阿爾及利亞某項目結(jié)構(gòu)設(shè)計綜述

孫素文，譚 偉，喻 歆，李文斌，邵麟捷，鄭浩漫，孫營杰

（1、悉地國際設(shè)計顧問（深圳）有限公司 深圳518000；2、中國建筑阿爾及利亞公司 北京100023）

1 工程概述

某項目位于阿爾及利亞首都阿爾及爾鎮(zhèn)郊。根據(jù)文獻(xiàn)［1］對整個國土區(qū)域的抗震分類來看，此位置處于高烈度地震頻繁活動區(qū)域（區(qū)域Ⅲ）。離地中海沿岸直線距離10 km 以外。項目由5 個分區(qū)組成。A區(qū)：辦公區(qū)，由8棟辦公樓圍合而成，樓棟2～6層不等，均帶有地下室及地下通道；B 區(qū)：后勤總部及宿舍區(qū)，宿舍區(qū)樓均為2 層，其他樓棟均為1 層；D 區(qū)：設(shè)備站區(qū)，均為設(shè)備樓棟，單層；E 區(qū)：配套生活區(qū)，樓棟2～6層不等。項目效果如圖1所示。由于項目地質(zhì)情況比較復(fù)雜，土層分布不均，基礎(chǔ)持力層根據(jù)現(xiàn)狀土標(biāo)高往下2～5 m 不等，最深處約達(dá)7 m。持力層基本為砂土及砂質(zhì)黏土，承載力位于250～300 kPa 之間，基礎(chǔ)形式大致分為獨立基礎(chǔ)、條形基礎(chǔ)和筏板基礎(chǔ)。

圖1 項目效果圖Fig.1 The Architectural Rendering of the Project

由于當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)的修訂工作進(jìn)度緩慢，很多標(biāo)準(zhǔn)［1-4］均未得到更新，對本項目存在一些沒有涵蓋的條文和規(guī)定，所以本項目結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中分別采用中國規(guī)范［5，6］及歐洲規(guī)范［7，8］對荷載設(shè)計規(guī)范、抗震設(shè)計規(guī)范、混凝土設(shè)計規(guī)范進(jìn)行了相應(yīng)的對比和補(bǔ)充，并且參考了文獻(xiàn)［9，10］，為本項目提供了輔助設(shè)計和補(bǔ)充設(shè)計。

2 重要性分類

本項目屬于“特殊重要”類項目，根據(jù)業(yè)主方的CCTP（此文件為業(yè)主方對承包商針對本項目具體的特定技術(shù)要求和規(guī)定）的技術(shù)要求，此項目業(yè)主方提出在滿足文獻(xiàn)［1］的項目重要性分類基礎(chǔ)上，提高一個標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，即按1A 組：生死攸關(guān)的重要建筑，構(gòu)筑物也須按此組來進(jìn)行分類。

3 結(jié)構(gòu)體系分析及對比

根據(jù)文獻(xiàn)［1］對結(jié)構(gòu)體系的劃分，本項目主要采用的結(jié)構(gòu)體系有3 類：①框架結(jié)構(gòu)；②框架-剪力墻結(jié)構(gòu)；③剪力墻結(jié)構(gòu)。具體到此3類結(jié)構(gòu)體系的分類，與文獻(xiàn)［5］及文獻(xiàn)［7］中所規(guī)定的結(jié)構(gòu)體系分類存在較多的不同，具體如下。

3.1 框架結(jié)構(gòu)

框架結(jié)構(gòu)主要是利用梁柱組成的縱橫兩個方向的框架形成的結(jié)構(gòu)體系。主要承受豎向荷載和水平荷載。整體的抗側(cè)剛度較弱，文獻(xiàn)［1］、文獻(xiàn)［5］及文獻(xiàn)［7］都對所適用的層數(shù)做了一定的限制，具體如表1所示。根據(jù)規(guī)范要求和經(jīng)濟(jì)性對比，本項目中只對1 層建筑采用框架結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)分類屬于1b類。

