援塔吉克斯坦議會大樓項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

姚淇譽(yù)， 張晨軍， 劉立杰， 韓 博

(北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司， 北京 100045)

1 工程概況

援塔吉克斯坦議會大樓項(xiàng)目為我國政府援外項(xiàng)目，位于塔吉克斯坦首都杜尚別市，建筑功能主要包括上下議院會議廳、聯(lián)席會議廳、接待廳、各職能部門會議及辦公用房、配套后勤保障用房等，總建筑面積約4.4萬m2，建筑效果圖見圖1，建筑高度74.94m，建筑平面輪廓尺寸185m×115m，通過變形縫(兼防震縫)將主體結(jié)構(gòu)分為A,B,C,D共4個區(qū)，見圖2。其中A區(qū)地上共5層，建筑高度32.64m；B，C區(qū)地上共4層，建筑高度26.58m；D區(qū)地上共2層，建筑高度19.54m。各區(qū)結(jié)構(gòu)均采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系，出屋面穹頂采用鋼框架結(jié)構(gòu)，地基基礎(chǔ)形式采用基礎(chǔ)梁+樁基礎(chǔ)+防水板。

圖1 建筑效果圖

圖2 結(jié)構(gòu)單元分區(qū)圖

本項(xiàng)目由中國(中方)與塔吉克斯坦(塔方)雙方聯(lián)合設(shè)計(jì)，執(zhí)行中方規(guī)范并結(jié)合塔方有關(guān)規(guī)范。根據(jù)中方地勘[1]和塔方地震區(qū)劃圖，本項(xiàng)目按照地震烈度9度(0.4g)進(jìn)行設(shè)計(jì)，由于抗震規(guī)范的定義差別，中方和塔方的場地類別分別為Ⅲ類和Ⅱ類。結(jié)構(gòu)安全等級為一級，屬于重點(diǎn)設(shè)防類，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，特征周期Tg=0.45s，小震作用下的水平地震影響系數(shù)最大值αmax=0.32。因?yàn)槠邢?，本文以A區(qū)為例，重點(diǎn)介紹結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2 中方與塔方的地震作用計(jì)算方法對比

塔方結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范無設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期概念，抗震計(jì)算方法采用振型分解反應(yīng)譜法，根據(jù)建筑物所在地區(qū)的抗震設(shè)防烈度和場地類別來確定項(xiàng)目的場地烈度。然后根據(jù)結(jié)構(gòu)重要性、結(jié)構(gòu)類型、結(jié)構(gòu)層數(shù)等來計(jì)算水平地震作用，第i振型質(zhì)點(diǎn)k的水平地震作用Sik計(jì)算公式如下：

Sik=K1K2K3S0ik

(1)

S0ik=QkAβiKψηik

(2)

(3)

K3=1+0.05(n-5)

(4)

式中：S0ik為根據(jù)結(jié)構(gòu)彈性變形假設(shè)，第i振型質(zhì)點(diǎn)k的水平地震作用，未考慮結(jié)構(gòu)重要性、結(jié)構(gòu)類型、結(jié)構(gòu)層數(shù)等影響；K1為根據(jù)建筑物重要性確定的系數(shù)，共7個等級，與中方《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50223—2008)[2]中抗震設(shè)防類別的大致對應(yīng)關(guān)系見表1；K2為根據(jù)建筑物結(jié)構(gòu)類型確定的系數(shù)，鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)取1.1；K3按式(4)計(jì)算，為根據(jù)建筑物層數(shù)n確定的系數(shù)，取值范圍為1.0≤K3≤1.5；Qk為集中于質(zhì)點(diǎn)k的建筑物重量，恒載組合系數(shù)取0.9(用于鋼結(jié)構(gòu)體系時(shí)為0.95)，長期活載取0.8，短期活載取0.5，由于活載占比較小，可取Qk≈0.9Gk，其中Gk為集中于質(zhì)點(diǎn)k的重力荷載代表值；A為地震系數(shù)，場地烈度為7，8，9度及9度以上時(shí)，分別取0.1，0.2，0.4，0.6；Kψ為根據(jù)建筑物結(jié)構(gòu)類型確定的耗能系數(shù)，共3個等級，本項(xiàng)目為第3等級，取1.0；ηik為質(zhì)點(diǎn)k第i振型建筑物的變形系數(shù)，計(jì)算簡圖見圖3；Xi(xk)為第i振型質(zhì)點(diǎn)k的水平地震位移；Qj為質(zhì)點(diǎn)j的重量；Xi(xj)第i振型質(zhì)點(diǎn)j的水平地震位移;βi為按表2中公式計(jì)算的建筑物第i振型的反應(yīng)譜影響系數(shù)，其中Ti為建筑物第i振型的自振周期。

