王建峰 陳 露 虞終軍

(同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司,上海 200092)

1 工程概況

昆明規(guī)劃館位于昆明市環(huán)湖東路與云秀路交叉口東南的寶豐濕地內(nèi),總建筑面積約3.63萬(wàn)m2,其中地上約2.69萬(wàn)m2,地下室約0.94萬(wàn)m2。昆明規(guī)劃館建筑高度24.00 m,地上四層,主要功能為規(guī)劃展示、學(xué)術(shù)交流、會(huì)議接待、科普教育等,地下一層,主要功能為車庫(kù)及機(jī)電用房等(圖1)。

本工程采用隔震框架結(jié)構(gòu)體系,隔震層位置設(shè)置在地下室底板與基礎(chǔ)之間。隔震層層高2.1 m,地下室層高6.3 m,地上部分層高分別為6 m、6 m、6 m及4.5 m,地上結(jié)構(gòu)長(zhǎng)約90 m、寬約90 m。

本工程設(shè)計(jì)使用年限50年,根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)[1],建筑抗震設(shè)防烈度為8度,設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.20g,本工程設(shè)計(jì)地震分組為第三組,場(chǎng)地類別為Ⅲ類,特征周期0.45 s。根據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50223—2008)[2],工程抗震設(shè)防類別為乙類。本項(xiàng)目按要求計(jì)算水平地震作用和豎向地震作用。

圖1 建筑鳥(niǎo)瞰圖Fig.1 Overview of building

2 結(jié)構(gòu)選型及布置

2.1 結(jié)構(gòu)方案比選

本項(xiàng)目外形規(guī)則,在滿足建筑造型、立面和內(nèi)部功能布置的前提下,通過(guò)合理分析建筑構(gòu)成,充分利用建筑空間創(chuàng)造的結(jié)構(gòu)布置的條件,采用合適的結(jié)構(gòu)形式,合理布置豎向構(gòu)件,達(dá)到建筑、結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一。本工程地上部分典型的建筑平剖面如圖2-圖4所示,本項(xiàng)目建筑外形及內(nèi)部功能布置簡(jiǎn)潔,規(guī)律性較強(qiáng),建筑內(nèi)部由環(huán)繞建筑的展廳及少量辦公用房、樓梯、設(shè)備房間、上下通透的共享空間等組成,并由三縱三橫的走道將各功能區(qū)緊密聯(lián)系起來(lái)。結(jié)合上述分析及本項(xiàng)目的建筑造型特點(diǎn),結(jié)構(gòu)主抗側(cè)力體系采用建筑造型、功能適應(yīng)性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)受力合理、經(jīng)濟(jì)性較強(qiáng)的框架結(jié)構(gòu)。

圖2 典型樓層功能分布圖Fig.2 Functional arrangement of typical floor

圖3 建筑東西向剖面圖Fig.3 East-west profile of building

為更好地滿足建筑功能的要求,根據(jù)建筑上述特點(diǎn),進(jìn)行豎向構(gòu)件的布置。緊密結(jié)合多展廳、大空間的建筑布局,地上結(jié)構(gòu)設(shè)置了16宮格形柱網(wǎng),主要柱網(wǎng)為16 m,部分大空間柱網(wǎng)39 m,內(nèi)部主要為截面700 mm的方柱,外圍為截面1 000 mm的方柱,滿足建筑功能、外觀要求,實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)有機(jī)統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)布置。地下部分主要功能為車庫(kù)及機(jī)電用房,為減小地下室層高,地下室部分在不影響建筑功能的基礎(chǔ)上,對(duì)地上柱網(wǎng)進(jìn)行加密,布置了邊長(zhǎng)500 mm的框架柱。二層結(jié)構(gòu)平面布置見(jiàn)圖5。

圖4 建筑南北向剖面圖Fig.4 South-north profile of building

圖5 二層結(jié)構(gòu)平面布置圖Fig.5 Structural plan layout of second floor

因本項(xiàng)目處于8度區(qū)三類場(chǎng)地,地震作用效應(yīng)較大,且層高較大,方案階段對(duì)采用不經(jīng)隔震的框架結(jié)構(gòu),框架-剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算,均不能很好地滿足建筑功能和效果要求。