3.2 框架-剪力墻結(jié)構(gòu)

框架-剪力墻結(jié)構(gòu)主要是由框架梁柱和剪力墻組成的雙重、雙向抗側(cè)力體系。水平荷載根據(jù)框架柱和剪力墻的剛度比例進(jìn)行分配，豎向荷載根據(jù)結(jié)構(gòu)布置由框架梁柱及剪力墻承擔(dān)。本項目中根據(jù)文獻(xiàn)［1］，文獻(xiàn)［5］及文獻(xiàn)［7］的規(guī)定進(jìn)行合理的取值分類，確定2層建筑采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)分類屬于4a類?？蚣?剪力墻結(jié)構(gòu)體系對比如表2所示。

表1 框架結(jié)構(gòu)對比Tab.1 Frame Structure Comparison

表2 框架-剪力墻結(jié)構(gòu)對比Tab.2 Frame-shell Wall Structure Comparison

3.3 剪力墻結(jié)構(gòu)

剪力墻結(jié)構(gòu)主要是由雙向剪力墻形成抗側(cè)力體系。豎向荷載及水平荷載由剪力墻承擔(dān)，對于帶少量的框架柱的剪力墻結(jié)構(gòu)體系，框架柱的要求和規(guī)定均在文獻(xiàn)［1］、文獻(xiàn)［5］及文獻(xiàn)［7］中有一定的區(qū)別，具體如表3所示。本項目中的剪力墻結(jié)構(gòu)體系均用于不小于3層的建筑物，結(jié)構(gòu)分類屬于2類。

4 抗震分析

4.1 地震反應(yīng)譜

文獻(xiàn)［1］所采用的抗震分析方法有3種，等量靜態(tài)法（底部剪力法）、模態(tài)分析法（反應(yīng)譜法）以及加速度動態(tài)分析法（時程分析法）。本項目各個建筑單體均采用各國都運用比較廣泛的模態(tài)分析法進(jìn)行計算。文獻(xiàn)［1］反應(yīng)譜計算公式如式⑴所示。項目中采用的3種結(jié)構(gòu)體系采用的地震反應(yīng)譜所得到的地震作用力有一定的區(qū)別，具體參數(shù)和計算結(jié)果如表4所示。

從結(jié)果來看，地震作用基本均處于該國反應(yīng)譜的平臺段，地震作用較大，主要原因是由于對各個結(jié)構(gòu)單體的自振周期進(jìn)行了手算控制，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)自振周期不應(yīng)超過經(jīng)驗取值：T=CTHN4，其中CT為與結(jié)構(gòu)體系和填充類型有關(guān)參數(shù)，本項目均取0.05；HN為嵌固端算起的結(jié)構(gòu)高度。重力荷載代表值（Wi=WGi+β WQi）的取值根據(jù)建筑的使用功能，所采用的使用荷載平衡系數(shù)β 有所不同，如：住宅、辦公室β=0.2；體育館、教室、食堂β=0.3。反應(yīng)譜基底剪力不應(yīng)小于等效靜力法得到的基底剪力值的80%。等效靜力法基底剪力V=（A·D·Q）W/R，其中D 為平均動力放大系數(shù)，取值與阻尼比和場地特征周期相關(guān)；Q 為質(zhì)量系數(shù)，取值與結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性、材料質(zhì)量和施工質(zhì)量相關(guān)。

