某辦公樓增設(shè)夾層方案對比分析

□ 郭霄偉

1 引言

近些年，帶有挑高空間的辦公樓（SOHO）逐漸進(jìn)入房地產(chǎn)市場，雖然SOHO辦公樓銷售時(shí)按單層的建筑面積計(jì)算，但在增加夾層后其實(shí)際使用面積是銷售面積的近2倍，極高的得房率、相對較低的單價(jià)使SOHO辦公樓受到市場的追捧。但在結(jié)構(gòu)分析上，后期增設(shè)的夾層會(huì)對原主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響：沿豎向增設(shè)的夾層不均勻可能會(huì)造成結(jié)構(gòu)豎向剛度突變；夾層抗側(cè)力構(gòu)件與主體結(jié)構(gòu)剛性連接可能增大結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，放大結(jié)構(gòu)的地震作用效應(yīng)。如何既提高建筑的空間利用率，又盡可能地減小增設(shè)夾層對原有結(jié)構(gòu)造成的不利影響，滿足結(jié)構(gòu)的安全性能，成為值得研究的問題[1,2]。本文以某高層辦公樓為例，結(jié)合原有未增設(shè)夾層的設(shè)計(jì)方案，主要對主體結(jié)構(gòu)增設(shè)混凝土夾層與鋼結(jié)構(gòu)夾層兩種結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行對比，重點(diǎn)分析兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)。

2 工程概況

2.1 基本信息

某高層辦公樓，位于抗震設(shè)防烈度7度區(qū),設(shè)計(jì)基本地震加速度值0.15g，場地設(shè)計(jì)地震分組為第二組，建筑場地類別為Ⅲ類，50年一遇的基本風(fēng)壓為0.8kN/m2。該工程地上21層，地下1層，建筑高度為94.5m，屬于A類高層建筑。

2.2 結(jié)構(gòu)形式

辦公樓主體結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架—剪力墻結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)嵌固端為地下室頂板，±0.00以上各層層高均為4.5m，結(jié)構(gòu)高寬比3.61，平面布置均勻?qū)ΨQ。主要外框架柱截面沿高度為1000mm×1200mm～800mm×800mm；外圍框架梁截面為400mm×850mm；沿Y向主要框架梁截面為600mm×900mm；框架柱和剪力墻抗震等級為二級，標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置見圖1。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)層平面布置示意圖

3 分析要點(diǎn)

設(shè)計(jì)階段已充分考慮增加夾層后的荷載（樓板自重取100mm混凝土樓板，附加恒載取1.5kN/m2，活荷載取2.0kN/m2），夾層從3層至21層沿豎向均勻布置，增設(shè)夾層范圍見圖2陰影區(qū)域。夾層與主體結(jié)構(gòu)的連接有剛接和鉸接兩種方式，本文主要對與主體結(jié)構(gòu)剛接的混凝土梁板式夾層（方案1）和與主體結(jié)構(gòu)鉸接的壓型鋼板組合樓板+鋼梁夾層（方案2）進(jìn)行分析，探討除了原有的設(shè)計(jì)方案（方案3）外，其他兩種方案的可行性及其對主體結(jié)構(gòu)的影響。

圖2 夾層平面布置示意圖

（1）方案1采用混凝土梁板式夾層，夾層均采用標(biāo)號C30混凝土，在標(biāo)準(zhǔn)層各房間隔墻梁位設(shè)置200mm×300mm的梁上小柱，對混凝土夾層梁與梁上小柱及框架柱采取整澆，夾層樓板與夾層梁整澆，夾層板荷載通過夾層梁傳至梁上柱及框架柱。由于夾層面積相對標(biāo)準(zhǔn)層面積占比較大（65.8%）且夾層板與原結(jié)構(gòu)剛性連接，剛接夾層板對主體結(jié)構(gòu)剛度的影響不能忽略，夾層按實(shí)際樓層考慮，計(jì)算建模時(shí)將各夾層作為單獨(dú)的計(jì)算層參與整體結(jié)構(gòu)計(jì)算。

（2）方案2采用壓型鋼板組合樓板+鋼梁夾層，同樣在標(biāo)準(zhǔn)層各房間隔墻梁位設(shè)置200mm×300mm的梁上小柱，梁上小柱和框架柱均預(yù)埋連接板，為避免夾層結(jié)構(gòu)對主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大影響，夾層鋼梁與柱采用高強(qiáng)螺栓鉸接連接。夾層梁僅傳遞豎向荷載，夾層不作為實(shí)際樓層考慮，計(jì)算建模時(shí)將夾層荷載作為節(jié)點(diǎn)荷載輸入標(biāo)準(zhǔn)層模型相應(yīng)位置。