圖3 計(jì)算簡圖

K1取值與中方抗震設(shè)防類別大致對應(yīng)關(guān)系 表1

反應(yīng)譜影響系數(shù)計(jì)算公式 表2

中方《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)(2016年版)[3](簡稱抗規(guī))中采用振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算第j振型質(zhì)點(diǎn)i水平地震作用Fji，計(jì)算公式如下：

Fji=αjγjXjiGi(i=1,2……n，j=1,2……m)

(5)

(6)

式中：αj為第j振型自振周期的地震影響系數(shù)；Xji為第j振型質(zhì)點(diǎn)i的水平相對位移；γj為第j振型的參與系數(shù)；Gi為集中于質(zhì)點(diǎn)i的重力荷載代表值。

根據(jù)塔方抗震規(guī)范[4]，本項(xiàng)目屬于表1中的第2等級，K1=0.4，由抗震設(shè)防烈度9度和場地類別Ⅱ類可查得項(xiàng)目的場地烈度為9度；另外，根據(jù)塔方建筑結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)可靠性的有關(guān)規(guī)定，按照建筑物責(zé)任度，本項(xiàng)目須考慮結(jié)構(gòu)可靠性系數(shù)γn=1.05，用于計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力及位移。本項(xiàng)目第i振型質(zhì)點(diǎn)k的水平地震作用計(jì)算如下：

Sik=γnK1K2K3QkAβiKψηik

=1.05×0.4×1.1×1.0×0.9Gk×0.4βi×1.0ηik

=0.166 3βiηikGk

(7)

根據(jù)公式(5)～(7)，可知本項(xiàng)目按照中塔抗震規(guī)范計(jì)算的地震影響系數(shù)分別為αj和0.166 3βi，對比見圖4。本項(xiàng)目屬于表1中的第2等級，為了使中塔地震作用對比更具有普遍性，圖4增加了相同場地烈度下塔方一般項(xiàng)目(表1中第5等級)的地震影響系數(shù)。從圖4可以看出，當(dāng)T≤1.85s時(shí)，塔方一般項(xiàng)目(表1中第5等級)的地震影響系數(shù)小于中方，此時(shí)按中方抗規(guī)設(shè)計(jì)可以滿足塔方要求。而對于第2等級(如本項(xiàng)目)和T>1.85s的塔方一般項(xiàng)目，需結(jié)合周期折減系數(shù)、分項(xiàng)系數(shù)、抗震措施等進(jìn)一步對比中塔地震作用。

圖4 中塔地震影響系數(shù)對比

在計(jì)算地震作用下結(jié)構(gòu)位移及配筋設(shè)計(jì)時(shí)，塔方抗震規(guī)范不考慮周期折減系數(shù)，荷載組合時(shí)地震作用分項(xiàng)系數(shù)為1.0。按《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)[5](簡稱高規(guī))的規(guī)定，本項(xiàng)目周期折減系數(shù)可取0.8，地震作用分項(xiàng)系數(shù)為1.3，考慮周期折減系數(shù)與地震作用分項(xiàng)系數(shù)的中塔地震影響系數(shù)的比值見圖5。

