北京某大底盤多塔超限結(jié)構(gòu)抗震分析及研究

劉 昭

（北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司 北京 100034）

1 工程概況

某車輛段上蓋綜合開發(fā)項(xiàng)目位于北京市朝陽(yáng)區(qū)，總占地面積約13.7 公頃，由蓋上和蓋下兩部分組成，蓋上為住宅開發(fā)預(yù)留，蓋下為運(yùn)用庫(kù)、組合庫(kù)、蓋上住宅的小汽車停車庫(kù)及商業(yè)預(yù)留組成；運(yùn)用庫(kù)及組合庫(kù)的主要功能為地鐵列車的停車、列檢以及維修等。本文重點(diǎn)分析組合車庫(kù)及蓋上預(yù)留結(jié)構(gòu)。

組合庫(kù)總長(zhǎng)×總寬=195 m×96 m，其通過(guò)變形縫與運(yùn)用庫(kù)脫開，首層包含不落輪鏇庫(kù)、綜合維修車間、調(diào)機(jī)車庫(kù)、工程車庫(kù)、特種車維保檢測(cè)庫(kù)、配套用房等，層高9.8 m，其中綜合維修車間、特種車維保檢測(cè)庫(kù)為首層～二層通高空間并設(shè)置橋式天車；二層為小汽車庫(kù)及商業(yè)預(yù)留空間，層高4.5 m；二層頂覆土2.0 m 作為蓋上住宅的室外場(chǎng)地；蓋上預(yù)留2 棟住宅，共6 層，標(biāo)準(zhǔn)層層高3.6 m，建筑高度為37.9 m。

組合庫(kù)采用框架結(jié)構(gòu)，不設(shè)變形縫，由于軌道限制，蓋上預(yù)留的2 棟6 層框架結(jié)構(gòu)住宅柱子無(wú)法直接落地，因此在二層頂通過(guò)梁托柱進(jìn)行轉(zhuǎn)換，形成大底盤雙塔的框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)平面及剖面布置如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)布置Fig.1 Structural Layout （m）

結(jié)構(gòu)底盤的主要梁柱尺寸中，轉(zhuǎn)換柱及塔樓相關(guān)范圍柱主要采用2 500 mm×1 500 mm，1 700 mm×1 500 mm，1 500 mm×1 100 mm 的SRC 柱，其余柱主要采用1 500 mm×1 500 mm，1 200 mm×1 100 mm的RC柱；轉(zhuǎn)換梁主要采用1 200 mm×3 200 mm，1 300 mm×1 500 mm 的SRC 梁，其余框梁主要采用800 mm×1 200 mm，1 000 mm×1 200 mm 的RC 梁。塔樓的主要梁柱尺寸，柱主要采用800 mm×1 000 mm，600 mm×1 500 mm的SRC柱，梁采用600 mm×800 mm的RC梁。

本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50 年，安全等級(jí)為二級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.0，抗震設(shè)防烈度為8 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.20g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，場(chǎng)地類別為Ⅲ類，抗震設(shè)防類別為丙類，水平向地震動(dòng)參數(shù)按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50011—2010》［1］取值。

2 結(jié)構(gòu)超限情況

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)》［2］，本工程為框架結(jié)構(gòu)，建筑高度為38 m，不存在高度超限，但仍存在平面及豎向超限情況，具體如下：

⑴扭轉(zhuǎn)不規(guī)則：考慮偶然偏心后結(jié)構(gòu)的Y向最大位移比為1.28，大于1.2。

⑵樓板不連續(xù)：首層頂板X向、Y向的有效寬度分別為11.1%，40.0%，有效寬度小于50%。

⑶剛度突變：結(jié)構(gòu)首層層高較高，首層X(jué)向、Y向與二層側(cè)向剛度比分別為0.54、0.55，剛度比大于0.5小于0.7。

⑷多塔且塔樓偏置：本結(jié)構(gòu)為大底盤雙塔，塔樓Y向質(zhì)心偏心距約為底盤相應(yīng)邊長(zhǎng)的26%，大于20%。

⑸豎向構(gòu)件間斷：蓋上住宅的柱子在二層頂處通過(guò)梁托柱轉(zhuǎn)換。

⑹局部不規(guī)則：首層Y向存在穿層柱，二層頂板在蓋上住宅范圍內(nèi)存在2 m高的錯(cuò)層。

因此本工程屬于高度不超限、規(guī)則性超限的特別不規(guī)則高層建筑。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算及分析