表3 剪力墻結(jié)構(gòu)對比Tab.3 Shell Wall Structure Comparison

表4 地震作用參數(shù)及取值Tab.4 Earthquake Action Parameters and Values

4.2 結(jié)構(gòu)規(guī)則性判定

文獻(xiàn)［1］對結(jié)構(gòu)的平面和立面規(guī)則性的要求基本與文獻(xiàn)［5］、文獻(xiàn)［7］相同。確定結(jié)構(gòu)體系和方案的指導(dǎo)原則：結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量均勻，結(jié)構(gòu)對稱，冗余度高，抗扭剛度大，樓板滿足性能要求，具有良好的地基承載力。本項目結(jié)構(gòu)方案在確定結(jié)構(gòu)規(guī)則性時，均保證了立面規(guī)則，在平面規(guī)則性判斷時，由于建筑功能的要求，辦公樓基本為平面規(guī)則，但其他功能建筑如食堂、運動場所、電影院等，均進(jìn)行了平面不規(guī)則判定。

4.2.1 平面規(guī)則性判定

計算方向上結(jié)構(gòu)質(zhì)心與剛心之間的距離不應(yīng)超過地震作用垂直方向建筑物尺寸的15%；建筑物平面上凹凸尺寸不應(yīng)大于相應(yīng)尺寸的25%；長寬比不應(yīng)大于4；樓面開洞總面積不應(yīng)超過總面積的15%。剪力墻結(jié)構(gòu)地面嵌固平面應(yīng)有足夠大的剛度，對于此足夠大的剛度的判定無明確的指標(biāo)，根據(jù)文獻(xiàn)［1］的通常做法，在上部結(jié)構(gòu)以下，結(jié)構(gòu)需要在四周設(shè)置一圈埋置于土體中的墻體，提供作為嵌固端的剛度，根據(jù)文獻(xiàn)［5］的嵌固端剛度與上部樓層剛度比來衡量，剛度比完全滿足要求，如圖2所示。

4.2.2 立面規(guī)則性判定

豎向構(gòu)件應(yīng)保持連續(xù)；各樓層的剛度比應(yīng)保持恒定或者逐層遞減，不得突變；相鄰樓層的質(zhì)量比及剛度比不得超過25%；相鄰樓層間平面尺寸變化不應(yīng)超過20%，立面最大尺寸不應(yīng)超過相應(yīng)最小尺寸的1.5倍，如圖3所示。

圖2 平面不規(guī)則尺寸凹凸項判斷Fig.2 Judgment of Irregularies in Plan

圖3 豎向不規(guī)則尺寸凹凸項判斷Fig.3 Judgment of Irregularities in Elevation

4.2.3 結(jié)構(gòu)抗震驗算

文獻(xiàn)［1］規(guī)定結(jié)構(gòu)抗震驗算時需對強(qiáng)度、穩(wěn)定、抗震縫、樓板強(qiáng)度、變形、P-△效應(yīng)均進(jìn)行驗算。所采用的地震作用與其他荷載效應(yīng)的組合公式，一般情況為：S=G+Q±E；恒載有利：S=0.8G±E，框架結(jié)構(gòu)需要增加荷載組合的考慮：S=G+Q±1.2E。

①截面強(qiáng)度驗算：所有的結(jié)構(gòu)構(gòu)件以及與其連接的非結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件，應(yīng)滿足設(shè)計表達(dá)式：Sd≤Rd。②穩(wěn)定性驗算：結(jié)構(gòu)整體需滿足抗傾覆、抗滑移以及基礎(chǔ)的偏心的限值要求。③樓板強(qiáng)度驗算：需保證樓板能把相應(yīng)的水平力完全傳遞給豎向構(gòu)件。④變形驗算：層間位移角不得超過1.0%。⑤P-△效應(yīng)驗算：θ =Pk△k/Vkhk，其中Pk為總重；Vk為層剪力；△k為層間位移；hk為層高。當(dāng)0.10＜θ ≤0.20 時，考慮增大地震作用力，當(dāng)θ ＞0.20 時，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不滿足要求。⑥抗震縫驗算：文獻(xiàn)［1］對結(jié)構(gòu)分縫要求較高，大于30 m基本需要考慮結(jié)構(gòu)分縫，相應(yīng)縫之間在地震作用時，縫間凈距需滿足dmin=15 mm+δ1+δ2+40 mm，δk=Rδek，其中δek為層位移。