(1) 若采用不經(jīng)隔震的框架結(jié)構(gòu),經(jīng)過(guò)計(jì)算,由于主要框架間距較大,框架柱截面將普遍大于1.3 m,且地震反應(yīng)較大,同時(shí)較大的框架柱截面對(duì)內(nèi)部功能布置、視覺(jué)效果產(chǎn)生不利影響。

(2) 若采用不經(jīng)隔震的框架-剪力墻結(jié)構(gòu),在上述柱網(wǎng)布置的基礎(chǔ)上,在樓梯間、內(nèi)部固定隔墻等位置增加剪力墻,可控制內(nèi)部主要柱截面700 mm×700 mm,但因建筑外圍大空間導(dǎo)致柱距較大,扭轉(zhuǎn)明顯,需增加外圍剛度,因而需在建筑外圍布置剪力墻,將對(duì)建筑立面和內(nèi)部大空間造成一定影響。且計(jì)算結(jié)果顯示,墻肢在不利的小震組合下普遍出現(xiàn)較大的小偏心受拉,對(duì)抗震不利。

為滿足建筑對(duì)于空間效果和使用的要求,同時(shí)減小地震作用,本工程考慮采用隔震技術(shù)[3-4],將隔震層設(shè)置在基礎(chǔ)底板上方。經(jīng)計(jì)算,隔震后框架結(jié)構(gòu)地震作用減小顯著,在滿足建筑需求的同時(shí),增加了結(jié)構(gòu)抗震安全性。隔震支座布置見(jiàn)圖6。

圖6 隔震支座平面布置圖Fig.6 Layout of rubber bearings

2.2 平面布置

本工程地下一層外圍布置混凝土墻,控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng),使質(zhì)心及剛心盡量重合。地上部分采用純框架,因功能需求,建筑平面存在大開(kāi)洞及大跨度區(qū)域,因此,對(duì)洞邊梁及樓板采取增大截面及配筋等加強(qiáng)措施[5]。二層及以上樓層的展廳邊梁因布置懸挑樓板存在較大扭矩,設(shè)計(jì)中在框架梁內(nèi)布置型鋼,同時(shí)加大、加密抗扭縱筋及箍筋,以滿足規(guī)范要求。本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用的主要截面見(jiàn)表1。

表1本工程結(jié)構(gòu)主要截面

Table 1 Main section of this project mm

3 隔震設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 隔震層位置的選擇

隔震層的位置不僅涉及結(jié)構(gòu)專業(yè),對(duì)建筑、設(shè)備專業(yè)也有較大影響。因此,對(duì)隔震層的位置進(jìn)行了比選。

本工程地下一層設(shè)置車庫(kù)、設(shè)備用房及下沉式展廳,地上的主要功能均為大空間展廳等用房。對(duì)于隔震層的位置,可將隔震層設(shè)置在一層或地下室底板位置。若將隔震層設(shè)置在一層,建筑及設(shè)備專業(yè)將受到很大影響:隔震層上下的結(jié)構(gòu)在地震作用下各方向?qū)a(chǎn)生位移差,為防止碰撞,建筑功能布置需考慮結(jié)構(gòu)的位移,電梯、樓梯、下掛基坑、設(shè)備管井等周邊都必須預(yù)留水平自由移動(dòng)空間,造成建筑功能布置困難,有效使用面積將減小,設(shè)備的豎向連接也將更復(fù)雜。另外由于建筑底板標(biāo)高更低,汽車坡道將更長(zhǎng),占用更多面積。

綜合考慮各專業(yè)因素,確定隔震層位置設(shè)置在地下室底板面,有利于建筑功能和設(shè)備管井布置,節(jié)約建筑面積,效果顯著。

3.2 隔震支座布置

隔震層的設(shè)計(jì)是本工程的難點(diǎn)之一,其中隔震支座的布置是關(guān)鍵。本工程選用了兩種類型的隔震支座,分別是天然橡膠支座及鉛芯橡膠支座,隔震支座見(jiàn)圖7、圖8。

