某科研辦公樓超限高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張兆超 韓振林 張繼合

(山東省建筑設(shè)計(jì)研究院，山東 濟(jì)南 250001)

某科研辦公樓超限高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張兆超 韓振林 張繼合

(山東省建筑設(shè)計(jì)研究院，山東 濟(jì)南 250001)

采用SATWE和PMSAP兩種軟件，對(duì)某抗震超限高層進(jìn)行了整體分析，補(bǔ)充計(jì)算了多遇地震作用下的彈性時(shí)程，并對(duì)特殊部位進(jìn)行了中震彈性計(jì)算分析和中震不屈服驗(yàn)算，結(jié)果表明該建筑結(jié)構(gòu)整體指標(biāo)良好，能滿足規(guī)范的各種要求。

超限高層，結(jié)構(gòu)體系，彈性時(shí)程分析，地震作用

1 工程概況

本工程位于山東省濟(jì)南市，由高層主樓和多層裙房組成。該項(xiàng)目總建筑面積54 688.05 m2，其中地上建筑面積41 017.25 m2，地下建筑面積13 670.80 m2。本工程地下部分為2層，地上部分由6層裙房和23層主樓兩部分組成。首層室內(nèi)外高差為0.60 m，地下2層層高為4.90 m，地下1層層高為6.50 m，地上1層層高為5.95 m，2層層高為4.80 m，3層～23層層高為4.20 m，結(jié)構(gòu)高度為99.55 m。

地下部分不設(shè)變形縫，整個(gè)工程連為一體，上部結(jié)構(gòu)通過(guò)一道防震縫(縫寬為200 mm)將主樓和裙房分為兩個(gè)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元，主樓結(jié)構(gòu)平面的外包尺寸均為44.90 m×45.36 m?！?.000為室內(nèi)1層樓面標(biāo)高，相當(dāng)于絕對(duì)標(biāo)高+50.60 m(黃海高程)。建筑效果圖見(jiàn)圖1。

工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全等級(jí)為二級(jí)?？拐鹪O(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05g。設(shè)計(jì)地震分組為第三組，建筑場(chǎng)地類別為Ⅱ類，規(guī)范反應(yīng)譜特征周期為T(mén)g=0.45 s。多遇地震作用下的水平地震影響系數(shù)最大值為0.04，基本地震作用下的水平地震影響系數(shù)最大值為0.12,結(jié)構(gòu)阻尼比為0.05。彈性時(shí)程分析時(shí)輸入地震加速度的最大值為18 cm/s2?；撅L(fēng)壓應(yīng)按50年重現(xiàn)期的風(fēng)壓值采用，基本風(fēng)壓值w0=0.45 kN/m2，地面粗糙度類別按B類。

2 結(jié)構(gòu)體系與布置

主樓中部利用電梯間形成的交通核心設(shè)置剪力墻而成為剪力墻筒體，同時(shí)，為減小由于筒體偏置于北側(cè)而導(dǎo)致剛度中心與質(zhì)量中心之間的偏心，主樓南側(cè)局部設(shè)置剪力墻形成具有多道抗震防線的鋼筋混凝土框架—核心筒結(jié)構(gòu)體系，保證了整個(gè)建筑物的抗震和抗風(fēng)性能。主樓結(jié)構(gòu)高寬比為2.22，長(zhǎng)寬比為1.01，滿足規(guī)范要求?；炷良袅Φ暮穸群诵耐餐鈮ψ韵虏康?00 mm變化至上部的300 mm，核心筒內(nèi)墻自下部的300 mm變化至上部的200 mm；剪力墻及框架柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)自下部的C60變化至上部的C30，框架柱混凝土強(qiáng)度與截面的縮小分層進(jìn)行，以保證結(jié)構(gòu)自下而上剛度的均勻變化。剪力墻的抗震等級(jí)為二級(jí)，框架的抗震等級(jí)為三級(jí)。主樓的樓蓋采用主次梁體系，各樓層的樓板均采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板，板厚一般為120 mm，在部分特殊部位的樓板進(jìn)行了加厚、加強(qiáng)處理。標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置圖見(jiàn)圖2。

