某超限商業(yè)綜合體項(xiàng)目關(guān)鍵部位性能分析

文｜南京金宸建筑設(shè)計(jì)有限公司 顧曉星 孫亞萍 吳春雷

1 工程概述

本案項(xiàng)目位于江蘇省南京市，總建筑面積245546.44m2，其中地上建筑面積148492.31m2。建筑效果圖見(jiàn)圖1。項(xiàng)目由一棟高層酒店、兩棟高層公寓樓、高層商業(yè)裙房與多層商業(yè)裙房組成。地面以上酒店、公寓樓與商業(yè)裙房之間設(shè)置抗震縫，分為各自獨(dú)立的抗震單元。本文的高層商業(yè)裙房底部長(zhǎng)寬為182.6m×61.95m～23.7m，地下三層，地上8 層，高度為39.8m，框架結(jié)構(gòu)，地震烈度為7 度，場(chǎng)地特征周期0.49，重點(diǎn)設(shè)防類(lèi)，抗震等級(jí)一級(jí)。

本工程根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專(zhuān)項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》的規(guī)定屬于超限高層建筑工程。共存在4 項(xiàng)一般不規(guī)則：1.扭轉(zhuǎn)不規(guī)則：考慮偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比1.36大于1.2；2.凹凸不規(guī)則：平面凹凸尺寸大于相應(yīng)邊長(zhǎng)30%；3.樓板不連續(xù)：有效寬度小于50%，開(kāi)洞面積大于30%；4.構(gòu)件間斷；影院層、宴會(huì)廳、中庭等部位存在穿層柱和少數(shù)梁上柱。

2 小震反應(yīng)譜分析

本工程分別采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院編制的“多層及高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析與設(shè)計(jì)軟件”-SATWE（PKPM V3.1 版）進(jìn)行計(jì)算分析，并采用北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司開(kāi)發(fā)MIDAS（2017 版）程序進(jìn)行對(duì)比分析計(jì)算。

彈性振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算地震力時(shí)，考慮了±5%偶然偏心和雙向地震作用（兩者不同時(shí)考慮），CQC 法進(jìn)行振型組合，按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011-2010）規(guī)定方法計(jì)算雙向地震作用，并按規(guī)范中規(guī)定的荷載組合進(jìn)行構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)變形驗(yàn)算。

計(jì)算結(jié)果標(biāo)明，SATWE 和Midas Building 的樓層質(zhì)量、周期、振型、位移、地震力、傾覆力矩、樓層抗剪承載力比、樓層側(cè)向剛度比等均接近，誤差小于5%。

圖1 建筑效果圖

3 結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震性能目標(biāo)

確定合理的預(yù)期性能目標(biāo)對(duì)于超限項(xiàng)目尤為重要。對(duì)不同的構(gòu)件，不同的部位，進(jìn)行適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)，使結(jié)構(gòu)性能達(dá)到安全性和完美性的統(tǒng)一。根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，抗震性能目標(biāo)分為A、B、C、D 四個(gè)等級(jí)，抗震性能分為1、2、3、4、5 五個(gè)水準(zhǔn)；本工程結(jié)合不同部位構(gòu)件的重要性，并參考了類(lèi)似工程的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，選擇抗震性能目標(biāo)為D 級(jí)，具體見(jiàn)表1。

3.2 框架柱設(shè)計(jì)

3.2.1 普通框架柱設(shè)計(jì)

框架柱取小震彈性和中震抗剪彈性、抗彎不屈服的包絡(luò)計(jì)算結(jié)果。

3.2.2 穿層框架柱設(shè)計(jì)

本工程3～8 層均存在局部穿層柱，分析時(shí)，考慮穿層柱實(shí)際計(jì)算長(zhǎng)度。穿層柱按均分樓層剪力進(jìn)行調(diào)整。穿層框架柱設(shè)計(jì)取小震彈性和中震抗剪彈性、抗彎彈性的包絡(luò)計(jì)算結(jié)果。

