高烈度地區(qū)超限高層設(shè)計(jì)要點(diǎn)案例分析

王改玲

（蘭州現(xiàn)代職業(yè)學(xué)院城市建設(shè)學(xué)院，甘肅 蘭州730200）

現(xiàn)代城市化建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，人口數(shù)量不斷增長(zhǎng)使得城市空間越發(fā)緊張，建筑設(shè)計(jì)逐漸向高層建筑形式靠攏，但高層建筑由于自重較大且高度較高，其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與抗震性也必須要不斷進(jìn)行改進(jìn)，如此才能夠確保建筑的安全性。近年來(lái)，強(qiáng)震嚴(yán)重威脅了人們生存，尤其在工程結(jié)構(gòu)高度與跨度不斷增加的新時(shí)代，一旦發(fā)生地震，勢(shì)必會(huì)引起嚴(yán)重的損傷。所以在工程設(shè)計(jì)中，需要高度重視抗震性能的設(shè)計(jì)，提高工程建筑抗震的能力，以免發(fā)生地震時(shí)，出現(xiàn)嚴(yán)重的損失。

1 項(xiàng)目概況

本工程項(xiàng)目為超限高層設(shè)計(jì)，主要包括A、B、C 座3 幢塔樓、地下車(chē)庫(kù)，建筑項(xiàng)目主體部分地下部分包括地下室與地下車(chē)庫(kù)，層數(shù)設(shè)定為兩層，地上部分中A 座和B 座最高層均設(shè)計(jì)為30 層、C 座則為18 層；A 與B 座的地下室相通，C 座的地下室和A、B 兩座地下室利用伸縮縫隔斷。A、B 座地下一層設(shè)計(jì)為車(chē)庫(kù)，地下二層則為平戰(zhàn)結(jié)合式人防地下室，地上建筑部分一、二層為商用店鋪設(shè)計(jì)，三層及以上為居民住宅，建筑主體高度為90.8 米，內(nèi)外的高差是0.6 米；C 座的地下一層是設(shè)備用房與自行車(chē)庫(kù)、地下二層是人防、地上都是住宅，高度是52.7 米m，室內(nèi)外的高差在0.45 米。

2 結(jié)構(gòu)計(jì)算

通過(guò)PKPM2010 版系列軟件SATWE 及MIDAS-building 程序進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，考慮耦聯(lián)作用及偶然偏心的影響作用。設(shè)計(jì)中采用三水準(zhǔn)、兩階段對(duì)主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的抗震計(jì)算分析；

第一，多遇地震作用下，采用了兩種空間分析軟件對(duì)主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了整體分析計(jì)算比較，從SATWE 與MIDAS-building的分析結(jié)果比較看，兩個(gè)分析軟件的計(jì)算結(jié)果的周期、平動(dòng)扭轉(zhuǎn)均比較接近，第一、第二周期為平動(dòng)周期，第三周期為扭轉(zhuǎn)周期，均能滿足周期比要求[1]。

第二，本工程屬于8 度（0.3g）抗震設(shè)防的B 級(jí)高度丙類(lèi)高層建筑，對(duì)主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)防烈度地震下的抗剪彈性計(jì)和抗彎不屈服計(jì)算分析，罕遇地震作用下的彈塑性靜力分析。

3 抗震性能設(shè)計(jì)

為分析高烈度區(qū)域超限高層結(jié)構(gòu)動(dòng)力的特性，同時(shí)給結(jié)構(gòu)減震的設(shè)計(jì)、地震波選擇與分析結(jié)構(gòu)的抗震性能提供參考依據(jù)，構(gòu)建三維精細(xì)桿系與框架梁?jiǎn)卧哪M。這種模型使用ETABS 的非線性軟件進(jìn)行建立，其柱與框架梁使用空間的桿系單元進(jìn)行模擬，而剪力墻使用殼元進(jìn)行模擬，工程樓板使用板單元進(jìn)行模擬[2]。

