金山區(qū)公共服務(wù)中心大樓連體結(jié)構(gòu)設(shè)計

朱江

【摘要】本工程為連體超限結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)設(shè)計面臨多項困難。本文對結(jié)構(gòu)設(shè)計思路進(jìn)行全面闡述，分析了連體結(jié)構(gòu)的受力情況及結(jié)構(gòu)的安全性，對結(jié)構(gòu)在各種工況下的整體計算進(jìn)行了全面介紹，探討了連體結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計方法。

【關(guān)鍵詞】建筑；連體結(jié)構(gòu)；設(shè)計

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021. 26.038

1、工程概況

金山區(qū)公共服務(wù)中心大樓位于金山區(qū)龍山路。本工程由辦公主樓（A區(qū)）及服務(wù)裙房（B、C區(qū)）組成。建筑總面積27351m2，主樓地上25824m2，地下室1557m2，主樓與服務(wù)裙房在一層以上通過設(shè)置抗震縫分開，縫凈寬100mm。辦公主樓地下一層，埋深約5.4m。地上15層，房屋高度為66.0m（不包括出屋面電梯機房）；其中一～三層層高5m，四～十五層層高4.2m。A區(qū)主樓在四層～十三層樓板缺失，立面上形成寬28.8m、高47.8m的大洞；十四～屋面層之間利用兩層層高，沿外立面及內(nèi)部電梯芯筒筒壁處共四榀鋼桁架進(jìn)行剛性連接。服務(wù)裙房（B、C區(qū)）為3層混凝土框架結(jié)構(gòu)，層高5m。建筑立面如圖1所示，結(jié)構(gòu)空間模型如圖2所示。

主樓采用框架-剪力墻連體結(jié)構(gòu)，十四～屋面層之間利用兩層層高，沿外立面及內(nèi)部電梯芯筒筒壁處共四榀鋼桁架進(jìn)行剛性連接?？拐鹪O(shè)防烈度為7度[1]，設(shè)計地震分組為第一組（設(shè)計地震加速度值為0.1g），場地特征周期為0.9s[1]，場地類型為Ⅳ類（上海地區(qū)）；水平地震影響系數(shù)最大值采用0.08（多遇地震）[1]；時程分析所用地震加速度時程曲線的最大值為35gal[1]，抗震設(shè)防類別為丙類。工程于2007年建成，設(shè)計使用年限為50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級；地基基礎(chǔ)的設(shè)計等級為甲級，安全等級為二級。

2、結(jié)構(gòu)超限判斷

按照現(xiàn)行規(guī)范[1～2]對結(jié)構(gòu)是否超限進(jìn)行判斷：

①結(jié)構(gòu)高度超限判斷：本工程A區(qū)大屋面標(biāo)高65.4m，室內(nèi)外高差0.60m，建筑高度為66.0m，小于規(guī)范限值120m，滿足要求。

②結(jié)構(gòu)高寬比、長寬比：本工程A區(qū)平面長87.6m、寬15m，高寬比為4.76，小于規(guī)范限值5；長寬比為5.84，小于規(guī)范限值6.0；均滿足要求。為滿足使用功能要求，A區(qū)混凝土采用后澆帶分段澆筑施工，不另設(shè)伸縮縫。

③平面規(guī)則性：本工程A區(qū)三層樓板北側(cè)凹入為7.0m，但小于相鄰下一層的30%*29.75=8.925m；同時電動扶梯開洞4.5m～11.6m，局部樓板不連續(xù)，但有效樓板寬度與樓板總寬度比值為（29.75-7.0+4.5）/29.75=61%，大于50%；屬平面規(guī)則。

④立面規(guī)則性：本工程A區(qū)局部裙房高度大于主樓總高度的20%，在四層北側(cè)立面收進(jìn)12.25m，大于相鄰下一層的30%；同時在四層～十三層樓板缺失，造成豎向構(gòu)件布置不連續(xù)，屬豎向不規(guī)則。

⑤本工程屬于復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的連體結(jié)構(gòu)，為豎向特別不規(guī)則的復(fù)雜高層建筑。

3、結(jié)構(gòu)計算分析

3.1 結(jié)構(gòu)計算結(jié)果

本工程計算采用PKPM系列軟件中的SATWE和ETABS（集成化的建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計軟件系統(tǒng)）：SATWE設(shè)計軟件計算模型按連體①型（四層～十三層按雙塔計算），連體②型（四層～十三層按單塔計算），單塔，雙塔（十四層～十六層連體部分去除）共四個模型進(jìn)行計算比較；ETABS設(shè)計軟件采用了分塊無限剛加中間彈性板模塊進(jìn)行計算分析比較。

主要計算參數(shù)

（1）抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計地震分組為第一組（設(shè)計地震加速度值為0.1g），場地特征周期為0.9s，場地類型為Ⅳ類（上海地區(qū)）[1]；

（2）采用振型分解反應(yīng)譜法和時程法計算結(jié)構(gòu)響應(yīng)，振型數(shù)取24個，各振型貢獻(xiàn)按振型組合方法CQC（完全二次項平方根法）組合；經(jīng)計算X和Y向有效質(zhì)量參與系數(shù)為94%以上，均大于90%；

