多層建筑的超限結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

馬俊杰

摘要：隨著我國(guó)近幾十年經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，社會(huì)的進(jìn)步，人們現(xiàn)在對(duì)生活品質(zhì)的追求也越來越高。而建筑常常被比喻為凝固的音樂，建筑師要求其作品不僅僅是滿足基本的使用功能，而且要有創(chuàng)造性的風(fēng)格，能夠表達(dá)其設(shè)計(jì)理念及思想。并且我國(guó)城市化進(jìn)程發(fā)展至今，土地越來越稀缺，地塊也經(jīng)常出現(xiàn)不規(guī)則、狹長(zhǎng)、凹凸變化復(fù)雜的情況，這些偶爾也對(duì)建筑的規(guī)則性有一定影響和限制。此類造型新穎的建筑物，很容易出現(xiàn)了各種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不規(guī)則的情況。雖然很多情況下這類建筑是多層結(jié)構(gòu)，但這些建筑基本上是建筑面積大、人員密集、使用頻率高的重要建筑，因此其不規(guī)則情況依然需要引起我們重視。多層建筑的不規(guī)則判別與高層建筑的判別原則相同，但控制指標(biāo)可結(jié)合工程具體情況有適當(dāng)放松，具有多項(xiàng)不規(guī)則時(shí)，需要進(jìn)行抗震專項(xiàng)論證?；诖?，本篇文章對(duì)多層建筑的超限結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，以供參考。

關(guān)鍵詞：多層建筑;超限結(jié)構(gòu);設(shè)計(jì)方法

引言

當(dāng)前，我國(guó)社會(huì)的主要矛盾是人民日益增長(zhǎng)的美好生活需要和不平衡不充分的發(fā)展不之間的矛盾。人民日益增長(zhǎng)的美好生活需要，其中就包括了開始追求更高層次的教育與文化娛樂的需求。本文以湖北省交通投資集團(tuán)有限公司與某央企共同合作投資的文旅項(xiàng)目為例，對(duì)此類建筑的設(shè)計(jì)流程及注意事項(xiàng)進(jìn)行討論總結(jié)，包括不規(guī)則情況進(jìn)行分析，對(duì)抗震薄弱部位進(jìn)行加強(qiáng)，對(duì)多層超限建筑進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算及分析等，供同類型的建筑參考。

1.多層建筑的超限結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

1.1項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目位于湖北省恩施市土家族苗族自治州方家壩，東側(cè)為恩施許家坪機(jī)場(chǎng)，北側(cè)為恩施火車站，西側(cè)以山峰為主，南側(cè)靠近市區(qū)。打造集活力中心、室外水樂園及IP主題樂園、九龍山麓等為一體的旅游商業(yè)綜合體的大型項(xiàng)目。其中的飛行影院為大型懸臂式的球幕影院，分裸眼2D和3D 立體兩種觀影模式。其動(dòng)感座椅會(huì)被提升到半空中，游客雙腳懸空面垂直于地面，面對(duì)大型球幕，動(dòng)感座椅會(huì)模擬飛行過程中的加速和俯沖，游客則跟隨鏡頭飛翔，感受全方位的沉浸式體驗(yàn)。飛行影院為地下一層，地上五層的框架結(jié)構(gòu)，如圖所示。建筑高度為22米，總建筑面積為3298平方米。其中一層主要為排隊(duì)區(qū)域，二層為預(yù)演區(qū)域，二至四層為觀眾觀影區(qū)。標(biāo)準(zhǔn)層平面主要由觀眾區(qū)與球幕安放區(qū)域構(gòu)成，球幕為一個(gè)直徑為23米的半球體，半球豎向徑切面自負(fù)一層豎立至屋面，因此，球幕安放區(qū)平面位置自二層樓面至屋面均需做大開洞處理。

飛行影院采用少墻框架結(jié)構(gòu)，框架抗震等級(jí)為四級(jí)，剪力墻抗震等級(jí)為三級(jí)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為 50年?？拐鹪O(shè)防烈度6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值0.05g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地類別II類，特征周期0.35s。本項(xiàng)目位于山坡等抗震不利地段，地震放大系數(shù)按1.2考慮。本工程基礎(chǔ)采用樁承臺(tái)加防水板，樁采用直徑600mm的旋挖灌注樁，樁基設(shè)計(jì)等級(jí)為乙級(jí)。樁端持力層為3-2層中風(fēng)化粉砂巖，勘察場(chǎng)地20m深度范圍內(nèi)沒有飽和砂土或飽和粉土層分布，故不考慮地基土的地震液化。

