淺談帶設(shè)備層高層建筑抗震性能分析

茹博軍

【摘要】本文以某一商業(yè)綜合體工程實例為依托，建立標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)模型和托盤結(jié)構(gòu)模型，采用振型分解反應(yīng)譜法對不同模型進(jìn)行抗震性能分析，獲得不同結(jié)構(gòu)模型抗震性能指標(biāo)；通過性能指標(biāo)分析和比較，提出了托盤模型是解決設(shè)備層豎向抗側(cè)剛度突變的有效方法，為今后類似工程設(shè)計提供參考依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】托盤模型；周期；振型；樓層地震剪力；抗側(cè)剛度比

1 項目概況

某商業(yè)綜合體，位于6度（0.05g）地震設(shè)防區(qū)。主樓為兩棟相互獨立的高層建筑，其中一棟7層以上為酒店，另一棟7層以上為辦公樓，其中裙房區(qū)域為建筑在地上七層的商業(yè)用房以及地下二層的車庫。裙房和塔樓之間是相互連接的，二者共同構(gòu)成了綜合樓，該綜合樓的尺寸136.4m×58.4m。結(jié)構(gòu)平面酒店與商場之間設(shè)抗震縫，計算模型以酒店進(jìn)行分析比較。第二室一層層高為5000mm和5400mm；地上底層層高則為首層為6000mm、二三四層為5100mm、第五層為5000mm、第六七層則為4800mm；八層及以上酒店層高均為3600mm，其中在七層與八層之間設(shè)置設(shè)備層，層高為2180mm。場地類別為二類、抗震等級為二級、粗糙度類別則為B類。其中酒店為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)嵌固端取地下室頂層處。

2 結(jié)構(gòu)計算模型

由于酒店上下建筑功能的不同，在七層與八層之間進(jìn)行設(shè)置設(shè)備層，這樣能夠充分滿足設(shè)計與建造酒店時的功能需求。就經(jīng)濟視角而言，設(shè)備層的高度一般都在2.0m，比下部大底盤行業(yè)上部塔樓的高度要低一些，但是其豎向手里構(gòu)件界面尺寸未出現(xiàn)改變。因此，設(shè)備層因為層高出現(xiàn)變化，抗側(cè)高度也會出現(xiàn)變化，這樣就能夠使整體的構(gòu)造沿著豎向抗側(cè)，從而設(shè)備層方面產(chǎn)生沖突，最終對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定程度的影響。為了有效應(yīng)對上面提到的問題，筆者在研究中提出了兩種模型，采用PKPM SATWE[2]進(jìn)行計算對比：

（1）標(biāo)準(zhǔn)模型：所謂的標(biāo)準(zhǔn)模型就是將設(shè)備視作標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)層，層高的確定應(yīng)當(dāng)與設(shè)備的層高進(jìn)行結(jié)合來加以模擬，標(biāo)準(zhǔn)模型不僅簡單，更加清晰，也不必額外增加計算機模型的使用。然而由于該模型的設(shè)備層層高較低，所以其有著較大的抗側(cè)剛度，在發(fā)生地震作用時期分配顯得并不十分均勻，從而會影響到整體結(jié)構(gòu)的受力情況，無法滿足《高規(guī)》[3]中的相關(guān)要求；

（2）托盤模型：所謂的托盤模型就是將設(shè)備層樓層框架視作上一層支架，同時要將小柱樹立在框架梁上。這樣一來，上層托盤就能夠?qū)⒆饔孟蛟O(shè)備層傳導(dǎo)，實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)上下剛度突變的控制，其大大滿足了相關(guān)規(guī)定的要求，然而其也有可能會使得結(jié)構(gòu)柱梁的布置步驟更加繁瑣。

3 結(jié)構(gòu)抗震性能分析

3.1 振動周期及振型

依據(jù)《高規(guī)》中現(xiàn)行的相關(guān)規(guī)定：可以選擇振型分解反應(yīng)譜法應(yīng)用與高層建筑結(jié)構(gòu)中，為了解決質(zhì)量及剛度不對稱及不均勻的結(jié)構(gòu)，可以選擇扭轉(zhuǎn)耦配合振動基礎(chǔ)上的的振型分解反應(yīng)譜法。本次研究分別在X和Y方向?qū)嵤┑卣鸱磻?yīng)譜，選擇兩個模型之間的15階振動周期、振型則如下表所示：

表1

由以上計算結(jié)果可以看出托盤模型第一平動周期出現(xiàn)在2.739s，稍滯后于標(biāo)準(zhǔn)模型2.683s。托盤模型的整體剛度偏小于標(biāo)準(zhǔn)模型，但相差在2%以內(nèi)。托盤模型與標(biāo)準(zhǔn)模型整體剛度基本保持一致，可將托盤模型用于帶設(shè)備層高層建筑整體指標(biāo)計算。

