某超限高層的抗震設(shè)計分析

鄭建峰

(山西省建筑設(shè)計研究院，山西太原 030013)

1 工程概況

某醫(yī)院綜合住院樓，主樓地上17層，地下1層(包括1層設(shè)備層);裙樓地上5層，地下1層(包括1層設(shè)備層)。主樓建筑總高度69.09 m;裙樓建筑總高度21.99 m。該工程主體采用框架—剪力墻結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土梁板式筏形基礎(chǔ)，所有樓板均采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板。根據(jù)《建筑抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》，本工程屬于重點設(shè)防類建筑，抗震設(shè)防烈度8度，設(shè)計基本地震加速度值為0.2g，設(shè)計地震分組為第一組?？拐鸫胧┌幢镜貐^(qū)抗震設(shè)防烈度提高1度即9度進(jìn)行設(shè)計?？蚣芘c剪力墻抗震等級:抗震措施為一級;抗震構(gòu)造措施為特一級。

本工程受建筑功能限制，主裙樓間不能設(shè)變形縫，設(shè)置沉降后澆帶調(diào)節(jié)沉降差。本工程長101.6 m，采用設(shè)一道溫度后澆帶及一些其他措施調(diào)節(jié)溫度收縮。圖1為該工程主、裙樓平面圖，圖2為主樓平面圖。

2 結(jié)構(gòu)超限情況

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范(GB 50011-2010)統(tǒng)一培訓(xùn)教材》及《山西省抗震設(shè)防超限高層建筑工程界定規(guī)定》中的條文，本工程平面和豎向規(guī)則性指標(biāo)中有兩項超出規(guī)范的要求:1)即塔樓偏置:單塔或多塔與大底盤的質(zhì)心偏心距大于底盤相應(yīng)邊長20%。由于受建筑功能制約，主、裙樓間未能設(shè)置變形縫，進(jìn)而出現(xiàn)如下問題:上部樓層與下部大底盤的質(zhì)心偏心距15.4 m，相應(yīng)大底盤邊長的 61.2 m，二者之比 15.4/61.2=25.16%，超出規(guī)范要求的20%。2)剛度突變:相鄰樓層剛度變化大于70%或連續(xù)三層變化大于80%。本樓第四層(設(shè)備層)X向樓層最小抗剪承載力之比0.71，Y向樓層最小抗剪承載力之比0.78，均小于規(guī)范要求。

3 結(jié)構(gòu)抗震計算和分析

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》5.1.12規(guī)定，體型復(fù)雜、結(jié)構(gòu)布置復(fù)雜一級B級高度的高層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)采用至少兩個不同力學(xué)模型的結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行整體計算。本工程的結(jié)構(gòu)整體計算采用中國建筑科學(xué)研究院PKPMCAD工程部的多層及高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析與設(shè)計軟件SATWE和特殊多、高層建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計軟件PMSAP，采用彈性時程分析法進(jìn)行了多遇地震下的補(bǔ)充計算，采用了PUSH進(jìn)行了彈塑性分析的補(bǔ)充計算。

3.1 抗震性能目標(biāo)的確定

圖1 主裙樓平面圖

圖2 主樓平面圖

因本工程建筑形式和功能的要求，采用主樓和裙樓結(jié)合的建筑體型，從而使結(jié)構(gòu)體型出現(xiàn)了塔樓偏置的超限情況，且由于本建筑屬于醫(yī)院綜合樓，在四層布置有設(shè)備層，層高較低，出現(xiàn)了樓層剛度突變，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度不規(guī)則。結(jié)合本工程實際情況和業(yè)主要求，以及通過征詢專家意見，并結(jié)合相關(guān)規(guī)范要求，確定本工程抗震性能目標(biāo)為C級，相應(yīng)的性能水準(zhǔn):多遇地震下為1，設(shè)防烈度地震為3，預(yù)估的罕遇地震為4;并據(jù)此對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相應(yīng)的計算和設(shè)計分析。

3.2 多遇地震下結(jié)構(gòu)整體計算和分析

3.2.1 計算參數(shù)的確定

1)因本工程塔樓偏置，質(zhì)量和剛度分布不均勻，故根據(jù)JGJ 3-2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程第4.3.4條規(guī)定，對質(zhì)量和剛度不對稱、不均勻的高層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)采用考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)振動影響的振型分解反應(yīng)譜法，計算振型數(shù)取為15;根據(jù)4.3.2條規(guī)定，計算雙向水平地震作用下的扭轉(zhuǎn)影響;根據(jù)《高規(guī)》4.3.17條規(guī)定，計算自振周期折減系數(shù)取為0.8;樓板將定為在平面內(nèi)無限剛性。2)根據(jù)地質(zhì)勘查報告，確定本工程地震烈度8度，基本地震加速度0.20g，場地類別為Ⅲ類，設(shè)計地震分組第一組，多遇地震水平影響系數(shù)最大值0.16，罕遇地震水平影響系數(shù)最大值0.90，特征周期0.45，結(jié)構(gòu)阻尼比0.05。3)因本工程結(jié)構(gòu)形式為框架—剪力墻，框架柱在裙樓頂部發(fā)生較大變化，故根據(jù)高規(guī)8.1.4條，將框架柱剪力分兩段進(jìn)行了調(diào)整，調(diào)整系數(shù)由程序自動生成。