1.2工程重、難點(diǎn)分析

a、飛行影院位移比（1.28）大于1.2，屬于平面不規(guī)則中的扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。結(jié)構(gòu)布置的不對(duì)稱、不規(guī)則造成平面質(zhì)量中心與剛度中心不重合，將導(dǎo)致水平地震作用下結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)，會(huì)加重結(jié)構(gòu)的破壞，結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的抗扭能力位較弱，將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的明顯破壞。

b、本項(xiàng)目因需要布置巨型球幕，需要在多處樓板開大洞，如三層開洞面積為420平方米三層樓面面積為1350平方米，開洞面積大于該層樓面面積的30%，屬于平面不規(guī)則中的樓板局部不連續(xù) 。

c、頂層屋面部分出屋面的構(gòu)架存在梁抬柱的情況，豎向抗側(cè)力構(gòu)件的內(nèi)力由水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件向下傳遞，豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù) 。

d、躍層柱，西側(cè)由于布置巨型球幕的需要，形成了三根躍層柱。

e、外包裝荷載大，因本項(xiàng)目的龍之谷主題樂園裝飾效果需要，在結(jié)構(gòu)主體的屋面及外墻部位設(shè)置主題包裝。外墻建筑結(jié)構(gòu)荷載按立面展開面積進(jìn)行預(yù)留，每平方米按3.75kN考慮。屋面建筑結(jié)構(gòu)荷載按屋頂平面展開面積進(jìn)行預(yù)留，每平方米按3.75kN考慮。

f、坡道斜板剛度大，本工程主要功能為球幕影院，豎向交通主要依靠在建筑三面設(shè)置的Z字形斜坡道板。其跨度較大，人流集中。

1.3采取的抗震加強(qiáng)措施

a、扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。本項(xiàng)目因平面大開洞造成的東西兩側(cè)剛度分布不均勻。為滿足規(guī)范對(duì)位移、剛度的要求，需增加抗側(cè)力構(gòu)件截面才能實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)指標(biāo)的控制。因此，圍繞平面剛度被削弱的洞口周邊以及建筑物的角部，在適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置了6道剪力墻，經(jīng)計(jì)算對(duì)比，剪力墻的設(shè)置減小了結(jié)構(gòu)的位移，同時(shí)也增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，降低了結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。扭轉(zhuǎn)位移比由原來的1.57下降到設(shè)置剪力墻后的1.28。周期比由原來的0.9下降到設(shè)置剪力墻后的0.85。

b、樓板局部不連續(xù)。對(duì)于樓板局部不連續(xù)的情況，本項(xiàng)目將洞口周邊的樓板設(shè)置為彈性板，并將洞口周邊相關(guān)區(qū)域樓板厚度修改為150mm;大洞周邊梁寬度加至400寬，箍筋加強(qiáng)并增設(shè)抗扭鋼筋;相關(guān)區(qū)域樓板板配筋雙層雙向，配筋率提高至0.25%，使其在多遇地震作用下混凝土主拉應(yīng)力不大于抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，并按中震不屈服復(fù)核樓板配筋;相關(guān)區(qū)域樓板位于框架梁角部配置1.5米寬45度斜向雙層鋼筋網(wǎng)。

c、梁抬柱。多層結(jié)構(gòu)梁上抬柱的梁不同于JGJ3-2002第10.2 節(jié)的框支梁，局部梁抬柱，一般不作為框支結(jié)構(gòu)考慮，但應(yīng)采取構(gòu)造加強(qiáng)措施?？刂妻D(zhuǎn)換梁轉(zhuǎn)換梁截面高度不宜小于計(jì)算跨度的1/8;梁截面寬度不應(yīng)小于其上所托柱在梁寬方向的截面寬度。沿腹板高度配置腰筋，其直徑不宜小于12mm、間距不宜大于200mm;轉(zhuǎn)換梁縱向鋼筋接頭宜采用機(jī)械連接，同一連接區(qū)段內(nèi)接頭鋼筋截面面積不宜超過全部縱筋截面面積的50%，接頭位置應(yīng)避開上部墻體開洞部位、梁上托柱部位及受力較大部位;并且宜雙向設(shè)梁。

