某啞鈴型辦公樓抗震分析與設(shè)計(jì)

周慧鑫 王 干 趙建忠

(蘇州工業(yè)園區(qū)設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，江蘇蘇州 215021)

1 工程概況

某辦公樓地下1層，地上6層，建筑面積13 480．22 m2，建筑總高23．7 m。設(shè)計(jì)使用年限為50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，建筑場(chǎng)地類別為三類，抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0．05g，建筑抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類，結(jié)構(gòu)體系為鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)，框架抗震設(shè)防等級(jí)為四級(jí)，剪力墻的抗震設(shè)防等級(jí)為三級(jí)，地基基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)等級(jí)為乙級(jí)，基礎(chǔ)為筏板基礎(chǔ)。地面粗糙度類別為B類，基本風(fēng)壓0．45 kN/m2，基本雪壓為 0．4 kN/m2。

本工程建筑平面呈啞鈴型，長(zhǎng) L=56．2 m，寬 B=45．2 m，凹入尺寸 l=27．6 m，L/B=1．24，l/B=0．61 ＞0．35，屬于平面不規(guī)則建筑且超規(guī)范限值較大。盡管建筑豎向體型均勻、規(guī)則，但本工程仍屬于特別不規(guī)則建筑。

2 結(jié)構(gòu)方案確定

結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)時(shí)，如沿用傳統(tǒng)信息思路則應(yīng)通過設(shè)置抗震縫將上部結(jié)構(gòu)分割成較為規(guī)則的三個(gè)單體，但本工程綜合考慮各種因素后，決定采用無縫設(shè)計(jì)，不設(shè)抗震縫，按照“工”形進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，主要因素如下:

1)此建筑周邊由連續(xù)的玻璃幕墻作為圍護(hù)構(gòu)件，如果分縫處理，玻璃幕墻在分縫處的連接施工工藝復(fù)雜，并且在總體布局上感覺為凌亂的多個(gè)建筑體塊，影響建筑整體效果。

2)在以往的結(jié)構(gòu)概念中，認(rèn)為多個(gè)獨(dú)立的規(guī)則的結(jié)構(gòu)單元，能夠很好的保證結(jié)構(gòu)在地震作用下的結(jié)構(gòu)安全性，但在最近一些地震震害分析中發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)單元之間的抗震縫寬度均在經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)，因具體結(jié)構(gòu)體系的差別，以及地震力大小的區(qū)別，引起了結(jié)構(gòu)水平作用位移遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過抗震縫的實(shí)際寬度，致使在地震時(shí)，發(fā)生了較高概率的碰撞。致使抗震縫兩側(cè)的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件(填充墻，女兒墻)及主結(jié)構(gòu)構(gòu)件(梁，柱，剪力墻)發(fā)生破壞，諸如在1994年北嶺地震(1994 Northridge earthquake)和2008年汶川地震等大震中，都存在相鄰建筑物相撞引起的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，造成較大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失;在汶川地震中，綿陽市檢察院新建綜合辦公樓，由于地震時(shí)伸縮縫被拉開又重合，造成巨大的沖擊力，導(dǎo)致頂部幕墻局部震碎形成“玻璃雨”。

3)正常使用情況下，因存在抗震縫(即永久縫)，致使在建筑防水的處理上，難以達(dá)到完美;同時(shí)因本建筑特點(diǎn)，從入門廳至辦公室中每次均需跨越永久縫，影響人的自身生理感覺。

4)針對(duì)本工程的特點(diǎn)，在樓梯間處集中布置剪力墻，形成封閉筒體，保證樓板水平力的有效傳遞。其次在結(jié)構(gòu)平面的四角處巧妙利用建筑墻體設(shè)置剪力墻，減小結(jié)構(gòu)在地震作用下的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

