某超限高層商業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

■黃均亮 ■上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，上海 200092

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，商業(yè)建筑迎來(lái)了蓬勃發(fā)展的時(shí)期。在建筑功能不斷集成的過(guò)程中，出現(xiàn)了一系列的結(jié)構(gòu)問(wèn)題:體量大、體型復(fù)雜、大跨、開洞等，因此現(xiàn)代商業(yè)建筑對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求越來(lái)越高。本文將結(jié)合工程實(shí)例，總結(jié)超限高層商業(yè)建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，為此類項(xiàng)目的設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

某工程由1 棟6 層商業(yè)樓，4 棟超高層住宅樓，1 棟59 層超高層辦公樓組成。本文以6 層商業(yè)樓為例，分析總結(jié)超限高層商業(yè)建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。

結(jié)合6 層商業(yè)樓的建筑功能和結(jié)構(gòu)平面布置的特點(diǎn)，設(shè)兩道防震縫將其分為A、B、C 三個(gè)區(qū)，分區(qū)后僅A 區(qū)屬超限高層，故本文主要介紹商業(yè)樓A 區(qū)，下文所提商業(yè)樓均指商業(yè)樓A 區(qū)。

本工程所在地區(qū)基本設(shè)防烈度為6 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.05g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，建筑場(chǎng)地類別為Ⅱ類，場(chǎng)地特征周期，多遇地震為0.35s，罕遇地震為0.40s。商業(yè)A 區(qū)結(jié)構(gòu)單元抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類，應(yīng)按高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度提高一度的要求加強(qiáng)其抗震措施，故商業(yè)樓框架抗震等級(jí)應(yīng)為2 級(jí)。多遇地震計(jì)算時(shí)結(jié)構(gòu)阻尼比取0.05，風(fēng)振計(jì)算時(shí)結(jié)構(gòu)阻尼比取0.02。

2 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

商業(yè)樓基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)，采用樁加防水板基礎(chǔ)。根據(jù)前期試樁檢測(cè)報(bào)告結(jié)論，采用Φ700 鉆孔灌注樁，抗壓兼抗拔樁?；A(chǔ)埋深12.1m，遠(yuǎn)大于建筑結(jié)構(gòu)高度的1/18。經(jīng)復(fù)核，風(fēng)荷載及水平地震作用下基底均不出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū)，可滿足高層建筑結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定要求。

3 地下車庫(kù)設(shè)計(jì)

地下車庫(kù)采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)，局部增加的剪力墻，主要有兩個(gè)作用:一是為了使得地下1 層與地上1 層的剪切剛度比大于2，滿足正負(fù)零作為地上單體嵌固端的要求，二是為了更好地保證室內(nèi)外高差處水平力的傳遞。商業(yè)樓室內(nèi)及室外相關(guān)范圍內(nèi)，正負(fù)零零層采用梁板式結(jié)構(gòu)，板厚180～250，雙層雙向配筋，且配筋率不小于0.25%。

4 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(1)超限情況的判定

根據(jù)“住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部關(guān)于印發(fā)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》的通知(建質(zhì)〔2010〕109 號(hào))”，對(duì)商業(yè)樓的超限情況判定如下:①商業(yè)樓結(jié)構(gòu)高度29.2m，采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，屬于A 級(jí)高度高層建筑，高度不超限。②商業(yè)樓3 層以上豎向構(gòu)件縮進(jìn)大于25%，屬尺寸突變(立面收進(jìn));③商業(yè)樓地上樓層存在多處樓板有效寬度小于50%，開洞面積大于30%的情況;④商業(yè)樓3 層和4層之間質(zhì)心相差達(dá)18m，大于相應(yīng)邊長(zhǎng)的15%，同時(shí)，考慮偏心扭轉(zhuǎn)位移比大于1.2，小于1.4。

綜合以上分析，商業(yè)樓屬于超限高層建筑。

(2)上部結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

在小震作用下，全部結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)，構(gòu)件承載力和變形應(yīng)該滿足規(guī)范的相關(guān)要求。根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ 3 -2010 第5.1.12 條的要求，本工程采用SATWE 與PMSAP 兩種不同分析軟件分別進(jìn)行了整體內(nèi)力及位移計(jì)算，兩種軟件的計(jì)算結(jié)果基本一致，結(jié)構(gòu)體系滿足承載力、穩(wěn)定性和正常使用的要求。樓層最大位層間移角小于1/550，滿足JGJ 3 -2010 第3.7.3 的要求;在剛性樓板假定下，慮偶然偏心影響的規(guī)定水平地震力作用下，豎向構(gòu)件的最大水平位移和層間位移與該樓層平均值的比值均小于1.4。

根據(jù)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范GB50011 -2010 第5.1.2 條，對(duì)不規(guī)則建筑應(yīng)采用時(shí)程分析進(jìn)行多遇地震下的補(bǔ)充計(jì)算。本工程所選的三條波為TH2TG035、TH4TG035、RH4TG035，每條時(shí)程曲線計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)底部剪力均大于CQC 法的65%，三組時(shí)程曲線計(jì)算得到的底部剪力平均值大于CQC 法計(jì)算得到的底部剪力的80%，故所選三條波滿足規(guī)范要求。時(shí)程分析的結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)體系無(wú)明顯薄弱層，時(shí)程分析法包絡(luò)值較CQC 法計(jì)算結(jié)果小，故結(jié)構(gòu)的小震彈性設(shè)計(jì)由CQC 法計(jì)算結(jié)果控制。