圖7 隔震支座示意圖Fig.7 Illustration of isolation bearing support

本工程采用的橡膠隔震支座,在選擇其直徑、個(gè)數(shù)和平面布置時(shí),主要考慮了以下因素:

圖8 隔震支座實(shí)物圖Fig.8 Isolation bearing support

(1) 根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱《抗規(guī)》)[1]12.2.3條,同一隔震層內(nèi)各個(gè)橡膠隔震支座的豎向壓應(yīng)力宜均勻,豎向平均應(yīng)力不應(yīng)超過(guò)限值12 MPa。

(2) 在罕遇地震作用下,隔震支座不宜出現(xiàn)拉應(yīng)力,當(dāng)少數(shù)隔震支座出現(xiàn)拉應(yīng)力時(shí),其拉應(yīng)力不應(yīng)大于1 MPa。

(3) 隔震支座的水平位移限值不應(yīng)超過(guò)其有效直徑的0.55倍和各橡膠層總厚度3倍二者的較小值。

(4) 采用隔震的結(jié)構(gòu),風(fēng)荷載產(chǎn)生的總水平力不超過(guò)結(jié)構(gòu)總重力的10%。

(5) 橡膠支座均為S-A類支座,第一形狀系數(shù)不小于15.0,第二形狀系數(shù)不應(yīng)小于5.0。

根據(jù)框架柱底的重力荷載代表值,結(jié)合規(guī)范對(duì)于層間位移角、扭轉(zhuǎn)位移比等指標(biāo)進(jìn)行支座的布置及選擇。初步確定采用直徑為600～900 mm的普通橡膠支座(LNR)及鉛芯橡膠支座(LRB)。經(jīng)計(jì)算,支座偏心率X向?yàn)?.13%,Y向?yàn)?.57%,支座側(cè)向剛度分布均勻,各層扭轉(zhuǎn)位移比小于1.2,滿足規(guī)范要求,支座平面布置合理。隔震支座力學(xué)性能參數(shù)見(jiàn)表3、表4。

3.3 隔震支座壓應(yīng)力驗(yàn)算

經(jīng)驗(yàn)算,各個(gè)隔震支座在重力荷載代表值作用下的壓應(yīng)力見(jiàn)圖9,由圖可知,支座壓應(yīng)力均小于12 MPa,支座有足夠的安全儲(chǔ)備。

3.4 隔震結(jié)構(gòu)抗風(fēng)驗(yàn)算

根據(jù)《抗規(guī)》[1]12.1.3條,采用隔震的結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載產(chǎn)生的總水平力不宜超過(guò)結(jié)構(gòu)總重力的10%,本結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的產(chǎn)生的總水平力為1 795.6 kN,結(jié)構(gòu)總重力為908 869 kN。風(fēng)荷載產(chǎn)生的總水平力約為結(jié)構(gòu)總重力的0.2%,滿足要求。

圖9 隔震支座壓應(yīng)力分布圖Fig.9 Compressive stress of isolation bearings

3.5 減震系數(shù)

本工程使用ETABS建立隔震與非隔震結(jié)構(gòu)模型,并進(jìn)行計(jì)算與分析。

模型計(jì)算根據(jù)規(guī)范選取了5組天然波及2組人工波(圖10),多組時(shí)程的平均地震影響系數(shù)曲線應(yīng)與振型分解反應(yīng)譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計(jì)意義上相符。

圖10 地震波曲線Fig.10 Seismic waves

彈性時(shí)程分析時(shí),每條時(shí)程計(jì)算的結(jié)構(gòu)底部剪力不小于振型分解反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果的65%,7條時(shí)程計(jì)算的結(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%。

隔震前后結(jié)構(gòu)自振周期見(jiàn)表2。性能參數(shù)見(jiàn)表3、表4。

中震作用下,隔震與非隔震結(jié)構(gòu)層間剪力比見(jiàn)表5、表6。由表可知,本工程結(jié)構(gòu)的水平地震減震系數(shù)為0.336,根據(jù)規(guī)范,本工程水平地震作用可按降低1度進(jìn)行計(jì)算。