3.2.2 計算結(jié)果分析

如表1所示為在多遇地震下兩種計算程序，SATWE和PMSAP的結(jié)構(gòu)計算結(jié)果，從中可知兩種程序的各項計算指標(biāo)基本接近，結(jié)構(gòu)自振周期在合理范圍之內(nèi)，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期Tt與平動為主的第一自振周期T1之比小于0.9，樓層最大扭轉(zhuǎn)位移比小于1.4，這表明本工程結(jié)構(gòu)布置具有必要的抗扭剛度，但是扭轉(zhuǎn)效應(yīng)較為明顯，抗側(cè)力構(gòu)件布置還可以進(jìn)一步優(yōu)化;樓層最大層間位移角小于1/800，表明在正常使用條件下，主體結(jié)構(gòu)基本處于彈性受力狀態(tài)。該結(jié)構(gòu)剛重比EJd/GH2＞2.7，可以不考慮重力二階效應(yīng)，結(jié)構(gòu)在水平力作用下保持穩(wěn)定，不會失穩(wěn)倒塌。水平地震計算作用時，結(jié)構(gòu)各樓層的最小剪重比大于規(guī)范所要求的3.2%，有效質(zhì)量系數(shù)大于規(guī)范所要求的90%;最小樓層抗剪承載力之比小于1，即本結(jié)構(gòu)類型屬于豎向不規(guī)則，出現(xiàn)了軟弱層，需要采取一定的加強(qiáng)措施。

表1 多遇地震下結(jié)構(gòu)整體計算分析結(jié)果

3.2.3 彈性時程分析

根據(jù)高規(guī)要求，對于剛度沿豎向分布不規(guī)則的建筑，在采用振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行分析外，還需采用時程分析方法進(jìn)行補(bǔ)充計算。本工程選取了5條天然波和2條人工波進(jìn)行了時程分析，并取7條波的平均值同振型分解反應(yīng)譜法的計算結(jié)果做了比較，如圖3所示可知，振型分解反應(yīng)譜法(CQC法)與平均譜在結(jié)構(gòu)主振型周期點(1.6 s)上的影響系數(shù)相當(dāng)接近，且不大于20%，即在統(tǒng)計意義上相符。

圖3 規(guī)范譜與平均譜比較圖

3.3 罕遇地震計算結(jié)果分析

表2為罕遇地震下樓層層間彈塑性位移角，從表2中可知在荷載方向與X軸夾角為0°和90°的兩種情況下，通過靜力彈塑性分析所得的本樓最大層間位移角均小于規(guī)范規(guī)定的1/100。筆者通過塑性鉸分布圖找到了最大位移角發(fā)生的樓層以及塑性鉸分布較密的區(qū)域。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，對相應(yīng)部位采取了加強(qiáng)措施:加大剪力墻的配筋率，以提高其在罕遇地震下的延性，減小塑性變形，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)安全性。

表2 層間彈塑性位移角

4 抗震設(shè)計優(yōu)化與構(gòu)造措施

1)在裙樓部分增設(shè)了數(shù)片剪力墻，以調(diào)整突出部分的剛度，減小質(zhì)心偏移過大造成的扭轉(zhuǎn)影響。2)通過調(diào)整裙房的剪力墻布置及主樓兩側(cè)框梁的高度，減小了主、裙樓的剛性偏心距，增強(qiáng)了主樓的抗扭剛度，減小了偶然偏心下樓層的層間位移比。3)將裙樓屋頂(標(biāo)高17.420 m)樓板及其上下層(標(biāo)高15.170 m、標(biāo)高21.320 m)樓板加強(qiáng)(板厚150 mm，配筋率不小于0.25%，配筋雙層雙向)，以增強(qiáng)質(zhì)心偏移過大處的整體性。4)提高地下1層～4層豎向構(gòu)件抗震構(gòu)造措施，提高框架柱縱向鋼筋的配筋率，剪力墻全部設(shè)置約束邊緣構(gòu)件，以保證建筑底部出現(xiàn)塑性鉸后具有足夠的延性。

5 結(jié)語

本工程為平面規(guī)則，豎向不規(guī)則的兩項超限高層結(jié)構(gòu)，筆者采用了兩種不同力學(xué)模型的軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)在多遇地震下的計算分析，彈塑性時程分析作為補(bǔ)充計算;為實現(xiàn)結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計，采用彈塑性靜力分析進(jìn)行罕遇地震下結(jié)構(gòu)的計算和分析，并通過計算結(jié)構(gòu)采取了一定的抗震加強(qiáng)措施，為今后此類工程的設(shè)計提供參考。

［1］陳麗紅，冷立群.天譽(yù)三期雙塔頂部連體超限高層結(jié)構(gòu)設(shè)計［J］.廣東土木與建筑，2005(10):65-66.

［2］JGJ 3-2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.

［3］GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計規(guī)范［S］.