎng)6號(hào)樓箱式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)達(dá)到了預(yù)計(jì)的性能化設(shè)計(jì)目標(biāo)，可以保證主體結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全。目前，該項(xiàng)目已通過(guò)結(jié)構(gòu)抗震超限審查和施工圖審查，正在進(jìn)行施工。

圖11 彈塑性分析的包絡(luò)層間位移角

圖12 彈塑性分析的混凝土最大應(yīng)力

本文簡(jiǎn)要介紹了博納廣場(chǎng)6號(hào)樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中性能化設(shè)計(jì)和大震彈塑性計(jì)算的相關(guān)內(nèi)容，可供類似工程借鑒。

[1]Edward L.Wilson.STATIC AND DYNAMIC ANALYSIS OF STRUCTURES.Computer and Structures，Inc.

[2]北京金土木軟件技術(shù)有限公司.SAP2000中文版使用指南[M].人民交通出版社，2006.