d、躍層柱。對(duì)于形成的這幾根柱躍層柱，將其抗震等級(jí)由四級(jí)提高至三級(jí)。且由于存在長(zhǎng)短柱并存受力狀態(tài)，對(duì)躍層柱進(jìn)行整體屈曲穩(wěn)定承載力分析，并按同層普通柱的最大剪力復(fù)核長(zhǎng)柱抗剪承載力，保證截面及配筋滿足要求。采取相應(yīng)抗震加強(qiáng)措施：采用井字復(fù)合箍筋，箍筋全程加密?？刂浦S壓比小于0.65。提高縱向鋼筋配筋率不小于1%。

e、外包裝荷載大。對(duì)于這種外包裝荷載較大的情況，本工程中墻體盡量使用輕質(zhì)材料、簡(jiǎn)化樓面面層設(shè)置的方法，盡可能的降低結(jié)構(gòu)自重。

f、坡道斜板剛度大。由于本項(xiàng)目坡道斜板剛度較大，對(duì)于結(jié)構(gòu)剛度的影響不可忽略，所以將坡道按實(shí)際輸入分析模型中。并且將坡道板設(shè)置為彈性板，加大板厚，板鋼筋雙層雙向拉通。

1.4超限結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的計(jì)算及分析論證

a、多遇地震作用下結(jié)構(gòu)分析

本工程采用盈建科YJK及PKPM-SATWE 兩種分析軟件對(duì)結(jié)構(gòu)整體分析進(jìn)行對(duì)比。從主要結(jié)果可以看出，兩個(gè)軟件分析結(jié)果相近，數(shù)值上的差異在工程允許范圍之內(nèi)，各樓層不同指標(biāo)曲線也基本吻合，可以判定計(jì)算假定及分析模型相對(duì)準(zhǔn)確，其計(jì)算結(jié)果也比較可靠，對(duì)于關(guān)鍵構(gòu)件在配筋計(jì)算時(shí)，對(duì)兩個(gè)軟件的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。YJK計(jì)算結(jié)果：周期T1=0.5949s T2=0.6586s Tt=0.5106s 周期比Tt/T1=0.85剪重比X向=2.55% Y向=2.29% 最大層間位移角X向=1/1900 Y向=1/2363 最大位移比X向=1.24 Y向=1.28。SATWE計(jì)算結(jié)果：周期T1=0.6002s T2=0.6611s Tt=0.5125s 周期比Tt/T1=0.85剪重比X向=2.58% Y向=2.32% 最大層間位移角X向=1/1884 Y向=1/2322 最大位移比X向=1.26 Y向=1.29。

b、多遇地震作用下的彈性時(shí)程分析

本工程將采用YJK進(jìn)行多遇地震作用下的彈性時(shí)程的分析作為多遇地震反應(yīng)譜計(jì)算的補(bǔ)充。分析選用同本場(chǎng)地匹配的地震周期的2條天然波和1條人工波。天然波和人工波加速度時(shí)程曲線的有效時(shí)長(zhǎng)均滿足不小于建筑結(jié)構(gòu)基本周期的5～10倍且不小于15 s。地震波采用雙向輸入，主方向、次方向的峰值加速度按照 1∶0.85 的比例調(diào)整。

第1號(hào)塔包絡(luò)值（主方向最大值： 1/1510， 次方向最大值： 1/2884）; 第1號(hào)塔平均值（主方向最大值： 1/1835， 次方向最大值： 1/3496）? ;第1號(hào)塔CQC結(jié)果（主方向最大值： 1/1901， 次方向最大值： 0.00）。

第1號(hào)塔包絡(luò)值（主方向最大值： 1587.36，次方向最大值： 1638.72）;第1號(hào)塔平均值 （主方向最大值： 1430.07， 次方向最大值： 1259.34）;第1號(hào)塔CQC結(jié)果（主方向最大值： 1786.92， 次方向最大值： 0.00）。

