某超限高層框架結(jié)構(gòu)設(shè)計

徐曼妮 劉一斌 王海霖

摘 要：某框架結(jié)構(gòu)高度不超限，但存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、凹凸不規(guī)則及尺寸突變不規(guī)則項，同時存在斜柱局部不規(guī)則，屬超限高層。在設(shè)計中采用抗震性能化設(shè)計方法，選用適當(dāng)?shù)目拐鹦阅苣繕?biāo)，并對結(jié)構(gòu)進行了重力荷載、風(fēng)荷載及溫度作用分析，結(jié)合抗震概念設(shè)計，采取了適當(dāng)?shù)募訌姶胧ＷC了結(jié)構(gòu)即安全又經(jīng)濟。

關(guān)鍵詞：性能化設(shè)計;抗震;超限高層

近年來，隨著建筑使用功能、立面效果的要求提高，復(fù)雜超限高層建筑越來越常見，如何保證這類建筑的安全、經(jīng)濟成為一個結(jié)構(gòu)工程師必須要面對的課題。對此類結(jié)構(gòu)采用性能化設(shè)計是一個合理、有效的解決方案，本文以某復(fù)雜超限框架結(jié)構(gòu)為例，說明了超限高層框架結(jié)構(gòu)設(shè)計的具體過程。

1、工程概況

本項目為一座集商業(yè)展示、會議、辦公、餐飲為一體的建筑物，項目總建筑面積107810平方米，地上建筑面積48467平方米，地下室建筑面積59343平方米，地上七層，地下三層，建筑高度為36.1米，地上最大平面尺寸為124×111米。本項目在外立面設(shè)計上采用圓弧、曲線等展現(xiàn)出動態(tài)的輪廓效果，裙房外立面采用傾斜式玻璃幕層層收進，塔樓在空間上看有四條明顯的縱肋，四角幕墻呈從下到上收進的弧形。結(jié)合建筑造型，結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)主要呈弧形，塔樓四角傾斜式幕墻處結(jié)構(gòu)采用斜柱處理。

2、荷載

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012），本工程所在地50年重現(xiàn)期基本風(fēng)壓Wo=0.65 kN/m2，建筑物地面粗糙度類別為B類。50年重現(xiàn)期基本雪壓So=0.45 kN/m2，雪荷載準(zhǔn)永久值系數(shù)分區(qū)為Ⅰ區(qū)?？拐鹪O(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本加速度為0.10g，設(shè)計地震分組為第一組，特征周期為0.35s，場地類別為Ⅱ類。施工階段溫降工況荷載為 -48℃，溫升工況荷載為40.7℃;使用階段溫降工況荷載為-41℃，溫升工況荷載為22℃。

3、結(jié)構(gòu)超限分析

本工程存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、凹凸不規(guī)則、尺寸突變不規(guī)則項，同時存在斜柱局部不規(guī)則。

根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防管理規(guī)定》（建設(shè)部令第111號）、《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點》（建質(zhì)[2015]67號），本工程屬超限高層。

3.1性能目標(biāo)

針對本工程超限類型，采取了結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計的措施。結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)按照《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)積水規(guī)程》（JGJ3-2010）第3.11節(jié)內(nèi)容執(zhí)行，綜合考慮結(jié)構(gòu)不規(guī)則項、建筑的功能和規(guī)模，設(shè)定結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)為C級，結(jié)構(gòu)各部位構(gòu)件性能化設(shè)計的具體要求如表1所示。

3.2分析內(nèi)容

（1）對結(jié)構(gòu)進行了重力荷載、多遇地震及風(fēng)荷載計算，采用YJK和MIDAS兩個軟件相互校核指標(biāo)，確保結(jié)構(gòu)計算模型的準(zhǔn)確性。