3 結(jié)構(gòu)超限類別和要求

主樓的結(jié)構(gòu)高度均為99.55 m，滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[2]中A級(jí)高度鋼筋混凝土高層建筑關(guān)于高度方面的有關(guān)規(guī)定，高度不超限。

本工程非大跨結(jié)構(gòu)，也不存在轉(zhuǎn)換層、加強(qiáng)層、錯(cuò)層、連體等復(fù)雜高層情況。另外，由于地面以上通過(guò)設(shè)置防震縫將主樓和裙房分為完全獨(dú)立的兩個(gè)結(jié)構(gòu)單元，不存在多塔情況。但是，本工程存在局部的穿層柱、斜柱，以及考慮偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比大于1.2的問(wèn)題，主樓達(dá)到三項(xiàng)不規(guī)則情況，為抗震超限高層[3]。此外，由于建筑立面和平面布局限制，外圍框架在東北角和西南角缺角柱和角部樓板，且框架梁無(wú)法連通，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)空間整體性較差。針對(duì)不規(guī)則情況，本工程底部加強(qiáng)區(qū)高度范圍剪力墻截面抗剪、穿層柱、軸及⑤軸角柱滿足中震彈性要求，對(duì)于底部加強(qiáng)區(qū)高度范圍剪力墻連梁抗剪而言，則控制其在基本地震作用下不發(fā)生屈服。

4 計(jì)算分析

4.1 小震彈性反應(yīng)譜分析

小震彈性反應(yīng)譜分析采用SATWE和PMSAP軟件，具體設(shè)計(jì)時(shí)取兩個(gè)軟件的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，取其不利者作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)的依據(jù)。僅考慮水平地震作用，不考慮豎向地震作用。地震作用計(jì)算時(shí)采用考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)振動(dòng)影響的振型分解方法，并考慮偶然偏心和雙向地震的影響。以地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位，將上部結(jié)構(gòu)分為主樓和裙房?jī)蓚€(gè)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元分別建立模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析。主要分析結(jié)果見(jiàn)表1，計(jì)算結(jié)果均差別不大，各項(xiàng)指標(biāo)滿足規(guī)范要求。計(jì)算振型數(shù)為15個(gè)，其中前6階振型見(jiàn)表2，可以看出，兩種軟件計(jì)算的結(jié)構(gòu)主要周期差別不大，可以采信；結(jié)構(gòu)周期比Tt/T1，SATWE計(jì)算為0.83，PMSAP計(jì)算為0.84，均滿足A級(jí)高度高層建筑限值的規(guī)定。

表1 小震彈性反應(yīng)譜分析的主要計(jì)算結(jié)果

表2 前6階振型結(jié)果

4.2 小震彈性時(shí)程計(jì)算分析

地震波采用兩組實(shí)際強(qiáng)震記錄TH3TG045，TH4TG045和一組人工模擬地震波RH2TG045，輸入SATWE軟件進(jìn)行彈性時(shí)程分析。所采用3組地震加速度時(shí)程曲線均滿足地震動(dòng)三要素的要求，即頻譜特性、有效峰值和持續(xù)時(shí)間[1]。分析結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 小震彈性時(shí)程分析的主要結(jié)果及與反應(yīng)譜法的對(duì)比

從表3中可以看出，時(shí)程分析時(shí)，每條時(shí)程曲線計(jì)算所得X向、Y向的結(jié)構(gòu)底部剪力均分別大于振型分解反應(yīng)譜法結(jié)果的65%；3條時(shí)程曲線計(jì)算所得X向、Y向的結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值

均相應(yīng)大于振型分解反應(yīng)譜法結(jié)果的80%，所選3組地震波滿足規(guī)范要求。

4.3 中震彈性分析和中震不屈服分析

為控制結(jié)構(gòu)在基本地震作用下的抗震性能，利用SATWE對(duì)底部加強(qiáng)區(qū)高度范圍剪力墻截面抗剪、穿層柱、軸及⑤軸角柱進(jìn)行中震彈性計(jì)算分析；同時(shí)，對(duì)底部加強(qiáng)區(qū)高度范圍剪力墻連梁抗剪進(jìn)行中震不屈服計(jì)算分析。計(jì)算結(jié)果表明，上述豎向構(gòu)件可以滿足中震彈性要求，底部加強(qiáng)區(qū)高度范圍剪力墻連梁抗剪可以滿足中震不屈服要求，可以保證結(jié)構(gòu)在基本地震作用下的抗震性能。

