強風壓作用下福州平潭某高層住宅上部結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

黃起益

(廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院 福建漳州 363105)

0 引言

風荷載是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計需要重點考慮和處理的可變荷載[1]。對于處于低烈度、強風壓作用下的高層建筑，彈性階段的計算一般受風荷載控制，結(jié)構(gòu)高度越高，風荷載影響越大[2]。高層建筑由于高度大，側(cè)向剛度相對較小，在水平荷載作用下會產(chǎn)生較大的側(cè)向變形，從而可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂、P-Δ效應(yīng)不可忽略，舒適度不滿足要求，層間位移角較大等問題[3]。為了符合規(guī)范提出的各種控制指標要求，通常采取的處理方法是：①調(diào)整結(jié)構(gòu)平面形狀和建筑體型，利用周邊地形地貌條件減少風荷載[4-5]；②改變結(jié)構(gòu)體系，如采用鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系[6-7]、矩形鋼管混凝土組合異形柱框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系[8-9]，或者對結(jié)構(gòu)局部部位采取加強措施，如提高底部墻柱豎向鋼筋配筋率[10]、底層框架柱采用鋼骨混凝土[8]、底層剪力墻增設(shè)鋼板[11-12]；③通過合理布置阻尼器實現(xiàn)降低基底剪力與層間位移角、降低頂點風振加速度等減振效果[13-14]。

從《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB5009-2012)圖E.6.3(全國基本風壓分布圖)可以看出，東南沿海和克拉瑪依北部的基本風壓最大，達到0.90kN/m2以上。福州平潭位于福建省東部，東臨臺灣海峽，基本風壓1.30kN/m2，為福建省之最(福州0.70kN/m2，廈門0.80kN/m2)[15]，位于中國前列(香港0.90kN/m2，臺灣宜蘭1.85kN/m2)[6]，島上的高層建筑對風致振動更加敏感，風荷載產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)設(shè)計問題更加突出，如層間位移角不容易滿足要求、豎向構(gòu)件發(fā)生偏心受拉現(xiàn)象、風振舒適度較差等。所以，選擇一個高寬比大，對風振敏感的高層建筑，研究其在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中可能遇到的問題及其相應(yīng)的處理方法，保證結(jié)構(gòu)安全、造價合理，具有一定的現(xiàn)實意義。基于此，本文以平潭實驗區(qū)某一高層住宅為研究對象，研究該地區(qū)強風壓作用下高層建筑風振特性及其結(jié)構(gòu)設(shè)計要點。

1 工程概況

該項目位于平潭金井灣片區(qū)，總用地面積66 560m2，總建筑面積239 620m2。項目由11棟高層住宅樓和數(shù)棟多層建筑(社區(qū)服務(wù)中心、幼兒園等)組成。本文選取其中2#樓作為分析對象。

2#樓共30層，底層為架空層(層高4.0m)，二層及以上均為住宅(層高2.95m)，房屋建筑高度89.55m，屬于A級高度[17]。2#樓標準層長50.0m、寬18.5m，一層兩梯5戶，通過公共走廊連接，走廊凈寬1.25m；兩個樓梯之間有一個凹口，凹口長13.2m、寬5.95m，平面凹進的尺寸大于相應(yīng)投影方向總尺寸的30%，屬于平面凹凸不規(guī)則[18]。

2#樓標準層建筑平面圖如圖1所示。

圖1 2#樓標準層建筑平面圖

2 結(jié)構(gòu)計算前處理

2.1 主要計算參數(shù)

基本風壓1.30kN/m2，10年重現(xiàn)期的風壓0.75kN/m2，地面粗糙度為A類，建筑場地為III類?？拐鹪O(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度值為0.10g，設(shè)計地震分組為第三組。2#樓采用剪力墻結(jié)構(gòu)體系，抗震等級二級，抗震構(gòu)造措施二級。混凝土強度等級為C45～C30，鋼筋強度等級HRB400，剪力墻厚350mm～200mm。

2.2 結(jié)構(gòu)平面布置

建筑高寬比4.8，滿足鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)適用的最大高寬比[19]，經(jīng)濟性良好。建筑長寬比2.7，X向與Y向風荷載相差較大，Y向需要設(shè)置較多且較厚的墻肢才能滿足層間位移角和剛重比的要求。另外，為了合理有效地傳遞水平荷載，將圖2陰影填充區(qū)部分設(shè)板厚150mm。