（2）采用YJK軟件對結(jié)構(gòu)進行整體模型和兩塔樓分開的模型（單塔模型）進行計算比較，按二者包絡(luò)設(shè)計配筋。

（3）采用YJK軟件對跨度較大區(qū)域樓板進行舒適度分析，保證樓板舒適度滿足要求。

（4）采用YJK軟件對整體結(jié)構(gòu)進行溫度作用下的樓板應(yīng)力分析，發(fā)現(xiàn)溫度作用的薄弱部位。

（5）多遇地震時程分析采用YJK進行計算，分析結(jié)構(gòu)在地震波作用下的反應(yīng)，并將樓層剪力與CQC結(jié)果進行對比。

（6）采用YJK進行中震性能判別，分析結(jié)構(gòu)在設(shè)防地震下的工作情況。通過不同的參數(shù)設(shè)定，分別驗算中震不屈服和中震彈性兩種工況，復(fù)核不同構(gòu)件的中震性能水準(zhǔn)，作為調(diào)整構(gòu)件截面、配筋的設(shè)計依據(jù)。

（7）采用YJK軟件按等效彈性方法計算指定構(gòu)件是否在大震下滿足抗剪不屈服性能目標(biāo)。

（8）采用YJK-EP進行動力彈塑性時程分析，分析結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的薄弱部位、構(gòu)件塑性發(fā)展及破壞順序，驗證大震不倒的整體目標(biāo)和各類構(gòu)件的大震性能水準(zhǔn)。

3.3 分析結(jié)果及加強措施

針對本工程超限情況及設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)問題，在設(shè)計中采取如下補充分析及加強措施，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。

（1）采用YJK和MIDAS進行剛性板假定下的整體指標(biāo)對比，互相校核重力荷載、地震作用及風(fēng)荷載下的計算結(jié)果，確保結(jié)構(gòu)整體計算指標(biāo)準(zhǔn)確可靠，計算結(jié)果表明兩個計算軟件的各項指標(biāo)較為接近，說明模型真實可靠。結(jié)構(gòu)計算的周期比為0.877，其它各項指標(biāo)滿足規(guī)范要求。

（2）對結(jié)構(gòu)整體模型和兩塔樓分開的模型（單體模型）進行了對比，計算結(jié)果表明單塔模型計算的樓層剪力比整體模型小，結(jié)構(gòu)設(shè)計時仍偏于安全的按單體模型與整體模型包絡(luò)設(shè)計。

（3）利用YJK進行了小震彈性時程分析，地震波采用五條天然波和二條人工波，對時程分析的樓層平均剪力與CQC法樓層剪力進行了比較，各樓層彈性時程計算結(jié)果均小于CQC法，故配筋設(shè)計時可僅按CQC法計算。各條地震波作用下，X、Y向的最大層間位移角分別為1/1306（2F）、1/1377（2F），小于限值1/550，滿足規(guī)范要求。

（4）對斜柱、四層塔樓間裙房柱及多塔收進影響的柱采取提高一級抗震等級的措施，提高薄弱位置構(gòu)件的安全性。對特一級框架柱，除按《高規(guī)》3.10.2條采取放大內(nèi)力、提高加密區(qū)配箍特征值（增加0.02）、提高配筋率（中、邊柱≥1.4%，角柱≥1.6%）的措施外，對軸壓比大于0.6的柱，通過在柱的截面中部設(shè)置芯柱（芯柱配筋率不小于柱截面面積的0.8%）來提高其延性。

（5）對結(jié)構(gòu)各構(gòu)件設(shè)定了不同水準(zhǔn)下的性能目標(biāo)。框架柱按抗中震抗剪彈性、抗彎不屈服設(shè)計，與斜柱相連框架梁采用中震抗彎、抗剪不屈服設(shè)計;對斜柱、四層塔樓間裙房柱、塔樓與裙房交界處柱（1～5F）采用大震抗剪不屈服設(shè)計，并控制其大震損傷程度為輕微損壞，所有豎向構(gòu)件均需滿足大震受剪截面控制條件。對需按中震、大震設(shè)計的構(gòu)件，最終配筋結(jié)果均與小震結(jié)果進行包絡(luò)。