圖5 考慮系數(shù)的中塔地震影響系數(shù)比值

從圖5可以看出，本項(xiàng)目考慮周期折減系數(shù)的地震影響系數(shù)(用于計(jì)算結(jié)構(gòu)位移)，塔方仍大于中方。按照塔方抗震規(guī)范，鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的層間位移角限值為1/250，當(dāng)自振周期T≤1.5s時(shí)，中塔地震影響系數(shù)比值約為0.8，按比值換算即中方層間位移角為1/250×0.8=1/312.5時(shí)，可滿足塔方層間位移角規(guī)范限值1/250的要求，遠(yuǎn)大于中方層間位移角規(guī)范限值1/800。為滿足中方層間位移角規(guī)范限值，中方設(shè)計(jì)的豎向構(gòu)件截面尺寸應(yīng)明顯大于塔方，即按中方規(guī)范進(jìn)行位移設(shè)計(jì)可以滿足塔方要求。本項(xiàng)目考慮了周期折減系數(shù)和地震作用分項(xiàng)系數(shù)的地震影響系數(shù)(用于配筋計(jì)算)，當(dāng)自振周期T≤1.5s時(shí)，中方地震影響系數(shù)大于塔方(T<0.12s時(shí)，塔方地震影響系數(shù)稍大，但此時(shí)的振型參與系數(shù)一般很小，可忽略)。由于本項(xiàng)目第一主振型周期約為0.8s, 且塔方抗震規(guī)范無抗震等級、二道防線、軸壓比、剪壓比等抗震措施要求，因此按中方規(guī)范進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)可以滿足塔方要求。

綜上所述，本項(xiàng)目按中方規(guī)范進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)可以滿足塔方要求。表3為初步設(shè)計(jì)時(shí)中塔均滿足各自規(guī)范的試算模型(塔方模型含A～C區(qū)，設(shè)縫脫開)的主要構(gòu)件截面，中方構(gòu)件截面明顯大于塔方，可以驗(yàn)證上述結(jié)論，中塔雙方的結(jié)構(gòu)計(jì)算模型見圖6。

中塔試算模型主要構(gòu)件截面 表3

圖6 中塔雙方結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

另外，從圖5可以看出，對于T>1.5s的第2等級項(xiàng)目，以第一主振型周期6s為例(周期越大，塔方地震影響系數(shù)較中方越大)，用于計(jì)算配筋的中塔地震影響系數(shù)比值約為0.5，塔方遠(yuǎn)大于中方；而此時(shí)用于計(jì)算位移的中塔地震影響系數(shù)比值約為0.4，按比值換算即中方層間位移角為1/250×0.4=1/625時(shí)，可滿足塔方層間位移角規(guī)范限值1/250的要求，此時(shí)與中方層間位移角規(guī)范限值1/800相差約30%，在考慮抗震措施和適當(dāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)冗余度后，按中方規(guī)范設(shè)計(jì)的部分構(gòu)件可能不滿足塔方要求。對于T>1.85s時(shí)，相同場地烈度下的塔方一般項(xiàng)目，仍以第一主振型周期6s為例，用于計(jì)算位移的中塔地震影響系數(shù)比值約為0.66，按比值換算即中方層間位移角為1/250×0.66=1/378時(shí)，可滿足塔方層間位移角規(guī)范限值1/250的要求，遠(yuǎn)大于中方層間位移角規(guī)范限值1/800；而用于計(jì)算配筋的中塔地震影響系數(shù)比值約為0.85，塔方與中方僅相差約17%。因此在考慮了抗震措施和適當(dāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)冗余度(不小于17%)后，按中方規(guī)范進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)可以滿足塔方要求。

3 結(jié)構(gòu)超限判定及加強(qiáng)措施

本項(xiàng)目A區(qū)結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)如下：1)基座層頂板高出室外地面約4.9m，結(jié)構(gòu)嵌固端取基礎(chǔ)梁頂；2)豎向構(gòu)件兩次收進(jìn)，見圖6(b)計(jì)算模型，室外地面至4層頂板距離32.64m，室外地面至局部出屋面混凝土頂板距離53.69m，室外地面至鋼結(jié)構(gòu)穹頂距離70.75m；3)1層、2層、4層頂板樓板開大洞,1層頂板結(jié)構(gòu)平面圖見圖7；4)軸10根穿層柱在1～3層通高設(shè)置，高度21.7m。

圖7 1層頂板結(jié)構(gòu)平面圖

根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》(建質(zhì)〔2015〕67號)[6](簡稱超限審查要點(diǎn))，本項(xiàng)目A區(qū)結(jié)構(gòu)存在一項(xiàng)“不規(guī)則”，但是不屬于超限項(xiàng)目，結(jié)構(gòu)超限判定具體見表4。

