某躍層結(jié)構(gòu)的超限分析設(shè)計(jì)

包洪余，來(lái)武清，劉志凌

（中機(jī)中聯(lián)工程有限公司，重慶 400039）

1 工程概況

重慶萬(wàn)友·四季繽紛項(xiàng)目4#樓地上24層，地下3層。 嵌固端設(shè)置在基頂，從嵌固端算起的結(jié)構(gòu)高度為83.1m。地下3層為結(jié)構(gòu)架空層，地上24層為躍層結(jié)構(gòu)，存在較多的穿層墻。

結(jié)構(gòu)的典型平面如圖1所示。結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)位移比為1.42＞1.2，兩側(cè)收進(jìn)總尺寸占平面寬度百分比為89%＞50%，樓板開(kāi)洞率為56.6%＞35%。結(jié)構(gòu)為A級(jí)高度的平面不規(guī)則超限高層結(jié)構(gòu)，且豎向存在穿層墻的抗震不利因素。

圖1 躍層上、下層結(jié)構(gòu)平面圖

針對(duì)結(jié)構(gòu)超限情況，考慮到可行性、經(jīng)濟(jì)性等因素，抗震性能設(shè)計(jì)目標(biāo)為定D級(jí)[1-2]。按照《高規(guī)》3.11節(jié)的相關(guān)要求確定各類結(jié)構(gòu)構(gòu)件的具體性能目標(biāo)，此處不再贅述。

4#樓南側(cè)靠近邊坡，剖面示意如圖2所示。將單體地面以下做成3層結(jié)構(gòu)架空，目的在于將基頂下移至車庫(kù)底標(biāo)高，以保證底層地震力傳遞的有效性。離邊坡較近的基礎(chǔ)做成樁基礎(chǔ)，將相應(yīng)的結(jié)構(gòu)豎向荷載傳至更深的穩(wěn)定巖層，減小結(jié)構(gòu)與邊坡之間的相互影響。為了減小車庫(kù)裙房對(duì)結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)的影響，在單體與車庫(kù)交接處設(shè)置100mm寬變形縫。

圖2 4#樓與邊坡關(guān)系示意圖

針對(duì)該工程的超限情況和性能目標(biāo)的要求，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了小震下的反應(yīng)譜對(duì)比分析、彈性時(shí)程分析、中震下的等效彈塑性分析和大震下的彈塑性時(shí)程分析，及其他有針對(duì)性的補(bǔ)充驗(yàn)算。

2 小震彈性反應(yīng)譜對(duì)比分析

在小震彈性反應(yīng)譜分析時(shí)，采用satwe和midas building軟件對(duì)結(jié)構(gòu)的常規(guī)參數(shù)（如：質(zhì)量、周期、陣型、剛度比、抗剪承載力比、作用力、位移、位移比、剪重比、整體穩(wěn)定、軸壓比、舒適度等）進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比分析，主要對(duì)比結(jié)果如圖3-圖6和表1所示。

圖3 側(cè)向剛度比對(duì)比

圖4 抗剪承載力之比對(duì)比

圖5 地震作用層間位移角對(duì)比

圖6 風(fēng)荷載層間位移角對(duì)比

可見(jiàn)，satwe及Midas Building軟件的小震彈性反應(yīng)譜分析計(jì)算結(jié)果吻合良好，分布規(guī)律相近，且均滿足規(guī)范要求。驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)模型的合理性和正確性。

表1 小震彈性反應(yīng)譜指標(biāo)對(duì)比

3 小震彈性時(shí)程分析

根據(jù)規(guī)范[1-2]的選波原則，選取兩條天然波(USA02607、USA02623)和一條人工波進(jìn)行時(shí)程分析。三選波的地震影響系數(shù)與規(guī)范反應(yīng)譜地震影響系數(shù)的比較如圖7所示。

圖7 地震波地震影響系數(shù)與規(guī)范反應(yīng)譜對(duì)比

前三階周期上的地震影響系數(shù)對(duì)比如表2所示。

表2 前三階周期點(diǎn)上地震影響系數(shù)比較

由表2可知，多條地震波的平均地震影響系數(shù)和規(guī)范反應(yīng)譜地震影響系數(shù)在統(tǒng)計(jì)意義上相符。

三條波計(jì)算的底部剪力與CQC法計(jì)算的底部剪力對(duì)比如表3所示。

三條波計(jì)算的最大樓層剪力和最大樓層層間位移角分布如圖8和圖9所示。

圖8 小震彈性時(shí)程分析樓層剪力

圖9 小震彈性時(shí)程分析層間位移角

可見(jiàn)，各條波的彈性時(shí)程結(jié)果與CQC法計(jì)算結(jié)果相近，分布規(guī)律相似，且均滿足規(guī)范要求。

4 大震彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析

運(yùn)用SAUSAGE軟件，采用前述的三條波對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大震彈塑性動(dòng)力時(shí)程反應(yīng)分析。大震彈塑性時(shí)程分析計(jì)算的底層剪力時(shí)程曲線如圖10所示，最大底層剪力如表4所示，最大層間位移角分布如圖11所示。

圖10 大震彈塑性時(shí)程分析底層剪力時(shí)程

圖11 大震彈塑性時(shí)程分析樓層最大層間位移角

表4 大震彈塑性時(shí)程分析底層剪力統(tǒng)計(jì)

可見(jiàn)，大震彈塑性的基底剪力比大震彈性的基底剪力減小，說(shuō)明結(jié)構(gòu)在大震彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析時(shí)發(fā)生了塑性損傷，結(jié)構(gòu)剛度減小，故地震作用剪力減小。

框架和剪力墻的損傷分布如圖12和圖13所示。

圖12 框架損傷分布

圖13 剪力墻損傷分布

可見(jiàn)，大震下框架梁和剪力墻損傷輕微，結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度儲(chǔ)備。