（6）考慮到二～五層兩塔樓間樓板受力復(fù)雜，對其樓板加厚至150mm（三層考慮減輕密肋樓蓋自重，板厚取100mm），采用雙層雙向配筋，每層每方向配筋率不小于0.25%，并對其按中震受拉不屈服計算結(jié)果復(fù)核，同時保證其在罕遇地震作用下抗剪不屈服，以確保水平地震力的有效傳遞。

（7）對跨度較大區(qū)域樓板進行了舒適度分析，結(jié)果表明舒適度滿足要求。

（8）對樓板進行了溫度應(yīng)力分析，對溫度影響較大的的地方采用加強配筋的方式抵抗溫度應(yīng)力，對溫度應(yīng)力集中的洞口邊樓板采用在板中增設(shè)鋼筋網(wǎng)片處理。

（9）考慮結(jié)構(gòu)體型較復(fù)雜，本工程考慮重力荷載、地震與風(fēng)荷載同時參與組合。

（10）對南北兩側(cè)幕墻鋼構(gòu)架與主體結(jié)構(gòu)之間采用弱連接（上端鉸接、下端滑動），弱化對主體結(jié)構(gòu)的剛度貢獻(xiàn)，達(dá)到減小其參與整體地震、溫度作用的效果，實現(xiàn)其作為整體結(jié)構(gòu)的附屬構(gòu)件。鋼構(gòu)架強度及穩(wěn)定均滿足要求，對撓度不滿足要求的地方采用起拱處理，對折梁節(jié)點利用ansys軟件進行了節(jié)點細(xì)化分析，確保節(jié)點的安全可靠。

3.4 結(jié)論

本工程為框架結(jié)構(gòu)，高度36.1m，高度不超限，但存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、凹凸不規(guī)則及尺寸突變不規(guī)則項，同時存在斜柱局部不規(guī)則，屬超限高層。在設(shè)計中采用抗震性能化設(shè)計方法，根據(jù)抗震設(shè)計原則及本工程特點，對整體結(jié)構(gòu)進行了詳細(xì)分析，主要結(jié)論如下：

（1）通過彈性計算，結(jié)構(gòu)各項指標(biāo)基本滿足規(guī)范的要求，結(jié)構(gòu)沿豎向剛度變化較均勻，沒有產(chǎn)生薄弱層。同時對斜柱、塔樓與裙房交界處柱等關(guān)鍵構(gòu)件及與斜柱相連框架梁采取了更嚴(yán)格的抗震性能要求，保證了結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。

（2）塔樓裙房間連接樓板要協(xié)調(diào)兩塔的振動，受力復(fù)雜，對此進行了相應(yīng)的加強，并進行了詳細(xì)的應(yīng)力分析，保證樓板中震受拉不屈服，大震抗剪不屈服，確保地震作用下能有效傳遞水平力。

（3）大震下，結(jié)構(gòu)層間位移角滿足規(guī)范要求，實現(xiàn)“大震不倒”，結(jié)構(gòu)大部分構(gòu)件只出現(xiàn)輕微損壞，并且損傷部位主要在框架梁上，結(jié)構(gòu)形成抗震性能較好的“梁鉸”破壞機制，具有較強的耗能能力和內(nèi)力重分部能力。

綜上所述，本結(jié)構(gòu)除能滿足豎向荷載和風(fēng)荷載作用下的有關(guān)指標(biāo)外，抗震性能目標(biāo)滿足C級的要求，設(shè)計合理有效，安全可行。

4、結(jié)束語

本文以某超限高層框架結(jié)構(gòu)為例，介紹了結(jié)構(gòu)超限類型，并針對結(jié)構(gòu)超限特點采取了諸多補充分析及加強措施，保證了結(jié)構(gòu)即安全又經(jīng)濟，可供此類結(jié)構(gòu)設(shè)計時參考。

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