某塔樓偏置高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

化 明 星

(同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司,上海 200092)

1 工程概況

本工程為某地準(zhǔn)五星級(jí)酒店配套項(xiàng)目，總建筑面積4.7萬m2。3層地下室(另含一夾層)用作設(shè)備用房及停車庫，埋深13.650 m；裙房地上共12層，總高度為54.00 m，其中1層～4層為商業(yè)或餐飲；塔樓地上23層，總高度95.8 m。塔樓偏置于建筑北側(cè)、收進(jìn)于13層，裙房7層～13層樓屋面板大開洞，各層洞口上下對(duì)齊。圖1為裙房平面布置圖，圖2為建筑剖面圖。

本工程抗震設(shè)防烈度為7度(0.15g)，設(shè)計(jì)地震分組為二組，場(chǎng)地類別為Ⅰ1類，場(chǎng)地土特征周期為0.25 s，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年，安全等級(jí)為二級(jí)，根據(jù)GB 50223—2008建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)，抗震設(shè)防類別：裙房1層～4層為乙類，5層～23層為丙類。

2 上部結(jié)構(gòu)

2.1 結(jié)構(gòu)體系

本工程根據(jù)建筑功能平面設(shè)計(jì)采用鋼筋混凝土框架—剪力墻結(jié)構(gòu)，現(xiàn)澆混凝土樓蓋?？紤]到各層建筑使用功能的影響，剪力墻主要布置在塔樓角部樓電梯四周，各層剪力墻均落地，為主要抗側(cè)力構(gòu)件(X向框架承擔(dān)的地震傾覆力矩為總傾覆力矩的45%，Y向?yàn)?7%)?？蚣芎图袅拐鸬燃?jí)均為二級(jí)。

采用鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu)體系，裙房及塔樓樓板厚度一般為120 mm，加墻部位為130 mm或者150 mm；主樓梁截面350×750，250×600，柱截面800×800,900×900,1 000×1 000；裙房梁截面350×700,400×700,250×600，柱截面600×600,700×700；剪力墻厚度300 mm～400 mm；梁板混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C30，墻柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)從上到下C35～C55逐步變化。

2.2 結(jié)構(gòu)超限情況

本工程塔樓與大底盤的質(zhì)心偏心距大于大底盤相應(yīng)邊長的20%，屬于塔樓偏置，因此判定為特別不規(guī)則超限高層。此外還存在其他不規(guī)則：扭轉(zhuǎn)不規(guī)則(扭轉(zhuǎn)位移比為1.3)；樓板不連續(xù)(7層～12層樓板開洞處，最窄處樓板有效寬度僅42%，小于50%)；平面尺寸突變(13層豎向構(gòu)件平面范圍由46.8 m縮進(jìn)至21.2 m，縮進(jìn)大于25%)。

2.3 抗震性能設(shè)計(jì)

建筑根據(jù)規(guī)范[1,2]要求，同時(shí)綜合考慮抗震設(shè)防類別、設(shè)防烈度、結(jié)構(gòu)特殊性，以及震后損失程度等各項(xiàng)因素，確定本工程整體結(jié)構(gòu)承載力參考指標(biāo)和城建位移參考指標(biāo)需達(dá)到JGJ 3—2010高規(guī)中性能目標(biāo)C的要求：多遇地震下達(dá)到第1性能水準(zhǔn)，設(shè)防地震下達(dá)到第3性能水準(zhǔn)，罕遇地震下達(dá)到第4性能水準(zhǔn)，詳見表1。

表1 抗震性能目標(biāo)

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析

3.1 多遇地震作用下彈性整體計(jì)算

本工程采用PKPM和PMSAP兩種分析軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體對(duì)比計(jì)算，主要結(jié)果匯總見表2。

從表2中可以看出兩個(gè)不同的結(jié)構(gòu)分析軟件計(jì)算結(jié)果相近，說明計(jì)算模型符合結(jié)構(gòu)實(shí)際工作狀況，計(jì)算模型及計(jì)算結(jié)果是合理有效的，可以作為工程設(shè)計(jì)的依據(jù)。

3.2 多遇地震下彈性動(dòng)力時(shí)程分析

表2 小震彈性整體模型計(jì)算結(jié)果

根據(jù)《抗規(guī)》5.1.2.3，除了基于規(guī)范加速度反應(yīng)譜的振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行抗震計(jì)算外，本工程還采用時(shí)程分析法進(jìn)行多遇地震下的補(bǔ)充計(jì)算。采用了5組天然波和2組人工波共7組加速度時(shí)程波，地震波均符合有效峰值、持續(xù)時(shí)間、頻譜特性等方面的要求。彈性時(shí)程與反應(yīng)譜法基底剪力對(duì)比見表3，經(jīng)比較，構(gòu)件內(nèi)力采用反應(yīng)譜法的計(jì)算結(jié)果。