3.1 結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能目標(biāo)

為了保證結(jié)構(gòu)滿足建筑所處位置高烈度的抗震性標(biāo)準(zhǔn)，需要針對(duì)超限高層結(jié)構(gòu)中不同結(jié)構(gòu)件的性能進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)其每個(gè)細(xì)節(jié)進(jìn)行科學(xué)的調(diào)整，并將其構(gòu)件抗震性設(shè)定為：

第一，在多遇地震狀態(tài)下，必須要保證所有構(gòu)件均依據(jù)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行彈性設(shè)計(jì)；

第二，如考慮遇到罕遇地震情況下，則建筑底部必須要保證剪力墻受剪截面設(shè)計(jì)與可控制條件相統(tǒng)一。

3.2 計(jì)算軟件與計(jì)算方法

（1）為了確保超限高層建筑結(jié)構(gòu)能夠具備防烈度和罕遇地震的性能，需要以《高層建筑混凝土技術(shù)規(guī)程》中的標(biāo)準(zhǔn)，采取相應(yīng)措施進(jìn)行構(gòu)件的改進(jìn)驗(yàn)算，主要針對(duì)其在不同情況下的承載力計(jì)算，目前通常采用等效彈性的方法進(jìn)行其抗震性計(jì)算。

（2）計(jì)算軟件主要采用SATWE，在進(jìn)行計(jì)算前必須要進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的手動(dòng)調(diào)整，同時(shí)要針對(duì)對(duì)不同性能要求采取分別計(jì)算的方式進(jìn)行驗(yàn)算。

（3）關(guān)于構(gòu)件承載力驗(yàn)算主要針對(duì)設(shè)防烈度作用下構(gòu)件承載力彈性設(shè)計(jì)、屈服承載力設(shè)計(jì)、罕遇地震作用下受剪截面控制條件設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算。

（4）驗(yàn)算中所采用的參數(shù)主要選用多雨地震反應(yīng)譜法來(lái)進(jìn)行相同模型參數(shù)的計(jì)算，并在設(shè)防烈度作用下屈服承載力設(shè)計(jì)時(shí)材料強(qiáng)度等級(jí)等全部選用標(biāo)準(zhǔn)值，計(jì)算時(shí)對(duì)于程序設(shè)定主要選定設(shè)防烈度和罕遇地震作用下相關(guān)選項(xiàng)，并進(jìn)行計(jì)算。

例如：本文工程項(xiàng)目中對(duì)于外圍框架柱的設(shè)計(jì)中，其剪力墻筒體外圍框架設(shè)計(jì)為矩形鋼管混凝土柱，其與鋼筋混凝土核心筒共同承載結(jié)構(gòu)所帶來(lái)的的重力和側(cè)向力，外圍框架的自身平面設(shè)計(jì)為鋼筋框架，并利用鋼筋框架實(shí)現(xiàn)外圍框架與核心筒鋼梁的連接，而核心筒鉸接則是外框架剛接。外圍框架是建筑防震的第二重保險(xiǎn)，其承載的地震剪力必須要嚴(yán)格的按照項(xiàng)目所在地區(qū)地質(zhì)情況和設(shè)計(jì)抗震性要求進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)和調(diào)整計(jì)算。在設(shè)計(jì)中，需要按照相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)多遇地震作用下各框架所承擔(dān)的建立進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算和精確的改進(jìn)。

計(jì)算公式如下：

各層框架梁則也需要按照相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式為：

并按照公式計(jì)算結(jié)果來(lái)進(jìn)行調(diào)整。

而對(duì)于矩形鋼管混凝土短柱的軸壓比設(shè)定需要保證其控制在0.7 以?xún)?nèi)，必須要注意的是對(duì)混凝土承載系數(shù)的限制，其必須要保證鋼管混凝土柱的延性滿足工程項(xiàng)目要求。梁柱鋼節(jié)點(diǎn)需要采用抗震加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)，主要運(yùn)用剪力放大系數(shù)、彎矩放大系數(shù)來(lái)進(jìn)行強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱桿件、強(qiáng)柱弱梁和強(qiáng)剪弱彎抗震設(shè)計(jì)。而防地震作用下框架柱則必須要全部進(jìn)行彈性設(shè)計(jì)，通過(guò)計(jì)算分析可以得出，所有的框架柱都能夠達(dá)到性能標(biāo)準(zhǔn)的要求。強(qiáng)烈度下的罕遇地震作用非線性時(shí)程分析如圖1、2 所示：