表2隔震前后結(jié)構(gòu)自振周期

Table 2 Natural period comparison between isolated structure and non-isolated structure

3.6 罕遇地震作用下層間位移角驗(yàn)算

為實(shí)現(xiàn)大震不倒的抗震性能目標(biāo),對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了彈塑性分析,計(jì)算結(jié)果(表7)表明,結(jié)構(gòu)沒(méi)有明顯的薄弱部位,結(jié)構(gòu)最大基底剪力在小震的3～4倍之間,處于合理范圍,罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的最大層間位移角:X向?yàn)?/138,Y向?yàn)?/137,小于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的限值1/50,計(jì)算滿足規(guī)范要求[6]。

表3有鉛芯橡膠隔震支座力學(xué)性能參數(shù)

Table 3 Mechanical properties of lead-rubber bearings

表4天然橡膠隔震支座力學(xué)性能參數(shù)

Table 4 Mechanical properties of natural rubber bearings

表5隔震與非隔震結(jié)構(gòu)層間剪力比1

Table 5 Inter-storey shear ratio between isolated structures and non-isolated structure (No.1)

表6隔震與非隔震結(jié)構(gòu)層間剪力比2

Table 6 Inter-storey shear ratio between isolated structure and non-isolated structure (No.2)

表7大震彈塑性分析結(jié)果

Table 7 Results of elasto-plastic analysis

3.7 隔震支座拉應(yīng)力驗(yàn)算

根據(jù)《抗規(guī)》[1]12.2.4條規(guī)定:隔震橡膠支座在罕遇地震的水平和豎向地震同時(shí)作用下,拉應(yīng)力不應(yīng)大于1.0 MPa。罕遇地震作用下,當(dāng)荷載組合為0.09×恒荷載-0.05×活荷載+1.00×水平地震作用時(shí),大部分支座受壓,支座受最大拉應(yīng)力為0.08 MPa,出現(xiàn)在176號(hào)(建筑西北角)支座LRB600。當(dāng)荷載組合為0.09×恒荷載-0.05×活荷載-1.00×水平地震作用時(shí),大部分支座受壓,支座受最大拉應(yīng)力為0.05 MPa,出現(xiàn)在170號(hào)(建筑東北角)支座LRB600。罕遇地震下,隔震支座拉應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

罕遇地震下,隔震支座拉應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

罕遇地震作用下,支座應(yīng)力分布見(jiàn)圖11。

圖11 罕遇地震作用下支座應(yīng)力Fig.11 Stress of bearings under rare earthquake

3.8 隔震構(gòu)造設(shè)計(jì)

罕遇地震下隔震層水平位移計(jì)算采用的荷載組合為:1.0×恒荷載+0.5×活荷載±1.0×水平水平地震。經(jīng)計(jì)算,罕遇地震下各個(gè)支座最大水平位移為303 mm。根據(jù)規(guī)范要求,隔震結(jié)構(gòu)應(yīng)該采取不阻礙隔震層在罕遇地震下發(fā)生大變形的構(gòu)造措施。上部結(jié)構(gòu)的周邊應(yīng)設(shè)置豎向隔離縫,縫寬不宜小于隔震橡膠支座在罕遇地震下的最大水平位移的1.2倍,且不宜小于200 mm。根據(jù)上述要求,為有效地滿足地震作用下結(jié)構(gòu)多方向的變形需求,本工程設(shè)計(jì)了多種隔震構(gòu)造節(jié)點(diǎn),見(jiàn)圖12-圖16。

圖12 一般出入口示意圖(單位:mm)Fig.12 Draft of ordinary passageway (Unit:mm)

圖13 汽車坡道出入口示意圖(單位:mm)Fig.13 Draft of car ramp entrance (Unit:mm)

3.9 設(shè)防地震作用下樓板應(yīng)力分析

樓板采用強(qiáng)度等級(jí)為C35的混凝土,其抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.57 MPa,抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.2 MPa。

