徐衛(wèi)敏

(浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江 杭州 311231)

超限異形高層辦公樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

徐衛(wèi)敏

(浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江 杭州 311231)

針對(duì)結(jié)構(gòu)的超限情況,介紹了某異形超限辦公樓的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),采用ETABS、Midas/gen等有限元軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析比較,并選取合理的抗震設(shè)計(jì)性能化目標(biāo),采取合理的抗震措施。通過(guò)分析工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情況,對(duì)這類(lèi)建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。

超限高層結(jié)構(gòu)；彈性動(dòng)力時(shí)程分析；抗震措施；位移比

1 工程概況

項(xiàng)目地塊位于寧波市某新區(qū),上部建筑立面呈靴子形,各層平面從下往上呈扭轉(zhuǎn)狀逐層收進(jìn),底部收進(jìn)劇烈。上部結(jié)構(gòu)總高度173 m,層數(shù)43層,為辦公建筑及配套用房,最大層(底層)平面尺寸約140 m×68 m,典型樓層平面(12層)尺寸70 m×35 m；地下為滿(mǎn)鋪兩層車(chē)庫(kù)及設(shè)備用房,戰(zhàn)時(shí)部分考慮六級(jí)人防二類(lèi)人員隱蔽所、人防物資庫(kù),底板面埋深約為10.5 m,平面尺寸約170 m×135 m。建筑效果見(jiàn)圖1。

2 主體結(jié)構(gòu)體系與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)采用鋼管混凝土柱-鋼梁-鋼筋(鋼骨)混凝土核心筒體系,裙房遠(yuǎn)離核心筒部分設(shè)置部分混凝土剪力墻和鋼支撐；地下室為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系。鋼外框架梁、柱的連接采用剛接,外框架與混凝土核心筒的連接采用鉸接。典型層結(jié)構(gòu)平面布置圖見(jiàn)圖2。

圖1 建筑效果圖

圖2 典型層結(jié)構(gòu)平面布置圖

受建筑形體控制,主樓大部分柱在12層以上均設(shè)計(jì)為斜柱,在3層、6層及10層共布置3根二分叉柱和1根三分叉柱, 在9～11層布置一榀轉(zhuǎn)換桁架。分叉柱分叉角度較小,在分叉節(jié)點(diǎn)的樓層采用整層高度的鑄鋼件節(jié)點(diǎn)。為保證斜柱轉(zhuǎn)折引起的水平力在平面內(nèi)的有效傳遞,設(shè)計(jì)采用平面剛度更佳的鋼筋桁架樓承板體系取代普通的壓型鋼板樓面,在水平力特別大的樓層將板厚增加到200 mm,并加大鋼筋桁架樓層板的底模鋼板厚度。設(shè)計(jì)考慮全樓不設(shè)變形縫。

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50011—2010)》附錄G.2關(guān)于鋼框架-混凝土核心筒結(jié)構(gòu)的有關(guān)規(guī)定,6度區(qū)該類(lèi)型適用的最大高度為185 m,本工程的最大結(jié)構(gòu)高度為173.1 m,可按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50011—2010)》進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本建筑物抗震設(shè)防類(lèi)別為乙類(lèi),抗震措施按7度考慮,抗震等級(jí)確定如下：

1)主樓(12層平面對(duì)應(yīng)的區(qū)域)(含主樓投影區(qū)域地下室)的鋼結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)為三級(jí),筒體抗震等級(jí)為一級(jí)。

2)裙房：鋼結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)四級(jí),混凝土墻抗震等級(jí)二級(jí)；

3)地下室(除主樓投影區(qū)域地下室外)：框架抗震等級(jí)三級(jí)；混凝土墻三級(jí)。

3 結(jié)構(gòu)超限情況、性能目標(biāo)及主要抗震措施

3.1 結(jié)構(gòu)超限情況

建筑物結(jié)構(gòu)高度在規(guī)范適用的高度范圍內(nèi),樓層總體平面形狀規(guī)則,無(wú)明顯的凹凸,無(wú)錯(cuò)層和樓板不連續(xù)問(wèn)題,豎向結(jié)構(gòu)剛度變化較均勻,無(wú)突變的平面大尺度收進(jìn)和外挑,除個(gè)別構(gòu)件外無(wú)間斷、不連續(xù)現(xiàn)象,相鄰層樓層承載力變化不大于80%,但存在如下超限情況：