圖1 X 向地震作用樓層最大層間位移角

圖2 Y 向地震作用樓層最大層間位移角

由此可以得出，外圍鋼管混凝土框架柱僅有少量受彎屈服，進(jìn)入塑性階段，但仍然有著一定的承載力，起到了對(duì)抗震的防線作用。

3.3 設(shè)防烈度下的構(gòu)件承載力計(jì)算

（1）在進(jìn)行設(shè)防烈度作用下底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻抗剪彈性計(jì)算過(guò)程中，對(duì)于墻體水平鋼筋在多遇地震作用下所獲得的計(jì)算結(jié)果值呈現(xiàn)出一定增加量，但其墻體抗剪截面和配筋所體現(xiàn)出的計(jì)算值則符合承載力彈性設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)值。因此，設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改進(jìn)時(shí)可以依據(jù)抗剪彈性來(lái)進(jìn)行處理。

（2）設(shè)防烈度作用下底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻抗彎不屈服計(jì)算過(guò)程中，對(duì)于邊緣構(gòu)件配筋的約束則與多遇地震作用下計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生了不同的結(jié)果，整體有所增加，但其約束邊緣構(gòu)件配筋則可以保證承載力抗彎不屈服符合相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，表明施工圖可以按抗彎不屈服進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（3）設(shè)防烈度作用下底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻拉應(yīng)力水平驗(yàn)算：

X 方向設(shè)防烈度作用下中震不屈服首層剪力墻拉應(yīng)力水平驗(yàn)算（鋼筋采用HRB500，fyk=500N/mm2）：

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Y 方向設(shè)防烈度作用下中震不屈服首層剪力墻拉應(yīng)力水平驗(yàn)算（鋼筋采用HRB500，fyk=500N/mm2）：

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4 超限設(shè)計(jì)措施加強(qiáng)措施

第一，對(duì)局部開(kāi)大洞位置，且梁箍筋全長(zhǎng)需要加密與設(shè)置抗扭縱筋，樓板口角部位集中配置斜向鋼筋等加強(qiáng)措施。

第二，準(zhǔn)確計(jì)算與控制構(gòu)件豎向的軸壓比，比規(guī)范要求的最大軸壓比降低0.05。

第三，對(duì)于樓梯間一字形剪力墻采取梯板與梯梁鋼筋錨入墻體且整體澆注的措施以增強(qiáng)平面外拉結(jié)。

第四，地下部分屬超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，為解決超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)中的溫度應(yīng)力引起的混凝土收縮及主樓與車(chē)庫(kù)之間的不均勻沉降，設(shè)置后澆帶三道，溫度應(yīng)力后澆帶在兩側(cè)結(jié)構(gòu)施工完成后兩個(gè)月方可澆筑，沉降后澆帶在主樓施工完成后方可澆筑，鋼筋采用塔接接頭。

5 結(jié)論

高層建筑結(jié)構(gòu)是當(dāng)下民用建筑中的一種重要形式，如果因?yàn)榈卣鹗艿狡茐?，?huì)發(fā)生巨大損失。尤其在高烈度區(qū)域高層建筑使用常規(guī)的設(shè)計(jì)方法難度比較大，結(jié)構(gòu)總體的經(jīng)濟(jì)性比較差、所以需要深入分析高烈度區(qū)域設(shè)計(jì)的理念，提高結(jié)構(gòu)抗震性能。