根據(jù)高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程JGJ 3 -2010 第5.1.13 條的要求，對(duì)商業(yè)樓采用彈塑性靜力分析方法進(jìn)行了補(bǔ)充計(jì)算。兩個(gè)方向罕遇地震下性能點(diǎn)最大層間位移角均小于1/50，小于規(guī)范彈塑性位移角限值，因此宏觀上商業(yè)樓所用結(jié)構(gòu)體系能保證大震不倒的設(shè)計(jì)要求。

在通過(guò)二階段設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)三個(gè)水準(zhǔn)的基本設(shè)防目標(biāo)以外，針對(duì)本工程的具體情況，提出了以下抗震性能化目標(biāo):

①設(shè)防地震作用下，中庭連廊等薄弱處樓板內(nèi)雙層雙向鋼筋不屈服;

②設(shè)防地震作用下，懸挑梁根部框架柱及大跨梁兩端相連框架柱斜截面抗剪按彈性設(shè)計(jì)，正截面抗彎按不屈服設(shè)計(jì);

PMSAP 樓板應(yīng)力分析結(jié)果表明，中庭連廊根部、平面凹口陰角位置一般為應(yīng)力集地區(qū)域，在多遇地震作用下，樓板主拉應(yīng)力不大于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，樓板不會(huì)開裂，在設(shè)防地震作用下，應(yīng)力集中位置樓板主拉應(yīng)力略大于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，但適當(dāng)加大樓板配筋，即可滿足樓板內(nèi)鋼筋不屈服。

在設(shè)防地震作用下，利用SATWE 進(jìn)行彈性設(shè)計(jì)和不屈服設(shè)計(jì)，分別校核懸挑梁根部框架柱及大跨梁兩端相連框架柱的箍筋和縱筋，并與多遇地震計(jì)算結(jié)果一起進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。計(jì)算結(jié)果表明，配筋值均在合理范圍，配筋切實(shí)可行。

通過(guò)以上性能化設(shè)計(jì)措施，在對(duì)結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性影響較小的情況下，提高了結(jié)構(gòu)的抗震性能，增加了建筑的安全性。

(3)上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)偏心布置和扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，設(shè)計(jì)時(shí)，盡量使結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件在平面布置中對(duì)稱均勻布置，避免剛度中心與質(zhì)量中心之間存在過(guò)大的偏離;加強(qiáng)外圍構(gòu)件的剛度，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗扭性能。計(jì)算時(shí)，考慮偶然偏心的影響，設(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)加強(qiáng)受扭轉(zhuǎn)影響較大部位構(gòu)件的強(qiáng)度、延性及配筋構(gòu)造。通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)布置，將考慮偶然偏心下的最大位移比嚴(yán)格控制在1.4 以下，第一扭轉(zhuǎn)周期和第一平動(dòng)周期比嚴(yán)格控制在0.9 以下。

針對(duì)立面收進(jìn)帶來(lái)的扭轉(zhuǎn)不利影響而采取的抗震措施詳?shù)?1)條。構(gòu)造上，對(duì)收進(jìn)樓層(4 層)加厚至140mm 且雙層雙向加強(qiáng)配筋，配筋率不小于0.25%，但為減小大跨部分樓板自重，室內(nèi)大跨度區(qū)域樓板厚120mm，屋面大跨度區(qū)域樓板厚130mm，收進(jìn)部位上下層樓板(3 層和5 層)厚度不小于120mm，并雙層雙向加強(qiáng)配筋。根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程JGJ3 -2010》的相關(guān)規(guī)定，體型收進(jìn)部位上、下各兩層塔樓周邊豎向結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震等級(jí)提高一級(jí)，框架柱在此范圍內(nèi)箍筋全高加密，提高縱筋配筋率;收進(jìn)部位以下兩層結(jié)構(gòu)周邊豎向構(gòu)件配筋加強(qiáng)。

針對(duì)因開洞形成樓板不連續(xù)情況，整體計(jì)算時(shí)按實(shí)際開洞情況建模，并將以上樓層定義為彈性膜，以考慮樓板不連續(xù)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響;同時(shí)，構(gòu)造加厚連廊等薄弱區(qū)域樓板至130mm 厚，并雙層雙向配筋，配筋率不小于0.25%。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)某超限高層商業(yè)樓的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，主要的設(shè)計(jì)要點(diǎn)可總結(jié)如下:

(1)結(jié)合建筑功能和結(jié)構(gòu)布置合理設(shè)縫，規(guī)避平面布置的不規(guī)則;(2)優(yōu)化布置結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件，適當(dāng)加強(qiáng)外圈構(gòu)件的剛度，提高結(jié)構(gòu)的抗扭性能;(3)采用兩種軟件進(jìn)行多遇地震彈性分些，結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足相應(yīng)的強(qiáng)度和剛度要求;(4)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇地震下的彈性時(shí)程分析，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)體系的合理性，并與振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì);(5)補(bǔ)充罕遇下的靜力彈塑性分析，控制性能點(diǎn)層間位移角不大于規(guī)范要求;(6)根據(jù)工程的具體情況，提出合理的抗震性能化設(shè)計(jì)目標(biāo);(7)利用概念設(shè)計(jì)原理，結(jié)合規(guī)范要求，對(duì)薄弱部位進(jìn)行構(gòu)造加強(qiáng)。

［1］呂西林.超限高層建筑工程抗震設(shè)計(jì)指南［M］.上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，2005.