1) 底部25%高度范圍內(nèi)樓層考慮偶然偏心地震作用下的扭轉(zhuǎn)位移比大于1.4,較多樓層扭轉(zhuǎn)位移比大于1.2,屬扭轉(zhuǎn)不規(guī)則；

2) 存在較多的斜柱,個(gè)別柱的轉(zhuǎn)換,頂部局部的穿層柱,屬其他不規(guī)則；

3) 結(jié)構(gòu)整體上存在逐層的收進(jìn)和外挑問(wèn)題。

3.2 主要性能目標(biāo)

考慮到本建筑物抗震設(shè)防類(lèi)別為重點(diǎn)設(shè)防類(lèi)且屬超限高層建筑,結(jié)合工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn),擬定整體結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)性能化目標(biāo)為性能3,即結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下保持完好,在設(shè)防烈度地震作用下輕微損壞但經(jīng)簡(jiǎn)單修理后可繼續(xù)使用,在罕遇地震作用下破壞但經(jīng)加固后可繼續(xù)使用。在滿(mǎn)足上述承載能力、變形要求的情況下,適當(dāng)放寬建筑適用高度、扭轉(zhuǎn)位移比等不規(guī)則性的限制。根據(jù)上述目標(biāo),擬定如下具體要求：

1) 6度多遇地震作用下,各樓層的最大層間位移角不大于1/1 400(1/2倍彈性位移限值),結(jié)構(gòu)構(gòu)件處于彈性階段,構(gòu)件按常規(guī)方法進(jìn)行設(shè)計(jì),核心筒中的主要墻肢混凝土壓應(yīng)力不大于抗壓強(qiáng)度的0.4倍；

2) 6度設(shè)防烈度地震作用下,各樓層的最大層間位移角不大于1/350(2倍彈性位移限值),結(jié)構(gòu)梁等水平構(gòu)件允許輕微損壞,承載力按標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行復(fù)核,主要框架柱、核心筒、支撐及關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)基本完好,構(gòu)件承載力按不計(jì)抗震等級(jí)調(diào)整地震效應(yīng)的設(shè)計(jì)值復(fù)核；

3) 6度罕遇地震作用下,各樓層的最大層間位移角不大于1/175(4倍彈性位移限值),結(jié)構(gòu)梁等水平構(gòu)件允許中等破壞,承載力達(dá)到極限值后能維持穩(wěn)定,降低小于5%,主要框架柱、核心筒、支撐及關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)允許輕微損壞,構(gòu)件承載力按標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行復(fù)核；

4) 按擬定的抗震性能化設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),適當(dāng)放寬對(duì)結(jié)構(gòu)在地震作用(考慮偶然偏心)下扭轉(zhuǎn)位移比的限制到底部25%高度范圍內(nèi)(10層以下)不大于1.55,其余樓層不大于1.4。

3.3 主要抗震措施

本工程采取如下抗震措施：

1) 對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性時(shí)程分析,取時(shí)程分析各條波的包絡(luò)值及震形反應(yīng)譜方法的較大值進(jìn)行多遇地震下的結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)；

2)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行‘大震’下彈塑性變形分析,重點(diǎn)加強(qiáng)較早出現(xiàn)塑性鉸的柱、墻；

3) 控制主樓鋼管混凝土柱的應(yīng)力比不大于0.8,對(duì)框架部分的地震作用按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50011—2010)》附錄G的要求進(jìn)行放大；

4) 放大核心筒墻體的地震作用，且使其能承擔(dān)全部地震作用；筒體主要墻肢的軸壓比控制在0.40以?xún)?nèi),并設(shè)置鋼骨框架,以提高筒體的抗震性能；

5) 加強(qiáng)墻體配筋構(gòu)造,墻分布鋼筋的配筋率底部不小于0.40%,一般部位不小于0.35%，同時(shí)加強(qiáng)暗柱的配筋,主要邊緣構(gòu)件縱向鋼筋配筋率不小于1.2%(底部加強(qiáng)區(qū))和1.0%(非底部加強(qiáng)區(qū)),對(duì)設(shè)置鋼骨的邊緣構(gòu)件配筋率適當(dāng)降低。

4 計(jì)算分析模型及計(jì)算假定

4.1 計(jì)算分析軟件

本設(shè)計(jì)主要采用如下軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析：

北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司編制的Midas/gen V7.8,作為本設(shè)計(jì)主要的結(jié)構(gòu)分析軟件,進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體分析、結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載效應(yīng)分析、結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)譜分析、彈性時(shí)程分析；