表1 本工程結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)設(shè)定

圖2 第4 層X(jué) 向水平地震作用下X 向拉應(yīng)力分布圖

圖3 第2 層降溫工況作用下X 向拉應(yīng)力分布圖

3.3 大跨框架梁設(shè)計(jì)

第2～5 層中庭連橋的框架梁跨度34.1m，采用型鋼混凝土梁，砼梁截面900×1200，型鋼H800×400×20×36，鋼材牌號(hào)Q390B。設(shè)計(jì)取小震彈性(同時(shí)考慮水平、豎向地震)和中震彈性的包絡(luò)計(jì)算結(jié)果。

3.4 大跨懸挑梁設(shè)計(jì)

本工程懸挑梁懸挑長(zhǎng)度一般為4.5～10m，懸挑梁懸挑長(zhǎng)度超過(guò)6m 或懸挑梁端部擱置扶梯的，采用型鋼混凝土梁或施加預(yù)應(yīng)力的方式提高其承載能力和減小其撓度。設(shè)計(jì)取小震彈性(同時(shí)考慮水平、豎向地震)和中震彈性的包絡(luò)計(jì)算結(jié)果。

3.5 轉(zhuǎn)換梁柱設(shè)計(jì)

本工程6～7 層右側(cè)為影院，有不少框架柱在6 層樓面處截止，為了支撐7 層夾層以及頂層屋面，共設(shè)置了4 個(gè)梁上柱。轉(zhuǎn)換梁、柱均采用型鋼混凝土。計(jì)算可知，中震彈性下轉(zhuǎn)換梁柱截面抗剪、抗彎均滿(mǎn)足要求。

3.6 樓板不連續(xù)應(yīng)力分析

第4 層Y 向有效板寬小于50%，第7～8 層開(kāi)洞面積大于30%，有效板寬小于50%，均為樓板不連續(xù)超限樓層。采用MIDAS 對(duì)這3 層樓面進(jìn)行應(yīng)力分析，分析時(shí)取消剛性樓板假定，將樓板設(shè)置成彈性模，考慮平面內(nèi)樓板實(shí)際剛度。

圖2給出了第4 層在水平地震效應(yīng)影響情況下X 向拉應(yīng)力分布。從結(jié)果可以看出，X 向水平地震工況下樓板最大拉應(yīng)力為0.39MPa 遠(yuǎn)小于C35 混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.57 MPa。施工圖時(shí)，此處樓板雙層雙向加強(qiáng)配筋。

3.7 樓板溫度應(yīng)力分析

本工程X向182.6m，Y向最寬處62.0m，超過(guò)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》第8.1.1條現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)的伸縮縫最大間距55m 要求，為超長(zhǎng)不設(shè)縫結(jié)構(gòu)。采用MIDAS 對(duì)2層和屋面樓板進(jìn)行溫度應(yīng)力分析，溫差考慮±25℃，徐變系數(shù)取0.3。分析時(shí)取消剛性樓板假定，將樓板設(shè)置成彈性模，考慮平面內(nèi)樓板實(shí)際剛度。

圖3給出了第2 層在降溫工況作用下X 向溫度應(yīng)力分布。從結(jié)果可以看出，降溫工況下，除了在樓板中間部位約30m 長(zhǎng)范圍的X 向溫度拉應(yīng)力在1.30 ～2.0 MPa之間，個(gè)別位置溫度應(yīng)力集中達(dá)到2.7MPa大于C35 混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.57 MPa外，其他部位拉應(yīng)力均小于1.30 MPa。施工圖時(shí)，樓蓋雙層雙向按計(jì)算溫度應(yīng)力和受力包絡(luò)配筋，并加強(qiáng)應(yīng)力集中處的配筋。

3.8 樓蓋舒適性分析

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第3.7.7條和《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》3.4.6條，對(duì)于鋼筋砼樓蓋結(jié)構(gòu)，一般情況下，商場(chǎng)樓蓋結(jié)構(gòu)的豎向頻率不宜小于3Hz，以保證結(jié)構(gòu)具有適宜的舒適度，避免跳躍時(shí)周?chē)巳旱牟皇孢m。