結(jié)構(gòu)超限判定 表4

根據(jù)塔方抗震規(guī)范，本項(xiàng)目在層高、建筑物長度、對稱性等方面上超出規(guī)范限值，見表5。根據(jù)塔方相關(guān)文件規(guī)定，塔方相關(guān)單位制定了適用于本項(xiàng)目的特殊技術(shù)條款。根據(jù)A區(qū)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合塔方特殊技術(shù)條款，采取的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施見表6。

塔方規(guī)范超限項(xiàng)目 表5

結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施 表6

4 地震作用分析

本項(xiàng)目采用PKPM軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，其中小震彈性分析和中震不屈服設(shè)計(jì)采用SATWE模塊，靜力彈塑性分析采用PUSH&EPDA模塊。

4.1 小震彈性分析

小震作用下考慮雙向地震和偶然偏心作用，周期折減系數(shù)為0.8,連梁剛度折減系數(shù)為0.5，計(jì)算結(jié)果見表7，考慮層高修正的樓層側(cè)向剛度比、樓層受剪承載力分別見圖8、圖9。從表7以及圖8,9可得，結(jié)構(gòu)的周期、振型、層間位移角、剪重比等指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

小震作用下的計(jì)算結(jié)果 表7

圖8 樓層側(cè)向剛度比

圖9 樓層受剪承載力

同時(shí)，本項(xiàng)目選取程序自身提供的3條地震波進(jìn)行了小震彈性時(shí)程分析的補(bǔ)充計(jì)算，地震波反應(yīng)譜與抗規(guī)反應(yīng)譜的差值見表8，不同地震波作用下的結(jié)構(gòu)基底剪力對比見表9，樓層剪力對比見表10。從表8～10可以看出，地震波的選取滿足高規(guī)要求，需對反應(yīng)譜計(jì)算時(shí)的頂部地震作用進(jìn)行調(diào)整放大，出屋面混凝土樓層(第6標(biāo)準(zhǔn)層)放大1.1，鋼結(jié)構(gòu)穹頂(第7標(biāo)準(zhǔn)層)放大1.5。

基底剪力對比 表9

4.2 中震不屈服設(shè)計(jì)

采用等效彈性分析進(jìn)行中震不屈服設(shè)計(jì)，部分計(jì)算參數(shù)如下：αmax=0.90，周期折減系數(shù)取1.0，結(jié)構(gòu)阻尼比取0.06，連梁剛度折減系數(shù)取0.3，構(gòu)件內(nèi)力不做調(diào)整，材料強(qiáng)度采用標(biāo)準(zhǔn)值，作用分項(xiàng)系數(shù)、抗震承載力調(diào)整系數(shù)均取1.0。為了降低中震不屈服設(shè)計(jì)時(shí)剪力墻暗柱區(qū)域的縱筋配筋率及滿足墻肢抗剪截面驗(yàn)算要求，在剪力墻內(nèi)布置型鋼及鋼板。

地震波反應(yīng)譜與抗規(guī)反應(yīng)譜差值 表8

樓層剪力對比/kN 表10

4.3 靜力彈塑性分析

本項(xiàng)目小震彈性模型X，Y向第一振型剪力占比結(jié)構(gòu)基底剪力的97%，地震反應(yīng)以第一振型為主，可以采用Pushover 分析驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的彈塑性層間位移角，明確結(jié)構(gòu)在大震作用下的屈服機(jī)制，查找薄弱部位。Pushover分析采用剛性樓板假定，考慮P-Δ效應(yīng)，荷載類型采用彈性CQC地震力。

Pushover分析在小震、中震、大震性能點(diǎn)處的分析結(jié)果和SATWE小震彈性分析結(jié)果見表11。從表11可得，小震彈性分析的第一振型周期和Pushover小震性能點(diǎn)周期差距在10%以內(nèi)，結(jié)果比較吻合；Pushover大震性能點(diǎn)基底剪力和小震性能點(diǎn)基底剪力的比值在3～4之間，地震力比較合理，Pushover分析方法可以比較準(zhǔn)確地評估結(jié)構(gòu)的抗震性能。