5 結(jié)構(gòu)難點

本項目在設(shè)計前期，結(jié)構(gòu)設(shè)計專業(yè)對CTC（當(dāng)?shù)貙張D單位）、承包商（EPC）的要求進(jìn)行了充分的溝通和了解，CTC 要求把結(jié)構(gòu)安全性放在整個設(shè)計的首位，并且需要對每個結(jié)構(gòu)難點進(jìn)行分析和論證。本項目存在的主要難點如下：

5.1 結(jié)構(gòu)分縫處土體應(yīng)力集中

文獻(xiàn)［3］未有相鄰基礎(chǔ)下土體應(yīng)力相互影響的計算方法和公式。本項目對于分縫處基礎(chǔ)下土體應(yīng)力疊加的計算，參考我國標(biāo)準(zhǔn)及歐洲標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)分析。根據(jù)附加應(yīng)力等值線可以判斷荷載在地基中的影響范圍。對單個基礎(chǔ)來看，應(yīng)力泡往下影響范圍越大，相應(yīng)的應(yīng)力值越小，如圖4 所示。分縫處基礎(chǔ)土體應(yīng)力的計算，本項目分縫處基礎(chǔ)存在高低差以及基礎(chǔ)在同一標(biāo)高的情況，根據(jù)計算分析，由于基礎(chǔ)在同一標(biāo)高的情況屬于最不利情況，根據(jù)應(yīng)力泡的作用原理，高處基礎(chǔ)的土體應(yīng)力在低處應(yīng)力衰減較大，并且在對應(yīng)位置下部填充了素混凝土，基本屬于剛性體，作用應(yīng)力擴(kuò)散后，傳至低處基礎(chǔ)，應(yīng)力減小。當(dāng)?shù)鼗A(chǔ)分縫處的常用做法如圖5所示，本項目住宅區(qū)典型基礎(chǔ)分縫處的計算土體應(yīng)力分布如圖6、圖7所示。

圖4 均布條形荷載P作用下的應(yīng)力泡Fig.4 Stress Bubble under Uniform Strip Load P

圖5 基礎(chǔ)分縫形式Fig.5 Foundation Joint

5.2 土體與結(jié)構(gòu)共同作用

土體-基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)共同作用是當(dāng)前設(shè)計界運用較少的一種設(shè)計方法和思路，當(dāng)前的設(shè)計思路是上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)單獨分開進(jìn)行設(shè)計，已經(jīng)不太符合結(jié)構(gòu)設(shè)計的需要。當(dāng)前在基礎(chǔ)設(shè)計時，把相應(yīng)的上部剛度簡化為受力來進(jìn)行簡化，或者考慮上部幾層的剛度的做法，明顯對連接處的上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力考慮不夠完善。根據(jù)美國NEHRP 顧問應(yīng)用技術(shù)委員會和地震工程研究大學(xué)共同為國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）的工程實驗室編著的《建筑結(jié)構(gòu)的土-結(jié)構(gòu)相互作用》（NIST GCR 12-917-21）來進(jìn)行分析，土體-基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)共同作用更符合實際整體結(jié)構(gòu)受力，更全面考慮了三者之間的相互作用，如圖8 所示。本項目采用了此種設(shè)計思路，考慮土體的長期剛度和短期剛度對基礎(chǔ)的作用，基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)整體建模，對基礎(chǔ)及地下室進(jìn)行土體側(cè)向剛度的指定，考慮側(cè)向約束，進(jìn)行設(shè)計，也得到了更符合實際情況的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

圖6 分縫基礎(chǔ)下土體分層Fig.6 Soil Layered under Split Foundation

圖7 土體層應(yīng)力分布Fig.7 Stress Distribution of Soil Layer

圖8 土體-基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)共同作用示意圖Fig.8 Schematic Diagram of the Interaction of Soil-foundation and Superstructure