（3）地震作用考慮雙向地震作用和5%的偶然偏心[1]；

（4）樓層側(cè)向剛度按等效剪切剛度計算；

（5）本工程外墻為玻璃幕墻，內(nèi)隔墻采用輕質(zhì)加氣砌塊，不采用填充磚墻，周期折減系數(shù)取0.90；

（6）連接體結(jié)構(gòu)采用彈性樓板假設(shè)進(jìn)行整體分析；

（7）本時程分析采用符合上海地區(qū)Ⅳ類場地及設(shè)計地震分組的三條加速度時程曲線，其中NIN-4和NIN2-4為兩條實際地震地面加速度時程曲線，SHW1-4為一條人工模擬地震地面加速度時程曲線，這三條曲線的最大加速度幅值為35gal，可以用于7度多遇地震作用時程分析。

多遇地震作用的計算結(jié)果對比見表1所示，多遇地震作用下彈性動力時程分析結(jié)果對比見表2所示。

3.2 計算結(jié)果分析

3.2.1 SATWE軟件四個計算模型結(jié)果顯示：

（1）單塔和雙塔模型計算結(jié)果的周期，位移等主要參數(shù)基本一致，單塔和雙塔中一個塔的塔底（四層）位置的水平地震力間相差不大，比較接近；但在單塔模型二～三層出現(xiàn)最大層間位移角與平均層間位移角的比值大于1.4，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，單塔模型因一側(cè)塔樓刪除，造成該側(cè)部分水平地震力較小，位移很小，平均層間位移角約為1/5000，同時單塔和雙塔最大層間位移角基本接近；單塔模型此參數(shù)可不作為控制指標(biāo)。

（2）雙塔、連體①型和連體②型計算結(jié)果主要參數(shù)基本一致，其中雙塔（最大位移/平均位移）最大值較大，為了協(xié)調(diào)兩個塔塊，連接體樓層樓板應(yīng)加厚為150mm，計算模型中此部分樓板按彈性樓板假定進(jìn)行計算。

（3）連體①型計算結(jié)果顯示結(jié)構(gòu)相對抗側(cè)剛度在十一～十三層剛度與上層剛度70%的比值和本層剛度與上三層平均剛度80%的比值中的較小者相比小于1.0，程序判斷為薄弱層；但對結(jié)構(gòu)剛度比進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，此剛度比為連接體下部一個塔樓的剛度和上部連接體的剛度比值，實際應(yīng)該為連接體下部樓層兩個塔樓的剛度之和與上部連接體的剛度比；在連體②型以及ETABS計算結(jié)果顯示結(jié)構(gòu)相對抗側(cè)剛度比滿足要求，無薄弱層；但考慮到連接體下部樓層需要加強，故設(shè)計時十一～十三仍舊按地震力放大1.15倍進(jìn)行設(shè)計。

3.2.2 SATWE、ETABS兩個軟件計算結(jié)果顯示，兩個軟件的計算結(jié)果主要參數(shù)基本吻合，具有可比性，說明選用的計算軟件對連體結(jié)構(gòu)計算是可靠的，可以作為連體復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計依據(jù)。

3.2.3結(jié)構(gòu)的主要計算指標(biāo)均符合規(guī)范要求；

具體如下：

（1）兩個程序計算得到的第一振型均為X向平動，扭轉(zhuǎn)振型為第三振型，同時第一扭轉(zhuǎn)周期/第一平動周期小于0.85；

（2）計算的最大層間位移角為小于[1/800]；最大層間位移/平均層間位移=1.20<[1.40]；

（3）結(jié)構(gòu)剪力墻和框架柱的軸壓比滿足規(guī)范要求；

（4）對二、三層中間跨度為15.8m的框架梁進(jìn)行撓度驗算，f=<[1/400]，滿足規(guī)范要求；

（5）對連接體的四榀鋼桁架進(jìn)行計算分析，撓度和強度均滿足規(guī)范要求；

⑹ETABS設(shè)計軟件采用了分塊無限剛加中間彈性板模塊，進(jìn)行計算分析；連體部分的樓板在地震工況下剪力；其中樓板剪力區(qū)域最大值約為200kN/m，和Vy（十四層的Y向地震剪力）/2/B（樓板寬度）=6987kN/2/15.8=221kN/m數(shù)值具有可比性，設(shè)計時樓板配筋除考慮彎距外，還應(yīng)考慮樓板所受的剪力，并且要適當(dāng)放大。

⑺地震作用下結(jié)構(gòu)的層剪力沿豎向分布無明顯突變；

⑻經(jīng)過分析，時程分析計算結(jié)果與反映譜分析的結(jié)果有較大的可比性，三條波分析得出的相對薄弱層為四層和十三層，因而在施工圖設(shè)計時需要進(jìn)行適當(dāng)加強：指定四層和十三層為薄弱層，同時剪力墻底部加強區(qū)高度伸至四層。

結(jié)語：

本工程屬復(fù)雜結(jié)構(gòu)中連體結(jié)構(gòu)的超限高層建筑[2]。結(jié)構(gòu)設(shè)計通過對各種模型進(jìn)行了兩個計算軟件的詳細(xì)分析對比表明，選用的計算軟件和分析方法對復(fù)雜連體結(jié)構(gòu)計算可靠，可以作為連體復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計依據(jù)。同時根據(jù)時程分析計算結(jié)果，對結(jié)構(gòu)四層和十三層兩個薄弱層采取了有效的加強措施，減少了體型不規(guī)則帶來的對結(jié)構(gòu)抗震不利影響，使得結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，滿足現(xiàn)行規(guī)范和規(guī)程的要求。

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