結(jié)構(gòu)典型平面布置見圖1。

圖1 結(jié)構(gòu)平面布置圖

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

3．1 設(shè)計(jì)理念

我國(guó)現(xiàn)行抗震規(guī)范GB 50011-2011第3．4．4條的規(guī)定:特別不規(guī)則的建筑，應(yīng)經(jīng)專門研究，采取更有效的加強(qiáng)措施或?qū)Ρ∪醪课徊扇∠鄳?yīng)的抗震性能化設(shè)計(jì)方法。綜合考慮抗震設(shè)防類別，設(shè)防烈度，場(chǎng)地條件，結(jié)構(gòu)的特殊性，安全性，可修復(fù)性等各項(xiàng)因素，本工程的結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)水準(zhǔn)定為D級(jí)［1-3］。性能設(shè)計(jì)指標(biāo)見表1。

表1 性能設(shè)計(jì)指標(biāo)

為了達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目的、實(shí)現(xiàn)預(yù)定的抗震設(shè)防目標(biāo)，分別進(jìn)行了以下計(jì)算，見表2。

3．1．1 主要計(jì)算參數(shù)

混凝土容重取26 kN/m3，計(jì)算X，Y兩個(gè)方向的風(fēng)荷載和水平地震作用;結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1．0;振型組合方法為CQC;計(jì)算振型為15個(gè);考慮偶然偏心和雙向地震扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。周期折減系數(shù)取 0．7。

表2 設(shè)計(jì)計(jì)算情況

3．1．2 計(jì)算結(jié)果

小震作用結(jié)果如表3所示。

表3 小震作用計(jì)算結(jié)果

無超配筋信息，滿足性能水準(zhǔn)1的要求。

框架柱剪力墻正截面承載力中震不屈服驗(yàn)算的目的是考察框架剪力墻在中震作用是否滿足正截面不屈服的性能設(shè)計(jì)目標(biāo)，結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)滿足中震的性能設(shè)計(jì)目標(biāo)4。

大震截面受剪驗(yàn)算的目的主要是考察豎向構(gòu)件在大震作用下是否滿足性能設(shè)計(jì)目標(biāo)，經(jīng)計(jì)算，所有豎向構(gòu)件在大震作用下均能滿足截面受剪尺寸要求，滿足大震下防止框架柱發(fā)生脆性破壞的性能設(shè)計(jì)目標(biāo)要求:滿足性能水準(zhǔn)5的要求?，F(xiàn)取典型構(gòu)件計(jì)算，見表4。

表4 大震作用計(jì)算結(jié)果

3．2 樓板有限元應(yīng)力分析

在樓板薄弱平面有效寬度較小，有必要進(jìn)行樓板有限元應(yīng)力分析驗(yàn)證，驗(yàn)證加設(shè)剪切筒體是否能夠有效保證水平力的傳遞，驗(yàn)證樓板厚度是否滿足設(shè)計(jì)要求，保證在中震作用下，樓板的有效性。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果云圖可知，加設(shè)剪力墻筒體后，樓板應(yīng)力較純框架結(jié)構(gòu)分布更加均勻，無樓板應(yīng)力集中現(xiàn)象，滿足強(qiáng)度要求，也能有效的保證水平力的傳遞，見圖2，圖3。

圖2 有剪力墻核心筒時(shí)樓板應(yīng)力

圖3 無剪力墻核心筒時(shí)樓板應(yīng)力

4 結(jié)語

盡管平面極其不規(guī)則，但通過多工況多軟件計(jì)算分析，以及合理的結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施，多工況計(jì)算結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出良好的抗震性能，可以確定現(xiàn)有設(shè)計(jì)是安全的、合理的。

1)啞鈴型結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)概念上為平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)體系。但經(jīng)過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，借助結(jié)構(gòu)軟件的計(jì)算分析，能夠滿足結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)目標(biāo);

2)樓板薄弱部位設(shè)置剪力墻筒體，可以有效降低應(yīng)力集中，減輕震害，并可保證水平力的有效傳遞;

3)細(xì)腰處樓板厚度采取加厚，厚度不宜小于150 mm，配筋率不宜小于0．25%，且鋼筋應(yīng)雙層雙向拉通。

［1］GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．

［2］JGJ 3-2010備案號(hào)J 186-2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］．

［3］基于性能的抗震設(shè)計(jì)——現(xiàn)狀與課題(2012版)［M］．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012．