應(yīng)用盈建科YJK1.8 的樓板及設(shè)備振動(dòng)模塊計(jì)算得到各樓層的豎向頻率如表2，可知本工程樓蓋舒適度滿(mǎn)足要求。

4 彈塑性靜力推覆分析

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第3.11.4 條規(guī)定，高度不超過(guò)150m 的高層建筑可采用靜力彈塑性分析法，選用PKPM的PUSH&EPDA 的彈塑性靜力分析模塊作為分析工具。

表2

圖4 塑性狀態(tài)圖（30 加載步）

本項(xiàng)目?jī)H以X 向彈塑性靜力推覆分析為例，Y 向分析過(guò)程類(lèi)似。彈塑性靜力推覆分析時(shí)采用實(shí)配鋼筋。

該工程X 向的需求層間位移角為1/151＜1/50，滿(mǎn)足罕遇地震作用下規(guī)范規(guī)定的變性要求。與需求點(diǎn)對(duì)應(yīng)的總加載步號(hào)為30。

第30 加載步所對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)桿端塑性狀態(tài)圖如圖4所示。由圖可知，在罕遇地震作用下，大部分框梁出現(xiàn)塑性鉸，個(gè)別框柱拉裂。隨著水平推覆力繼續(xù)增大，更多框梁開(kāi)始屈服，框柱拉裂，結(jié)構(gòu)整體剛度有所下降，但無(wú)受壓破壞現(xiàn)象。

5 針對(duì)結(jié)構(gòu)超限情況采取的加強(qiáng)措施

本工程存在四項(xiàng)平面不規(guī)則，為此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采取了以下措施，確保結(jié)構(gòu)具有很好的承載能力和延性，滿(mǎn)足D 級(jí)性能目標(biāo)。

5.1.結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

（1）采用兩種不同力學(xué)模型的三維空間分析軟件SATWE 和Midas，進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)內(nèi)力與位移計(jì)算和比較，確保計(jì)算分析結(jié)果的真實(shí)可靠。

（2）樓面板采用考慮面內(nèi)剛度的彈性膜單元，實(shí)際考慮板的面內(nèi)剛度，對(duì)相應(yīng)的部位在設(shè)計(jì)時(shí)做加強(qiáng)處理。

5.2.基于性能的抗震設(shè)計(jì)

對(duì)結(jié)構(gòu)體系中的關(guān)鍵部位和薄弱部位進(jìn)行性能化設(shè)計(jì)，如：穿層柱、轉(zhuǎn)換梁、大跨連廊梁及與其相連的柱、轉(zhuǎn)換柱。

5.3.特殊部位樓面板處理

（1）第7 層（標(biāo)高31.550）采用MIDAS進(jìn)行計(jì)算，在計(jì)算中用彈性膜模擬，影院側(cè)板厚150mm，雙層雙向配筋，每層每方向配筋率不小于0.25%，保證板具有足夠的水平剛度，有效傳遞水平力。

（2）樓層處樓梯較多，樓面開(kāi)洞較多，對(duì)開(kāi)洞較多形成的狹長(zhǎng)板帶采取板厚加厚以及配筋加強(qiáng)處理。

5.4.提高結(jié)構(gòu)延性

在滿(mǎn)足承載能力計(jì)算的前提下，在結(jié)構(gòu)體系中的關(guān)鍵部位，如框支柱，采用型鋼混凝土構(gòu)件以提高其承載力和延性。

6 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目采用SATWE 和MIDAS 軟件對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行了小震彈性、中震不屈服和中震彈性設(shè)計(jì)以及大震時(shí)的動(dòng)力彈塑性分析下的各水準(zhǔn)下包絡(luò)設(shè)計(jì)，對(duì)關(guān)鍵部位采取有針對(duì)性的加強(qiáng)措施?？拐鹦阅軡M(mǎn)足稍高于D 級(jí)性能目標(biāo)要求，且承載力和正常使用狀態(tài)下的撓度裂縫以及樓蓋舒適度均滿(mǎn)足要求。