5.3 剪力墻設(shè)計方法

剪力墻的設(shè)計方法較多，文獻(xiàn)［5］中基本設(shè)計思路為：不考慮墻體平面外剛度，對截面進(jìn)行平截面假定，受力滿足應(yīng)力-應(yīng)變的關(guān)系，考慮軸向力的有利影響，進(jìn)行截面設(shè)計。文獻(xiàn)［7］推薦采用壓桿-拉桿模型考慮墻體的設(shè)計。壓桿-拉桿模型其實是取定一個靜定或超靜定的壓桿-拉桿模型，在此基礎(chǔ)上求得每一根拉壓桿的內(nèi)力，再根據(jù)拉壓桿的內(nèi)力分析取定鋼筋的配筋面積?！皸l帶法”也是文獻(xiàn)［7］常用的墻體計算方式。計算分析與配筋計算如圖9所示。對剪力墻的配筋計算，CTC對此2種計算方法均不認(rèn)可，主要原因是：①由于在沿墻的平面方向，墻的寬度較大，一般不滿足平截面假定；②內(nèi)力分析計算時，墻體殼單元在平面外的彎矩雖然較小，但始終還是存在。因此，采用截面設(shè)計器來對墻體進(jìn)行配筋計算。典型墻承載力包絡(luò)線設(shè)計如圖10所示。

圖9 墻正截面分析示意圖及配筋計算示意圖Fig.9 Schematic Diagram of Wall Normal Section Reinforcement Calculation

圖10 墻截面承載力包絡(luò)線Fig.10 Envelope Curve of Wall Section Bearing Capacity

5.4 地震作用下基礎(chǔ)單壓非線性計算

根據(jù)現(xiàn)有的計算設(shè)計軟件，在進(jìn)行基礎(chǔ)計算分析時，振型分解反應(yīng)譜法不能進(jìn)行地基彈簧的非線性（單壓）分析。本項目在進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計時，CTC 要求對基礎(chǔ)的零應(yīng)力區(qū)在整個基礎(chǔ)中占比進(jìn)行分析，根據(jù)文獻(xiàn)［1］對基礎(chǔ)偏心的規(guī)定：在地震作用下基礎(chǔ)底面與地基土之間的零應(yīng)力區(qū)不得超過基礎(chǔ)底面面積的25%。根據(jù)現(xiàn)有的計算分析手段，考慮地震作用時，對基礎(chǔ)下部土體彈簧的非線性特性只能采用底部剪力法來進(jìn)行非線性分析。由于ETABS 軟件中沒有文獻(xiàn)［1］的引進(jìn)，底部剪力法地震力計算均采取參考文獻(xiàn)［7］參數(shù)來進(jìn)行設(shè)置，并要求底部剪力法得到的底部剪力不得小于反應(yīng)譜法所得到的底部剪力的80%。相應(yīng)的土體彈簧在地震作用下的非線性分析結(jié)果如圖11所示，結(jié)果滿足要求。

6 結(jié)語

圖11 住宅區(qū)E15號樓土體彈簧在地震作用下的非線性分析模型Fig.11 Non-linear Analysis Model of Soil Spring in Building E15 of Residential Area under Earthquake Action

當(dāng)前阿爾及利亞是中國海外建筑企業(yè)位于非洲的最大市場之一，本項目作為中國建筑在當(dāng)?shù)氐腅PC項目，為我國的建筑設(shè)計走向海外開辟了一條道路。我國的結(jié)構(gòu)設(shè)計水平在世界上也處于領(lǐng)先的水平，走出國門也是形勢所趨，結(jié)構(gòu)設(shè)計也需要真正做到設(shè)計輸出。在面對海外市場時，我國結(jié)構(gòu)設(shè)計師不僅需要充分了解當(dāng)?shù)氐募夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)，還需要將較為先進(jìn)的中國標(biāo)準(zhǔn)及歐洲標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)運用到各個項目中，成為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的“海拓者”。