北京金土木軟件技術(shù)有限公司編制的ETBSA V9.2,作為本設(shè)計(jì)的主體結(jié)構(gòu)計(jì)算復(fù)核程序,進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體分析、結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載效應(yīng)分析、結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)譜分析；

中國(guó)建筑科學(xué)研究院PKPM系列軟件(2008.10版)進(jìn)行基礎(chǔ)分析校核。

4.2 主要計(jì)算假定

本工程上部結(jié)構(gòu)以地下室頂板作為計(jì)算嵌固端,總體性能控制計(jì)算時(shí)未考慮嵌固端以下部分的影響；計(jì)算整體性能控制計(jì)算時(shí)按樓層采用剛性隔板假定,內(nèi)力分析中按板的實(shí)際剛度考慮,部分構(gòu)件的承載力計(jì)算中不考慮樓板的剛度。

地震作用考慮偶然偏心影響時(shí)采用等效樓板尺寸；計(jì)算時(shí)考慮平動(dòng)與扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)的作用,雙向地震作用及偶然偏心的影響。

5 結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果與分析

5.1 主要計(jì)算結(jié)果

1) 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特征。

結(jié)構(gòu)動(dòng)力特征見(jiàn)表1。

表1 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特征

2) 層間位移角及扭轉(zhuǎn)位移比見(jiàn)表2。

表2 層間位移角及扭轉(zhuǎn)位移比

3) 結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性、抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算見(jiàn)表3。

表3 結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性、抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算

5.2 計(jì)算說(shuō)明與分析

根據(jù)上述結(jié)果發(fā)現(xiàn),Midas/gen在計(jì)算結(jié)構(gòu)偶然偏心影響時(shí)通過(guò)對(duì)各樓層施加層最大地震剪力乘以偏心距計(jì)算的扭矩并作為單獨(dú)工況考慮,設(shè)計(jì)認(rèn)為其計(jì)算方法與地震作用的振動(dòng)特征不夠符合。經(jīng)向軟件編制單位咨詢(xún),在很多工程中均存在計(jì)算的最大扭轉(zhuǎn)位移比與其他軟件偏差較大的問(wèn)題。設(shè)計(jì)采用該公司針對(duì)建筑結(jié)構(gòu)編制的Midas/building進(jìn)行補(bǔ)充分析,計(jì)算位移比的結(jié)構(gòu)可基本滿(mǎn)足規(guī)范限值。

考慮地震作用偶然偏心的影響時(shí),樓層的平面尺寸采用了等效樓板尺寸。

Etabs在統(tǒng)計(jì)過(guò)程中將所有斜柱歸類(lèi)為支撐,統(tǒng)計(jì)的最大扭轉(zhuǎn)位移比偏小,圖表中采用人工方法統(tǒng)計(jì),取該層樓面除躍層節(jié)點(diǎn)外所有節(jié)點(diǎn)最大值與最大節(jié)點(diǎn)和最小節(jié)點(diǎn)的平均值的比值。

層間位移角各軟件的結(jié)果基本接近,最大樓層位移也接近,但扭轉(zhuǎn)位移比的結(jié)果相差較大,主要是因?yàn)椴煌浖钠淖饔眉虞d方式、剪力墻的單元類(lèi)型、平均位移的統(tǒng)計(jì)方法上都存在一定的差異,設(shè)計(jì)中擬按最不利的結(jié)果采取控制措施。Midas/gen在X向地震作用下10層以下位移比大于1.4,其中4～6層的位移比大于1.5,最大樓層為1.53,根據(jù)GB 50011-2010第3.4.4條,參考《高層建筑鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程(CECS 230∶2008)》第5.2.4條《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程征求意見(jiàn)稿》及《廣東省實(shí)施《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(JGJ 3—2002)》補(bǔ)充規(guī)定》等相關(guān)規(guī)定,最大層間位移遠(yuǎn)小于規(guī)范限值時(shí),層位移比的控制可適當(dāng)放松。

本工程風(fēng)作用計(jì)算采用了100年一遇的計(jì)算風(fēng)壓,本節(jié)中計(jì)算均采用規(guī)范算法,其計(jì)算結(jié)果均能滿(mǎn)足規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)層間位移角要求,不再單獨(dú)計(jì)算50年一遇風(fēng)作用下的結(jié)構(gòu)位移。

根據(jù)剛重比的計(jì)算結(jié)果得知,雙向剛重比均大于1.40,結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性驗(yàn)算滿(mǎn)足要求；雙向剛重比小于2.70,結(jié)構(gòu)整體計(jì)算需考慮重力二階效應(yīng)的影響。