彈塑性與彈性分析結(jié)果 表11

大震作用下結(jié)構(gòu)塑性鉸分布圖見圖10，統(tǒng)計(jì)表見表12。從圖10和表12中可得，在大震性能點(diǎn)處，大部分梁仍處于彈性狀態(tài)(A～B)，但部分梁出現(xiàn)破壞并喪失承載能力(BeyondE)，經(jīng)仔細(xì)觀察出現(xiàn)BeyondE階段鉸的部位主要是連梁；框架柱約有一半開始屈服但未進(jìn)入破壞狀態(tài)，絕大多數(shù)墻肢未出現(xiàn)破壞，3層局部有墻肢破壞但可以承受重力荷載(C～E)，關(guān)鍵構(gòu)件未出現(xiàn)破壞。結(jié)構(gòu)塑性鉸的分布和發(fā)展順序較為合理，框架柱和主要墻體未出現(xiàn)破壞，最大層間位移角也滿足規(guī)范要求，表明整個結(jié)構(gòu)具有較好的延性，在大震作用不發(fā)生倒塌，抗震性能良好，滿足制定的性能化目標(biāo)。

塑性鉸統(tǒng)計(jì) 表12

圖10 大震作用下結(jié)構(gòu)塑性鉸分布圖

本項(xiàng)目的薄弱部位為3層的局部剪力墻，正是約束邊緣構(gòu)件向構(gòu)造邊緣構(gòu)件變化的樓層，因此將3層設(shè)置為過渡層，適當(dāng)提高箍筋和縱筋布置要求。同時(shí)為避免大震時(shí)連梁喪失承載能力，對破壞連梁采取加設(shè)抗剪斜筋或鋼骨的措施，保證連梁耗能能力的同時(shí)提高連梁的抗剪能力。

5 支援建設(shè)項(xiàng)目問題

在援外項(xiàng)目中，設(shè)計(jì)師經(jīng)常不了解受援國的具體狀況，因此需要做詳細(xì)的專業(yè)考察，重點(diǎn)應(yīng)關(guān)注以下幾項(xiàng)：

(1)項(xiàng)目選址盡量避開不利地段，避免復(fù)雜地基狀況，同等條件下選擇整體性好的基礎(chǔ)方案。

(2)熟悉當(dāng)?shù)匾?guī)范，確定設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。援外項(xiàng)目按中國規(guī)范設(shè)計(jì)但仍需滿足當(dāng)?shù)匾?guī)范的關(guān)鍵性條文，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不應(yīng)低于或落后于當(dāng)?shù)匾蟆?/p>

(3)設(shè)計(jì)方案不宜突破受援國設(shè)計(jì)規(guī)范，必須突破時(shí)應(yīng)及時(shí)與受援國相關(guān)部門溝通，必要時(shí)與當(dāng)?shù)氐脑O(shè)計(jì)單位合作，制定合理的加強(qiáng)措施。

(4)選擇合適的建筑材料，重點(diǎn)參考當(dāng)?shù)刂匈Y企業(yè)的實(shí)際做法和經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。

(5)了解當(dāng)?shù)氐某Ｒ?guī)設(shè)計(jì)方案，要結(jié)合當(dāng)?shù)氐某Ｒ娮龇ê褪┕た尚行?，并考慮當(dāng)?shù)厍闆r采用合理的構(gòu)造措施。

6 結(jié)論

(1)通過地震效應(yīng)的對比驗(yàn)證，本項(xiàng)目按中方規(guī)范進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)可以滿足塔方要求。若本項(xiàng)目的主振型周期T>1.5s，則按中方規(guī)范設(shè)計(jì)的部分構(gòu)件可能不滿足塔方要求。

(2)相同場地烈度下的一般項(xiàng)目，考慮抗震措施和適當(dāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)冗余度后，按中方規(guī)范進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)可以滿足塔方要求，與結(jié)構(gòu)自振周期無關(guān)。

(3)根據(jù)中方超限審查要點(diǎn)判定結(jié)構(gòu)不超限，按照塔方抗震規(guī)范，在層高等方面該項(xiàng)目超出規(guī)范限值，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合塔方特殊技術(shù)條款，制定出合理的加強(qiáng)方案。

(4)在小震彈性分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行中震不屈服設(shè)計(jì)和大震Pushover分析，計(jì)算結(jié)果表明，整體結(jié)構(gòu)及構(gòu)件均滿足規(guī)范要求和性能化目標(biāo)。