彈性時(shí)程分析得出以下結(jié)論 ：（1）每條時(shí)程曲線計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力不小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的65%且不大于135%，3條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值不小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的80%且不大于120%，因此選用的地震波滿足規(guī)范的相關(guān)要求。（2）地震作用下的樓層剪力無明顯突變，均可滿足規(guī)范要求，未顯示明顯的結(jié)構(gòu)薄弱層。（3）彈性時(shí)程分析的底部剪力結(jié)果均小于反應(yīng)譜結(jié)果，故樓層地震剪力不必放大。綜上所述，判斷本結(jié)構(gòu)體系可行。

c 、設(shè)防地震作用下構(gòu)件驗(yàn)算

本工程分別采用“中震彈性”及“中震不屈服”兩種方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)防地震下的彈性近似計(jì)算，以保證結(jié)構(gòu)在中震作用下達(dá)到“中震可修”的性能狀態(tài)。中震彈性方法地震影響系數(shù)按小震的2.8倍取值，同時(shí)取消了內(nèi)力調(diào)整系數(shù)，保留荷載分項(xiàng)系數(shù)和抗震承載力調(diào)整系數(shù)，材料強(qiáng)度按設(shè)計(jì)強(qiáng)度取值;中震不屈服設(shè)計(jì)地震影響系數(shù)按小震的2.8倍取值，去掉了所有的安全度，可以近似看作是中震彈性設(shè)計(jì)的承載能力極限狀態(tài)，在取消內(nèi)力調(diào)整系數(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步取消荷載分項(xiàng)系數(shù)及承載力抗震調(diào)整系數(shù)，且材料強(qiáng)度取為標(biāo)準(zhǔn)值。施工圖中取中震與小震結(jié)果包絡(luò)值進(jìn)行構(gòu)件配筋。

d、樓板應(yīng)力分析

樓板應(yīng)力分析的一般要達(dá)到以下性能目標(biāo)。小震不裂，一般控制小震下混凝土核心層不開裂;中震不屈服，中震按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)樓板的抗拉強(qiáng)度。根據(jù)樓板布置情況及其在整個(gè)結(jié)構(gòu)中所起的作用，一般可按中震彈性或中震不屈服控制。本項(xiàng)目因需要布置巨型球幕，需要在多處樓板開大洞，造成樓板局部不連續(xù)。而樓板作為水平力傳遞的主要構(gòu)件，需保證其足夠的剛度。本工程在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采取了一定的加強(qiáng)措施，如前文所述。樓板按照中震彈性進(jìn)行設(shè)計(jì)，分析時(shí)將洞口周邊的樓板設(shè)置為彈性板6，根據(jù)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行復(fù)核，并針對(duì)薄弱部位進(jìn)行加強(qiáng)。由計(jì)算結(jié)果可知，在坡道和局部洞口及轉(zhuǎn)角位置出現(xiàn)應(yīng)力集中，其余部位的樓板最大拉應(yīng)力基本不超過 0.85 MPa，小于 ft/γre=1.43/0.85=1.68 MPa（混凝土強(qiáng)度等級(jí) C30）。設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)樓板應(yīng)力集中部位進(jìn)行加強(qiáng)，適當(dāng)加大板厚，配筋采用雙層、雙向，并增設(shè)附加鋼筋。其余樓板單層單向配筋率大于等于0.25%。由計(jì)算結(jié)果可知，在坡道和局部洞口及轉(zhuǎn)角位置出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大拉應(yīng)力為1.15MPa，小ft/γre=1.43/0.85=1.68 MPa。對(duì)這些薄弱部位（應(yīng)力較大區(qū)域）的樓板，根據(jù)應(yīng)力云圖定性判斷，按計(jì)算配筋結(jié)果進(jìn)行雙層雙向配筋加強(qiáng)后，樓板均能滿足多遇地震作用下彈性，設(shè)防烈度地震作用下抗彎不屈服。

2.結(jié)語

本文以實(shí)際的超限多層結(jié)構(gòu)飛行影院為例，闡述了如何依據(jù)現(xiàn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，注重抗震概念設(shè)計(jì)，從整體結(jié)構(gòu)體系、關(guān)鍵構(gòu)件設(shè)計(jì)、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)及增強(qiáng)重要構(gòu)件的延性等方面對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)及優(yōu)化，使結(jié)構(gòu)的抗震性能獲得較大提升的過程。介紹了多層超限建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要注意的一些設(shè)計(jì)要點(diǎn)，重點(diǎn)介紹了多層超限結(jié)構(gòu)的不規(guī)則情況、對(duì)應(yīng)加強(qiáng)措施以及補(bǔ)充計(jì)算及計(jì)算結(jié)果。在設(shè)計(jì)過程中，除了多遇地震作用下結(jié)構(gòu)分析，還補(bǔ)充了多遇地震作用下的彈性時(shí)程分析、設(shè)防地震作用下構(gòu)件驗(yàn)算、樓板應(yīng)力分析等，供今后類似項(xiàng)目參考。