按照全樓彈性樓板假定進(jìn)行設(shè)防地震作用下的樓板應(yīng)力分析[7],分析結(jié)果表明,設(shè)防地震作用下,大部分樓層的樓板的拉應(yīng)力不大于1.0 MPa,僅地下室頂板局部區(qū)域(主要集中在個(gè)別角部處或者平面凹角區(qū)域等應(yīng)力集中處)峰值約1.6 MPa,可滿足中震下樓板應(yīng)力不超過(guò)ftk的要求。樓板應(yīng)力分布見(jiàn)圖14-圖17。

4 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

本工程基礎(chǔ)底板面標(biāo)高主要為-8.400 m。因上部結(jié)構(gòu)荷載不均勻,荷載差異較大,基礎(chǔ)設(shè)計(jì)考慮了地基承載力、控制差異沉降和地下水浮力等因素,確定采用灌注樁,并采用后注漿工藝[8]。

圖14 四層X(jué)向地震作用下主應(yīng)力(S11)Fig.14 Slab stress of 4th floor withstanding the design earthquake of direction X (S11)

圖15 四層Y向地震作用下主應(yīng)力(S11)Fig.15 Slab stress of 4th floor withstanding the design earthquake of direction Y (S11)

圖16 四層X(jué)向地震作用下主應(yīng)力(S22)Fig.16 Slab stress of 4th floor withstanding the design earthquake of direction X (S22)

圖17 四層Y向地震作用下主應(yīng)力(S22)Fig.17 Slab stress of 4th floor withstanding the design earthquake of direction Y (S22)

主體結(jié)構(gòu)受力較大的基礎(chǔ),擬采用直徑800 mm灌注樁,持力層為⑧層粉土,樁頂標(biāo)高-9.3～-10.7 m,樁長(zhǎng)約為34.5 m,單樁抗壓承載力特征值為3 400 kN,采用樁端后注漿工藝。汽車坡道受力較小,擬采用直徑600 mm的灌注樁,持力層為⑦層粉土,樁頂標(biāo)高隨坡道變化,樁底標(biāo)高約-31.8 m,樁長(zhǎng)隨坡道變化,單樁抗壓承載力特征值為1 100 kN。樁基承載力按照規(guī)范要求考慮淺層欠固結(jié)土的影響[9]。

5 懸臂擋墻設(shè)計(jì)

本工程隔震支座設(shè)置在基礎(chǔ)及地下室底板之間,因此無(wú)結(jié)構(gòu)意義上的地下室嵌固,結(jié)構(gòu)計(jì)算嵌固位置在地下室底板。根據(jù)本項(xiàng)目隔震層在地下室底板位置的情況,整個(gè)地下室在地震作用下將產(chǎn)生水平位移,地下室與基礎(chǔ)底板將產(chǎn)生水平位移差,考慮到地震作用下地下室變形情況,因此在地面以下部分,在地下室外墻之外設(shè)置混凝土懸臂擋墻,地下室外墻與懸臂擋墻之間保持一定距離,擋土墻不作為建筑外墻,僅起擋土作用,與主體結(jié)構(gòu)脫開(kāi)。

擋墻設(shè)計(jì)考慮了水土壓力和地面荷載作用,并考慮地震作用等組合。

6 結(jié) 論

(1) 昆明規(guī)劃館結(jié)合建筑方案、結(jié)構(gòu)高度、高寬比、抗震設(shè)防烈度等,綜合考慮經(jīng)濟(jì)、技術(shù)要求及云南省關(guān)于推進(jìn)減隔震技術(shù)文件,采用了隔震技術(shù),結(jié)構(gòu)地震作用顯著降低,隔震層上方結(jié)構(gòu)可按降低1度進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(2) 大開(kāi)洞造成的結(jié)構(gòu)聯(lián)系薄弱,通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)布置使結(jié)構(gòu)剛度分布均勻、加大配筋等措施提高結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。

(3) 隔震層設(shè)置在地下室底板與基礎(chǔ)之間有利于建筑功能的布置,還能避免因隔震層設(shè)置在地下室頂板而出現(xiàn)的對(duì)地下室的電梯、樓梯、管井、坡道等的使用影響。

(4) 為有效地滿足地震作用下結(jié)構(gòu)多方向的變形需求,本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了多種新型的隔震構(gòu)造節(jié)點(diǎn),可供類似工程參考。