5 其他針對(duì)性的補(bǔ)充分析

5.1 躍層模型對(duì)比分析

該工程4#樓躍層結(jié)構(gòu)，地面以上共24層，躍層下層和躍層上層各12個(gè)，躍層下層層高為3.0m，躍層上層層高為2.8m。設(shè)計(jì)時(shí)分兩種模型進(jìn)行計(jì)算：

（1）分層模型：將躍層上層視為獨(dú)立的樓層，地上共24層，樓板定義為彈性板進(jìn)行計(jì)算。

（2）通高模型：計(jì)算模型中將躍層上層取消，將其荷載施加在躍層下層上去，按層高5.8m的兩層通高模型計(jì)算，地上共12層。

兩種模型計(jì)算的主要參數(shù)對(duì)比如表5所示。

可見(jiàn)，分層模型和兩層通高模型在結(jié)構(gòu)質(zhì)量、基底剪力、墻肢軸壓比和穿層墻穩(wěn)定性的方面計(jì)算的結(jié)果較為一致。由于兩層通高模型的層高較大、剛度較小、周期較長(zhǎng)，故計(jì)算的位移效應(yīng)偏大，但都能滿足規(guī)范的彈性層間位移角限值的要求。

設(shè)計(jì)時(shí)采用兩種模型結(jié)果進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。

5.2 穿層墻穩(wěn)定性分析

穿層墻肢兩層通高高度為5.8m，穿層墻編號(hào)如圖14所示。

按照《高規(guī)》附錄D進(jìn)行穿層墻肢的穩(wěn)定性驗(yàn)算，如表6所示。

表5 分層模型與通高模型主要計(jì)算結(jié)果對(duì)比

圖14 穿層墻編號(hào)圖

表6 穿層墻穩(wěn)定性驗(yàn)算表

可見(jiàn)，穿層墻肢均能滿足大震下的墻肢穩(wěn)定性要求。

5.3 穿層墻肢的N-M相關(guān)承載力驗(yàn)算

性能設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)穿層墻提出了中震彈性、大震不屈服的抗震性能目標(biāo)。用墻肢實(shí)際配筋分別計(jì)算墻肢截面彈性和不屈服的N-M（軸力-彎矩）相關(guān)曲線。分別將等效彈性法計(jì)算的中震、大震下的墻肢的各荷載工況組合下的（M,N）點(diǎn)繪于墻肢的N-M相關(guān)曲線的圖上，如圖15所示。

圖15 穿層墻的N-M相關(guān)曲線及內(nèi)力點(diǎn)

可見(jiàn)，穿層墻中震內(nèi)力點(diǎn)均落在其彈性N-M相關(guān)曲線內(nèi)，大震內(nèi)力點(diǎn)均落在其不屈服N-M相關(guān)曲線內(nèi)。表明穿層墻在中震作用下處于彈性狀態(tài)，在大震作用下處于不屈服狀態(tài)。穿層墻能滿足中震彈性、大震不屈服的性能目標(biāo)要求。

5.4 樓板應(yīng)力分析

躍上樓層兩側(cè)凹進(jìn)嚴(yán)重，且樓板開(kāi)大洞。運(yùn)用PMSAP軟件進(jìn)行大震下的樓板應(yīng)力分析，分析結(jié)果如圖16所示。

可見(jiàn)，在大震下的最大主應(yīng)力不超過(guò)1MPa，小于C30混凝土的開(kāi)裂強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.01MPa。大震下樓板能保持完好，能有效地傳遞水平地震力。

6 加強(qiáng)措施

針對(duì)結(jié)構(gòu)的超限情況和性能目標(biāo)要求，結(jié)合前述分析結(jié)果，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，從如下幾個(gè)方面采取加強(qiáng)措施。

（1）按照兩層通高模型和分層模型計(jì)算結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。

（2）對(duì)開(kāi)洞嚴(yán)重的樓層，盡可能在開(kāi)洞區(qū)域增設(shè)格構(gòu)梁對(duì)樓蓋進(jìn)行整體性加強(qiáng)。

圖16 樓板應(yīng)力分析結(jié)果

（3）對(duì)穿層墻，通過(guò)增加厚度和控制軸壓比來(lái)增強(qiáng)墻肢的穩(wěn)定性，并增大邊緣構(gòu)件的縱筋率和配箍率特征值。

（4）對(duì)底部加強(qiáng)區(qū)的剪力墻，增大邊緣構(gòu)件的縱筋率和配箍率特征值。

（5）躍上樓層板厚均加大，配筋雙層雙向加強(qiáng)，對(duì)應(yīng)力較大的凹角部位的結(jié)構(gòu)板增設(shè)放射筋和斜筋，。

（6）其他有針對(duì)性的加強(qiáng)措施。

7 結(jié)論

重慶萬(wàn)友·四季繽紛項(xiàng)目4#樓為躍層剪力墻結(jié)構(gòu)，在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、兩側(cè)凹進(jìn)和開(kāi)洞率方面存在超限情況。采用概念設(shè)計(jì)和抗震性能化設(shè)計(jì)方法[3-4]，對(duì)整體結(jié)構(gòu)體系和布置進(jìn)行了優(yōu)化。采用多種計(jì)算程序?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了多遇地震、設(shè)防地震、罕遇地震下的詳細(xì)分析和其他有針對(duì)性的補(bǔ)充分析驗(yàn)算。對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件提出的有針對(duì)性的超限加強(qiáng)措施。

綜上所述，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理有效，安全可行。

[1]JGJ3-2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

[2]GB50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

[3]徐培福.復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005.

[4]朱炳寅.高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程運(yùn)用于分析JGJ3-2010[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2013.