（3）方案3為不增加夾層的原有設(shè)計(jì)，本文不作重點(diǎn)闡述。

4 計(jì)算與分析

4.1 結(jié)構(gòu)分析對比

采用“YJK 2.0.1”對方案1、方案2及未增設(shè)夾層的方案3進(jìn)行對比分析，結(jié)構(gòu)整體指標(biāo)（如周期、位移、扭轉(zhuǎn)位移比、層間剛度比、傾覆力矩比等）采用剛性樓板假定，相關(guān)指標(biāo)對比結(jié)果見表1，地震作用下樓層最大層間位移角對比詳見圖3、圖4，層間剛度對比詳見圖5、圖6。根據(jù)以上數(shù)據(jù)對比可得出：

（1）增設(shè)夾層后，由于結(jié)構(gòu)質(zhì)量增加（增幅約20%），方案2相比方案3，地震作用下的結(jié)構(gòu)底部剪力效應(yīng)約增加12%。同時(shí)對比方案1與方案3，方案1結(jié)構(gòu)底部剪力效應(yīng)約增加18%。相比方案2，方案1結(jié)構(gòu)自振周期略微減小，剪重比、最大層間位移角略微增大，變化幅度均在3%以內(nèi)，而方案3的各指標(biāo)項(xiàng)與方案1、方案2對比，變化幅度約為10%。這說明在本工程中，夾層剛度對結(jié)構(gòu)總體剛度及地震作用效應(yīng)的影響遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)質(zhì)量增加的影響，這可能是由于夾層梁柱截面尺寸相比原結(jié)構(gòu)截面尺寸過小，且夾層開洞面積較大，夾層梁均未與核心筒剪力墻連接，導(dǎo)致夾層對結(jié)構(gòu)總體剛度的貢獻(xiàn)有限。

（2）三種方案的結(jié)構(gòu)周期比、位移比、層間最小剛度比等指標(biāo)均未發(fā)生明顯的變化且均在規(guī)范限值范圍內(nèi)。方案1考慮夾層板參與整體計(jì)算后，由于夾層梁在X、Y向未與核心筒連接且夾層與標(biāo)準(zhǔn)層的質(zhì)量存在變化，各夾層與標(biāo)準(zhǔn)層間的層剛度比、最大層間位移角均存在突變，在豎向沿高度呈有規(guī)律的鋸齒形分布，雖均未超過規(guī)范限值，但結(jié)構(gòu)沿高度方向出現(xiàn)剛度反復(fù)突變從結(jié)構(gòu)概念上顯然是不利的。

表1 整體指標(biāo)對比結(jié)果

圖3 X向地震作用最大層間位移角對比曲線

圖4 Y向地震作用最大層間位移角對比曲線

圖5 X向?qū)娱g剛度比對比曲線

圖6 Y向?qū)娱g剛度比對比曲線

（3）方案1在第3計(jì)算層出現(xiàn)軟弱層，地震作用下樓層受剪承載力比值X向?yàn)?.66，Y向?yàn)?.67，已接近《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3—2010）[3]3.5.3條的限值要求，主要是由于自第4計(jì)算層層高由4.50m減小至2.20m，且3、4計(jì)算層豎向構(gòu)件截面尺寸完全相同，導(dǎo)致第3計(jì)算層的受剪承載力較第4計(jì)算層有較大削弱，在內(nèi)力分析時(shí)根據(jù)規(guī)范要求對第3計(jì)算層的地震作用剪力標(biāo)準(zhǔn)值須乘以1.25的增大系數(shù)。

（4）根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010）[4]3.4.3條的要求，方案1在樓層高度突變處出現(xiàn)軟弱層，屬于樓層承載力突變；各夾層開洞面積大于該層樓板面積的30%，屬于樓板局部不連續(xù)，其余各項(xiàng)指標(biāo)滿足規(guī)范要求，共存在2項(xiàng)不規(guī)則。而方案2、方案3各項(xiàng)整體指標(biāo)均滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010）的相關(guān)要求。

（5）采用方案1或方案2，結(jié)構(gòu)整體指標(biāo)均能滿足相關(guān)規(guī)范的要求，但方案1地震作用效應(yīng)略大于方案2，方案1模型在核對配筋時(shí)應(yīng)對軟弱層的地震效應(yīng)進(jìn)行放大，對夾層樓板的薄弱連接處進(jìn)行分析，如有必要應(yīng)采取措施予以相應(yīng)加強(qiáng)。