5.3 彈性動(dòng)力時(shí)程分析的結(jié)果及分析

在本設(shè)計(jì)階段,采用Midas/gen對(duì)結(jié)構(gòu)在頻遇地震下進(jìn)行線彈性時(shí)程分析。

1) 地震波的選擇 根據(jù)《場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告》結(jié)果在頻遇地震下場(chǎng)地特征周期Tg=0.35 s,地震波峰值加速度am=0.053 g。時(shí)程分析中選用了場(chǎng)地特征周期與其接近(Ⅱ類(lèi))的兩條實(shí)際強(qiáng)震記錄和一條由《場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告》單位提供的人工模擬加速度曲線進(jìn)行分析,地震波的主要參數(shù)見(jiàn)表4。

2) 地震波的評(píng)價(jià) 見(jiàn)表5。

3) 計(jì)算結(jié)果分析 計(jì)算結(jié)果表明,每條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)果底部剪力不小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的65%,三條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值不小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的80%,滿(mǎn)足規(guī)范要求。X向、Y向各條時(shí)程地震波及反應(yīng)譜方法層剪力結(jié)果對(duì)比情況見(jiàn)圖3、圖4,可以看出,彈性時(shí)程分析的計(jì)算結(jié)果與反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果基本吻合。

表4 地震波主要參數(shù)

表5 地震波的評(píng)價(jià)

圖3 X向各條時(shí)程地震波及反應(yīng)譜方法層剪力結(jié)果對(duì)比

圖4 Y向各條時(shí)程地震波及反應(yīng)譜方法層剪力結(jié)果對(duì)比

6 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)上述分析可以得出以下結(jié)論。

1)結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)移剛度滿(mǎn)足要求,多遇地震作用下的層間位移角基本控制在規(guī)范限值的1/2左右,結(jié)構(gòu)自振振型純粹,Tt/T1小于0.6,整體扭轉(zhuǎn)性能良好。受結(jié)構(gòu)單元長(zhǎng)度較大和附加偏心距較大及建筑物本身的扭轉(zhuǎn)影響,結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)位移比超出規(guī)范要求,屬扭轉(zhuǎn)不規(guī)則結(jié)構(gòu)。其余整體指標(biāo)均可滿(mǎn)足規(guī)范要求。

2)采用Midas/Gen與Etabs計(jì)算的結(jié)果在總體性能上接近,大多數(shù)構(gòu)件計(jì)算內(nèi)力基本相當(dāng),分析結(jié)果是可信的。

3)由于豎向體型變化以及裙房主樓偏置原因造成扭轉(zhuǎn)比規(guī)則比較明顯，屬扭轉(zhuǎn)不規(guī)則結(jié)構(gòu),經(jīng)調(diào)整不考慮偶然偏心地震作用下扭轉(zhuǎn)規(guī)則性能較好；但在考慮偶然偏心地震作用下25%總高的裙房部分層位移比難以控制在1.4以?xún)?nèi),根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50011—2010)》第3.4.4條，參考《高層建筑鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程(CECS 230∶2008)》第5.2.4條與《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程征求意見(jiàn)稿》及《廣東省實(shí)施《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(JGJ 3—2002)》補(bǔ)充規(guī)定》等相關(guān)規(guī)定,最大層間位移遠(yuǎn)小于規(guī)范限值時(shí)可通過(guò)提高抗扭性能,采用性能化設(shè)計(jì)等方法保證結(jié)構(gòu)的抗震性能。

4)部分樓層按剛度計(jì)算分配的最大樓層地震剪力小于結(jié)構(gòu)地震總剪力的10%,設(shè)計(jì)中放大核心筒墻體的地震作用,使其能承擔(dān)全部地震作用；墻體抗震等級(jí)為一級(jí),抗震等級(jí)上不再提高,采取設(shè)置鋼骨框架及控制軸壓比等措施來(lái)提高筒體的抗震性能。對(duì)框架部分的地震作用按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范 (GB 50011—2010)》附錄G的要求進(jìn)行放大。

根據(jù)上述方式對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算并采取技術(shù)措施,順利通過(guò)超限審查。

Analysis on the Structural Design for an Overrun Special- Shapped High- Rise Office Building

XUWeimin

2017- 03- 24

徐衛(wèi)敏(1982—),女，浙江臺(tái)州人，講師，從事建筑結(jié)構(gòu)教學(xué)工作。

TU973+.17

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1008- 3707(2017)04- 0005- 06