3.2 水平地震作用下的樓層地震剪力

結(jié)構(gòu)設(shè)計中剪重比（剪力系數(shù)）是進(jìn)行抗震設(shè)計一個非常重要的控制指標(biāo)，即為地震水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的樓層剪力與重力荷載代表值的比值。本文通過兩種模型的水平地震作用下的樓層地震剪力計算結(jié)果比較兩種模型的結(jié)構(gòu)地震效應(yīng)。

兩模型需要承受X，Y向地震反應(yīng)譜作用后，該設(shè)備層及剪力情況見表2所示。

表2

兩種模型水平地震作用下的樓層地震剪力由上表可以看出：

（1）兩模型X向底部剪力分別為1685KN、1647KN，相差2.25%； Y向底部剪力分別為2609KN、2553KN，差距為2.14%。地震反應(yīng)譜會對托盤模型產(chǎn)生一定的影響，從而導(dǎo)致產(chǎn)生的基底剪力較標(biāo)準(zhǔn)模型要小一些。

（2）標(biāo)準(zhǔn)模型設(shè)備層最大樓層剪力均大于托盤模型最大樓層剪力，相差不超過5%。整體受力方面托盤模型略低于標(biāo)準(zhǔn)模型。

3.3 設(shè)備層及其上下兩層樓層側(cè)向剛度比

高層建筑的豎向體型應(yīng)當(dāng)盡可能具備規(guī)則均勻的特征，要盡量防止大范圍的外挑和收進(jìn)等情況。依據(jù)相關(guān)規(guī)定，對于筒中筒、框架以及剪力墻等結(jié)構(gòu)來說，計算樓層以及其相鄰上層側(cè)香剛度時可以參考相關(guān)公式4.3-1 計算，本次計算出的比值應(yīng)當(dāng)至少≥0.9；當(dāng)本層層高為相鄰層高1.5倍時，計算出的比值要求不得在1：1之下；

對于結(jié)構(gòu)底部嵌固層而言，該比值至少要為1.5。

根據(jù)以上4.3-1公式計算，標(biāo)準(zhǔn)模型與托盤模型因設(shè)備層計算層高不同，設(shè)備層及其上下層側(cè)向剛度比亦發(fā)生變化，具體計算結(jié)果如表3。

表3

從上述表格中相關(guān)數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)，上層樓層和標(biāo)準(zhǔn)波形設(shè)備側(cè)向剛度之間的比值為0.64，達(dá)不到《高規(guī)》3.5.2條中的有關(guān)要求，由于托盤模型中的層高發(fā)生了一定的變化，當(dāng)設(shè)備外抗側(cè)剛度變化較為均勻時，則其與上層抗側(cè)剛度比值控制為1.56，滿足了《高規(guī)》限值的（下轉(zhuǎn)）（上接）相關(guān)要求。在充分滿足設(shè)備上層、上層樓層側(cè)向高度比相關(guān)要求的同時，設(shè)備曾側(cè)向和下層結(jié)構(gòu)比值從過去的2.08降低為0.91。通過兩種模型的數(shù)據(jù)分析和比較，不難發(fā)現(xiàn)托盤模型在對側(cè)向剛度比效果進(jìn)行處理時，能夠產(chǎn)生更加顯著的效果。

4 結(jié)束語

帶設(shè)備層高層建筑往往由于設(shè)備層層高的不均勻變化導(dǎo)致結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度比超限，在本項目案例中標(biāo)準(zhǔn)模型設(shè)備層與上層樓層側(cè)向剛度比為0.64，由于托盤模型中的層高發(fā)生了一定的變化，當(dāng)設(shè)備外抗側(cè)剛度變化較為均勻時，設(shè)備層和上層抗側(cè)剛度比值則為1.56，滿足了《高規(guī)》相關(guān)條文的限值。由此可見，我們設(shè)計者可在保持原有建筑功能不變的前提下，通過對結(jié)構(gòu)模型的合理改變，采用托盤模型以減少結(jié)構(gòu)豎向剛度不規(guī)則的變化，提高了設(shè)備層與其上層側(cè)向剛度比并滿足規(guī)范相關(guān)要求。托盤模型在我們實際設(shè)計過程中較好的解決設(shè)備層豎向抗側(cè)剛度突變問題，在類似工程設(shè)計中可借鑒采用。

參考文獻(xiàn)：

[1]建筑抗震設(shè)計規(guī)范（GB50011-2011）. 北京： 中國建筑工業(yè)出版社， 2010.

[2]中國建筑科學(xué)研究院PKPMCAD工程部. 多層及高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析與設(shè)計軟件（墻元模型）SATWE[Z]. 北京： 中國建筑科學(xué)研究院， 2003.

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