（6）將夾層定義為彈性膜，核對原設(shè)計(jì)配筋，方案1與方案2兩版模型的配筋計(jì)算值均滿足規(guī)范要求。方案1設(shè)置剛接夾層導(dǎo)致層高減小，結(jié)構(gòu)周圈框架柱均形成短柱，復(fù)核原設(shè)計(jì)配筋所有柱箍筋均已全長加密，且體積配箍率均大于1.2%。

4.2 夾層剛接樓板應(yīng)力分析

方案1夾層板與主體結(jié)構(gòu)剛性連接，除了承擔(dān)豎向荷載，在地震作用下，樓板還起到傳遞水平力的作用，由于夾層開洞區(qū)域較大，在計(jì)算內(nèi)力配筋時(shí)考慮樓板的平面內(nèi)剛度，需將夾層樓板定義為彈性膜[5]。同時(shí)考慮夾層梁板均未與核心筒連接，此時(shí)夾層樓板對保證地震作用下夾層的抗側(cè)力構(gòu)件能否協(xié)同工作至關(guān)重要，本工程采用“YJK 2.0.1”對夾層樓板進(jìn)行應(yīng)力分析。小震下的性能目標(biāo)為控制樓板的拉應(yīng)力不超過混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（ftk=2.01MPa），中震下的性能目標(biāo)為允許樓板出現(xiàn)裂縫，但樓板的拉應(yīng)力不應(yīng)超過鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（fy=360MPa），小震及中震下樓板應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見圖7至圖10。

計(jì)算結(jié)果表明，方案1在小震及中震作用下，樓板拉、壓應(yīng)力集中分布區(qū)域基本一致，且呈規(guī)律性分布，均出現(xiàn)在和框架柱相連的樓板角部；在小震工況下，樓板拉應(yīng)力最大值為1.9MPa，小于2.01MPa；在中震工況下，大部分樓板拉應(yīng)力均小于2.01MPa，局部樓板拉應(yīng)力較大。在設(shè)計(jì)夾層時(shí)，采取在相應(yīng)區(qū)域增大樓板配筋的方式，使樓板拉應(yīng)力不超過鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

圖7 第4計(jì)算層X向小震x向應(yīng)力分布圖（MPa）

圖8 第4計(jì)算層Y向小震y向應(yīng)力分布圖（MPa）

圖9 第4計(jì)算層X向中震x向應(yīng)力分布圖（MPa）

圖10 第4計(jì)算層X向中震y向應(yīng)力分布圖（MPa）

4.3 夾層鉸接樓板分析

方案2夾層板與主體結(jié)構(gòu)鉸接，為避免地震作用下夾層樓板傳遞水平力，夾層鋼梁與柱連接處螺栓孔采用長槽孔，根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3—2010）第3.7.5條層間彈塑性位移角限值估算長槽孔寬度，層間位移角限值[θ]=，層高取2.3m，計(jì)算可得長槽孔寬度S不應(yīng)小于2300/100=23mm，綜合考慮相關(guān)計(jì)算結(jié)果，鋼梁與埋件間采用10.9級M22高強(qiáng)螺栓摩擦型連接，長槽孔尺寸取40mm×24mm。

5 結(jié)論

通過對本工程設(shè)置剛接夾層與鉸接夾層的計(jì)算分析對比可知：

（1）兩種夾層的設(shè)置方式均增大了主體結(jié)構(gòu)的地震作用效應(yīng)，設(shè)置剛接夾層對原有主體結(jié)構(gòu)剛度尚有額外增加。對于本工程，設(shè)置剛接夾層對結(jié)構(gòu)剛度的貢獻(xiàn)并不顯著，兩種方案在地震作用下所產(chǎn)生的荷載效應(yīng)基本相等。

（2）設(shè)置剛接夾層易使原結(jié)構(gòu)出現(xiàn)平面或豎向不規(guī)則，在不規(guī)則項(xiàng)數(shù)不超過規(guī)范要求的前提下，應(yīng)采取相應(yīng)的加強(qiáng)措施，確保計(jì)算假定符合結(jié)構(gòu)真實(shí)受力狀況，保證結(jié)構(gòu)的安全性。

（3）如采用鉸接夾層，并采取必要的構(gòu)造連接措施，可避免鉸接夾層對結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性產(chǎn)生影響。該方案同時(shí)可解決設(shè)置夾層梁引起層高減小后框架柱形成短柱的問題。