考慮到本工程為預(yù)留工程，為增加預(yù)留方案后期調(diào)整的可能性，計(jì)算時(shí)按照增加一層考慮。

3.1 多遇地震下反應(yīng)譜計(jì)算

本工程體型復(fù)雜，采用PKPM、ETABS兩個(gè)軟件進(jìn)行了整體反應(yīng)譜計(jì)算［1］，并進(jìn)行相互驗(yàn)證，結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型Fig.2 Structural Model

經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，兩個(gè)軟件的主要計(jì)算結(jié)果如表1所示，兩個(gè)軟件的樓層剪力對(duì)比如圖3所示。

圖3 結(jié)構(gòu)地震下的樓層剪力Fig.3 The Story Shear of Structure

表1 結(jié)構(gòu)反應(yīng)譜主要計(jì)算結(jié)果Tab.1 The Main Results of the Structural Response Spectrum

綜上：兩個(gè)軟件計(jì)算所得的周期比均小于0.9，且前三階周期值基本吻合；計(jì)算得到的最大層間位移角均小于1∕550［1］，且基本吻合，滿足文獻(xiàn)［1］要求；由樓層剪力圖可得，PKPM 和ETABS 計(jì)算得到的每層剪力基本相同，X、Y方向剪重比均滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：JGJ 3—2010》［3］第4.3.12條要求。

由PKPM計(jì)算所得最大位移比為1.28，屬于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則結(jié)構(gòu)；首層與二層側(cè)向剛度的比值X、Y分別為0.54、0.55，首層屬于軟弱層，二層與住宅層的剛度比X、Y向分別為7.00、3.72；樓層層間抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的受剪承載力均大于上一層受剪承載力的80%，不存在薄弱層。

3.2 多遇地震下彈性時(shí)程分析

本工程為大底盤多塔超限高層結(jié)構(gòu)，根據(jù)文獻(xiàn)［3］第4.3.4 條中第2、3 款和第5.1.13 條規(guī)定，需進(jìn)行彈性時(shí)程分析多遇地震下的補(bǔ)充計(jì)算。

選取多遇地震下的2 條天然波和1 條人工波進(jìn)行彈性時(shí)程分析，最大加速度峰值按規(guī)范取70.0 gal，規(guī)范反應(yīng)譜與時(shí)程反應(yīng)譜對(duì)比如圖4所示。

圖4 多遇地震下主方向地震波反應(yīng)譜對(duì)比Fig.4 Comparison of Response Spectrum in Main Direction under Frequent Earthquakes

所選每條地震波底部剪力均不小于反應(yīng)譜結(jié)果的65%且不大于135%；計(jì)算所得的基底剪力的包絡(luò)值X、Y向分別為166 600 kN、167 800 kN，約為反應(yīng)譜方法的104%、88%，滿足文獻(xiàn)［1］的規(guī)定。

經(jīng)計(jì)算，時(shí)程分析下結(jié)構(gòu)X、Y向的最大層間位移角包絡(luò)值均滿足文獻(xiàn)［1］的規(guī)定，即X、Y向最大位移角包絡(luò)值均發(fā)生在5 層，X向?yàn)?∕694，Y向?yàn)?∕586；結(jié)構(gòu)每層地震剪力放大系數(shù)取時(shí)程分析法的樓層剪力包絡(luò)值與反應(yīng)譜法的比值，結(jié)構(gòu)每層的地震剪力放大系數(shù)如表2 所示，時(shí)程分析法得到的部分樓層剪力略大于反應(yīng)譜法，在施工圖設(shè)計(jì)階段將反應(yīng)譜法的地震剪力按照此表進(jìn)行比列放大。