圖2 2#樓標準層結(jié)構(gòu)平面圖

2.3 結(jié)構(gòu)超限檢查

根據(jù)《抗規(guī)》[20]第3.4.3條，2#樓結(jié)構(gòu)屬于“不規(guī)則”結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)不規(guī)則情況如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)不規(guī)則情況

3 結(jié)構(gòu)計算分析

3.1 多遇地震下的彈性分析

2#樓上部結(jié)構(gòu)采用盈建科建筑結(jié)構(gòu)計算軟件(YJKv2016-2.0.0)進行結(jié)構(gòu)分析。采用振型分解反應(yīng)譜法計算地震作用[20]，考慮偶然偏心和雙向地震作用[21]，周期折減系數(shù)取0.9[19]，計算結(jié)果見表2。從表中可以看出，結(jié)構(gòu)周期比、層間位移角及位移比等主要參數(shù)均能滿足規(guī)范[19]要求。

表2 2#樓上部結(jié)構(gòu)計算結(jié)果

3.2 風荷載分析

平潭地區(qū)，50年一遇的基本風壓1.30kN/m2，10年重現(xiàn)期的風壓0.75kN/m2，為福建最高[18]。

不同風壓作用下結(jié)構(gòu)的變形如圖3所示?；撅L壓1.30kN/m2、1.00kN/m2、0.80kN/m2、0.60kN/m2對應(yīng)的最大層間位移角分別為1/1020、1/1317、1/1658、1/2230?？紤]項目的經(jīng)濟性，實際工程中高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)最大層間位移角通常會控制在限值的95%以內(nèi)[21]，即不大于1/1050。該項目由于基本風壓較大(福州0.70kN/m2，廈門0.8kN/m2)，最大層間位移角控制在1/1020左右，滿足限值1/1000要求。

圖3 不同基本風壓作用下結(jié)構(gòu)變形

《高規(guī)》[19]第3.7.6條規(guī)定，當房屋高度不小于150m時，結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足風振舒適度要求。按荷載《規(guī)范》[20]附錄J計算結(jié)構(gòu)頂點振動最大加速度，結(jié)果如表3所示，其中，Y向順風向結(jié)構(gòu)頂點最大加速度已經(jīng)超過限值0.15m/s2，不適度程度達到“不能忍受”[19]。由于該棟建筑房屋高度小于100m，未超過《高規(guī)》[19]規(guī)定的150m，所以對結(jié)構(gòu)風振舒適度驗算結(jié)果僅提供給甲方參考，暫未對結(jié)構(gòu)進行調(diào)整。

表3 結(jié)構(gòu)頂點最大加速度 m/s2

4 結(jié)構(gòu)構(gòu)件分析與構(gòu)造

4.1 剪力墻偏拉驗算

如果雙肢剪力墻中一個墻肢發(fā)生小偏心受拉，該墻肢可能會出現(xiàn)水平通縫而嚴重削弱其抗剪能力，抗側(cè)剛度也會嚴重退化[19]。

中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部(建質(zhì)〔2015〕67號)印發(fā)的《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點》第十二條規(guī)定：“中震時雙向水平地震下墻肢全截面由軸向力產(chǎn)生的平均名義拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強度標準值時宜設(shè)置型鋼承擔拉力”。

福建省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳(閩建科〔2018〕4號)印發(fā)的《福建省住宅工程設(shè)計若干技術(shù)規(guī)定》第二十三條規(guī)定：“應(yīng)復(fù)核高層建筑在風荷載和中震標準組合下豎向構(gòu)件的受拉情況”。

根據(jù)以上兩條規(guī)定，對2#樓進行風荷載和中震標準組合下剪力墻偏心受拉驗算。驗算結(jié)果顯示：①偏心受拉墻肢只出現(xiàn)在1～12層；②風荷載標準組合下只出現(xiàn)在1～6層，出現(xiàn)受拉墻肢部位如圖4方框所示；③中震標準組合下受拉墻肢出現(xiàn)在1～12層，其中1～6層除了圖4方框所示部位以外，還包括圖4圓框所示部分，7～12層則只出現(xiàn)在圖4圓框所示部位。