4.4 斜柱受力分析

在本工程?hào)|南角地上1層～6層有3顆斜柱，3顆斜柱與z軸的夾角均小于20°。在彈性樓板假定條件下，對(duì)斜柱受力情況及其對(duì)樓層梁和剪力墻核心筒的影響進(jìn)行了計(jì)算分析，結(jié)果表明，與斜柱相連的框架梁和周邊樓板出現(xiàn)軸向力，在設(shè)計(jì)中應(yīng)引起重視，梁按偏拉構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算配筋，斜柱和與之相連的框架梁抗震等級(jí)提高一級(jí)。

4.5 抗震構(gòu)造加強(qiáng)措施

針對(duì)本工程的具體特點(diǎn)與結(jié)構(gòu)超限情況，在設(shè)計(jì)中主要采取以下技術(shù)措施：

1)按規(guī)范要求從嚴(yán)控制底部加強(qiáng)區(qū)的剪力墻及框架柱的軸壓比，并適當(dāng)加大底部加強(qiáng)區(qū)范圍剪力墻的構(gòu)造配筋率、適當(dāng)加大穿層框架柱及平面凹角處框架柱的配筋率和配箍率并全高加密箍筋。2)加強(qiáng)斜柱相連方向框架梁的構(gòu)造，適當(dāng)增加該方向框架梁的腰筋和通長(zhǎng)鋼筋的數(shù)量。3)按規(guī)范嚴(yán)格控制周期比、位移比、剛度比、位移角等規(guī)范指標(biāo)要求。4)某些特殊部位的樓板進(jìn)行加厚加強(qiáng)處理，如下：a.地下室頂板板厚取180 mm，樓層部分大洞口周邊樓板厚度加厚為150 mm，配筋計(jì)算時(shí)將該層樓板設(shè)為彈性板進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體計(jì)算，樓板配筋采用通長(zhǎng)配筋并適當(dāng)加大配筋率處理。b.與斜柱相連的板配筋計(jì)算時(shí)將各層樓板設(shè)為彈性板進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體計(jì)算，樓板配筋采用通長(zhǎng)配筋并適當(dāng)加大配筋率處理。與之相連的梁按偏拉構(gòu)件計(jì)算，嚴(yán)格控制裂縫，并考慮長(zhǎng)期剛度的影響。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)本工程的特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)超限情況，采用了兩種軟件進(jìn)行比較分析，對(duì)多遇地震作用下進(jìn)行了彈性時(shí)程的補(bǔ)充計(jì)算分析，并對(duì)特殊部位進(jìn)行中震彈性計(jì)算分析和中震不屈服驗(yàn)算，結(jié)果表明結(jié)構(gòu)整體指標(biāo)良好，能夠滿足規(guī)范的各種要求。在特殊部位均進(jìn)行了計(jì)算或構(gòu)造加強(qiáng)處理，以確保結(jié)構(gòu)的整體性能和抗震目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

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

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

[3] 建設(shè)部建質(zhì)[2010]109號(hào)，超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)[Z].

Design of the super high-rise building structure of the scientific research office building

Zhang Zhaochao Han Zhenlin Zhang Jihe

(ShandongAcademyofBuildingDesign,Jinan250001,China)

The paper carries out integral analysis for the anti-seismic super high-rise building by applying SATWE and PMSAP software, supplemental calculates its elastic time-history under the earthquake, and carries out medium-size seismic elastic calculation analysis and medium-size seismic unyielding calculation for special parts. Results show that its integral index is good, which can meet demands.

super high-rise building, structural system, elastic time-history analysis, seismic action

1009-6825(2017)01-0057-02

2016-10-27

張兆超(1984- )，男，工程師； 韓振林(1972- )，男，高級(jí)工程師； 張繼合(1981- )，男，高級(jí)工程師

TU973

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