表3 小震彈性時(shí)程與反應(yīng)譜基底剪力比值 %

3.3 設(shè)防地震作用下構(gòu)件驗(yàn)算

為保證結(jié)構(gòu)在設(shè)防烈度下達(dá)到“中震可修”的性能狀態(tài)，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)防地震下的彈性近似計(jì)算，分別采用“中震彈性”及“中震不屈服”兩種方法對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件驗(yàn)算，中震彈性方法取消了內(nèi)力調(diào)整系數(shù)，保留荷載分項(xiàng)系數(shù)和抗震承載力調(diào)整系數(shù)，材料強(qiáng)度按設(shè)計(jì)強(qiáng)度取值；中震不屈服設(shè)計(jì)可以近似看作是中震彈性設(shè)計(jì)的承載能力極限狀態(tài)，在取消內(nèi)力調(diào)整系數(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步取消荷載分項(xiàng)系數(shù)及承載力抗震調(diào)整系數(shù)，且材料強(qiáng)度取為標(biāo)準(zhǔn)值[3]，此外連梁剛度進(jìn)一步折減。施工圖中應(yīng)取中震與小震結(jié)果包絡(luò)值進(jìn)行構(gòu)件配筋。

3.4 塔樓偏置分析

塔樓偏置的本質(zhì)為結(jié)構(gòu)豎向抗側(cè)剛度的突變，通過查看裙房上下層豎向構(gòu)件剪力，可以發(fā)現(xiàn)塔樓的水平剪力有相當(dāng)一部分通過裙房屋面樓板傳遞到了裙房的豎向構(gòu)件，裙房屋面的樓板實(shí)際承擔(dān)了轉(zhuǎn)換層樓板的作用，因此除了構(gòu)造加強(qiáng)(板厚150 mm,雙層雙向配筋率不小于0.25%)外，還需要對(duì)裙房屋面樓板進(jìn)行進(jìn)一步補(bǔ)充計(jì)算，以發(fā)現(xiàn)薄弱部位進(jìn)行加強(qiáng)。分析地震作用下的樓板受力情況發(fā)現(xiàn)，裙房屋面板靠近塔樓收進(jìn)部位，樓板應(yīng)力較大，此外由于裙房屋面開大洞，洞口周邊也出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中現(xiàn)場(chǎng)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以加強(qiáng)。

由于在水平力作用下塔樓的變形及扭轉(zhuǎn)與裙房相互約束及影響，裙房屋面上下兩層豎向構(gòu)件受力相對(duì)復(fù)雜，因此需對(duì)裙房屋面上下兩層框架柱進(jìn)行嚴(yán)格控制，如抗震等級(jí)提高一級(jí)、箍筋全高加密、控制軸壓比等；同時(shí)在裙房南側(cè)增設(shè)剪力墻以控制裙房的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

此外，由于裙房開大洞造成裙房南北側(cè)連接僅通過洞口左右兩跨樓板，連接較弱，應(yīng)補(bǔ)充單獨(dú)主樓模型復(fù)核裙房屋面上下兩層主樓范圍內(nèi)框架柱。

3.5 罕遇地震靜力彈塑性分析

本工程采用push-over法進(jìn)行罕遇地震下結(jié)構(gòu)靜力彈塑性計(jì)算分析，罕遇地震下水平地震影響系數(shù)最大值αmax=0.72，設(shè)計(jì)特征周期Tg=0.35 s。

能力曲線、需求曲線及抗倒塌驗(yàn)算結(jié)果見圖3。計(jì)算結(jié)果顯示，主體結(jié)構(gòu)在罕遇地震性能點(diǎn)上最大位移角X向?yàn)?/106，Y向?yàn)?/131,均小于框架核心筒結(jié)構(gòu)1/100的規(guī)范限值要求。

此外，通過查看彈塑性靜力推覆中塑性鉸的形成過程可以發(fā)現(xiàn)：底部加強(qiáng)區(qū)核心筒剪力墻首層在X向和Y向大震性能點(diǎn)處受拉區(qū)翼緣墻肢出現(xiàn)不同程度的破壞，但是受拉破壞區(qū)并未擴(kuò)展到推覆方向的墻肢，且受壓區(qū)翼緣墻肢只出現(xiàn)少許受壓裂縫但并未出現(xiàn)受壓區(qū)混凝土壓潰破壞，這說明整體結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)首層比較薄弱，在設(shè)計(jì)中應(yīng)予以加強(qiáng)，可以適當(dāng)提高主軸方向剪力墻角部邊緣構(gòu)件的配筋率及剪力墻墻肢的水平分布筋配筋率，或者在建筑功能允許的前提下，在主軸方向剪力墻角部增加端柱，以提高其抗拉和抗壓承載力。主樓范圍內(nèi)框架柱在大震下(性能點(diǎn)處)只有極個(gè)別框架柱出現(xiàn)塑性鉸，這說明剪力墻很好的充當(dāng)了第一道抗震防線的作用，推遲了框架柱進(jìn)入彈塑性狀態(tài)。

4 結(jié)語

本工程為塔樓偏置超限高層，塔樓與裙房連接處為結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)中應(yīng)予以加強(qiáng)，使結(jié)構(gòu)滿足承載力和延性要求。此外，為進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，采用結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)設(shè)計(jì)方法，通過大量計(jì)算分析，確保了結(jié)構(gòu)可以滿足“兩階段、三水準(zhǔn)、多種抗震性能目標(biāo)”。