圖4 偏心受拉墻肢示意圖

對于出現(xiàn)偏心受拉墻肢，《福建省住宅工程設(shè)計若干技術(shù)規(guī)定》規(guī)定：在受拉墻柱處設(shè)置型鋼，拉力全部由型鋼承擔；型鋼可選用Q345B，拉應(yīng)力不大于200MPa；墻柱縱向鋼筋按受力要求和原有抗震等級的約束邊緣構(gòu)件配筋率取大值設(shè)置。當Nk/Ac≥ftk時，型鋼截面面積As可以通過公式(1)確定。

As≥Nk/fy

(1)

Nk：風荷載或中震作用標準組合下墻柱拉力(N);

Ac：柱或墻肢截面面積(mm2);

As：型鋼截面面積(mm2);

ftk：混凝土抗拉強度標準值(MPa);

fy：型鋼抗拉強度設(shè)計值(MPa)，不大于200MPa。

有些省規(guī)定，當墻肢全截面由軸向力產(chǎn)生的平均名義拉應(yīng)力超過1.2倍或1.5倍的混凝土抗拉強度標準值時，才設(shè)置型鋼承擔拉力[21]。考慮到平潭綜合試驗區(qū)的特殊性，該工程按1.0倍ftk控制，偏拉墻肢型鋼設(shè)置如圖5所示，型鋼截面面積采用公式(1)計算。

(a)型鋼尺寸定位 (b)型鋼布置圖5 型鋼布置方式

4.2 剪力墻連梁超筋

在高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中，剪力墻連梁非常容易發(fā)生超限現(xiàn)象，而且這些超筋現(xiàn)象大部分都是抗剪截面不足或者剪壓比不足引起[20]。常見的超筋處理方法包括：加大梁截面、設(shè)置交叉斜筋、對角斜筋、對角暗撐、鋼板、型鋼混凝土梁、水平縫等[20]。不同方法對梁寬的要求不同，當梁寬小于等于200mm時，只能設(shè)置鋼板或設(shè)置水平縫；當梁寬不小于250mm時，可以設(shè)置交叉斜筋或型鋼混凝土梁；當梁寬不小于400mm時，可以采用對角斜筋配筋或?qū)前祿闻浣?。由?#樓剪力墻連梁超筋的部位集中出現(xiàn)在1/3～2/3建筑高度的樓層，且墻厚均為200mm，受建筑條件的約束，只能采用鋼板或設(shè)置水平縫。該項目采用鋼板連梁，其構(gòu)造做法如圖6所示。

(a)連梁設(shè)置鋼板大樣示意圖

(b)連梁鋼板埋置在墻肢中的錨固示意圖圖6 鋼板連梁構(gòu)造

以中間樓層超筋最嚴重的連梁為例，比較采用普通箍筋和采用鋼板連梁的計算結(jié)果(圖7)?？梢钥闯?，采用鋼板后，能夠有效解決連梁超筋問題，而且采用鋼板不需要調(diào)整梁寬，不改變建筑條件，適應(yīng)性強，是目前處理連梁超筋問題最常用的方法之一。

(a)采用普通箍筋

(b)采用鋼板連梁

5 結(jié)論

該項目2#樓，建筑高度89.55m，高寬比4.8，長寬比2.7，基本風壓1.30kN/m2，與一般項目相比，該棟建筑的層間位移角和風振舒適度更難控制，而且更容易發(fā)生豎向構(gòu)件偏心受拉、連梁超筋等現(xiàn)象。

為了解決這些問題，該項目采取了諸多措施，通過計算分析得到如下結(jié)論：

(1)通過設(shè)置較多Y向墻肢，并在不利于水平力傳遞處加強板厚，可以有效控制層間位移角。該項目2#樓最大層間位移角1/1020，能夠滿足規(guī)范1/1000的限值要求。

(2)Y向順風向結(jié)構(gòu)頂點最大加速度0.219m/s2，已經(jīng)超過限值0.15m/s2，風振不適度達到“不能忍受”的程度。但是由于2#樓建筑高度小于100m，未超過150m，所以對風振舒適度暫未嚴格控制，僅將驗算結(jié)果提供給甲方參考。

(3)通過對偏心受拉豎向構(gòu)件設(shè)置型鋼，對超筋連梁設(shè)置鋼板，能夠合理有效解決豎向構(gòu)件偏心受拉和連梁超筋問題。本文對型鋼截面面積的取值和鋼板連梁的做法作了詳細說明，可供同行參考。