表2 結(jié)構(gòu)多波包絡(luò)值與反應(yīng)譜法結(jié)果對(duì)比Tab.2 Comparison of Structural Multiwave Envelope Values and Response Spectrum Results

3.3 結(jié)構(gòu)性能化驗(yàn)算

本工程為特別不規(guī)則結(jié)構(gòu)，應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性能分析［3］，采用C級(jí)性能目標(biāo)，指定關(guān)鍵部位的抗震性能目標(biāo)，如表3所示。

表3 結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的抗震性能目標(biāo)Tab.3 Seismic Performance Targets for Critical Parts of the Structure

采用PKPM 進(jìn)行結(jié)構(gòu)的性能化驗(yàn)算，關(guān)鍵構(gòu)件（塔樓及外側(cè)一跨柱及轉(zhuǎn)換梁）均采用型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)，經(jīng)驗(yàn)算，關(guān)鍵構(gòu)件的計(jì)算配筋及剪壓比均滿足中震彈性抗彎、抗剪承載力以及大震不屈服抗彎、抗剪承載力的性能目標(biāo)。

3.4 罕遇地震下結(jié)構(gòu)彈塑性分析

為深入分析結(jié)構(gòu)在大震下的整體反應(yīng)，找出結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的薄弱部位，本工程采用PKPM-SAUSAGE對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn) 彈塑性時(shí)程分析，選取罕遇地震下的2 條天 條人工波進(jìn)行彈性時(shí)程分析，規(guī)范反應(yīng)譜與時(shí)程反應(yīng)譜對(duì)比如圖5所示。

圖5 罕遇地震下主方向地震波反應(yīng)譜對(duì)比Fig.5 Comparison of Response Spectrum in Main Direction under Rare Earthquakes

所選每條地震波底部剪力均不小于反應(yīng)譜結(jié)果的65%且不大于135%；平均基底剪力不小于反應(yīng)譜結(jié)果的80%且不大于120%。

所選地震波均為三向波，地震波輸入時(shí)按照主方向∶次方向∶豎向=1∶0.85∶0.65［1，3］，為較真實(shí)的反應(yīng)結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的表現(xiàn)，進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析的構(gòu)件配筋取結(jié)構(gòu)性能化的配筋，計(jì)算結(jié)果取3 條波的包絡(luò)值，最終時(shí)刻結(jié)構(gòu)的整體損傷情況如圖6、圖7 所示，樓板的損傷情況如圖8所示。

圖6 罕遇地震下結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)Fig.6 Structure Performance Level under Rare Earthquake

圖7 結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)Fig.7 Structure Performance Level

圖8 大底盤樓板損傷包絡(luò)圖Fig.8 Damage Envelope of Large Chassis Floor

綜上：X向和Y向的層間位移角最大值分別為1∕65 和1∕56，小于文獻(xiàn)［1］限值1∕50；大震下總等效附加阻尼比介于1.2%～1.6%之間；框架總體上處于輕微～輕度損壞狀態(tài)；框架梁出鉸較多，底盤大部分處于輕微～輕度損壞狀態(tài)，塔樓大部分處于輕度～中度損壞狀態(tài)；框架柱出現(xiàn)塑性鉸，底盤大部分處于輕微～輕度損壞狀態(tài)，塔樓大部分處于輕度～中度損壞狀態(tài)；轉(zhuǎn)換梁、轉(zhuǎn)換柱及周邊一跨范圍框架柱，性能水平處于輕微～輕度損傷狀態(tài)；首層及二層樓板損傷水平處于輕微～輕度損傷狀態(tài)。

總體上而言，結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的彈塑性反應(yīng)及破壞機(jī)制符合結(jié)構(gòu)抗震工程的設(shè)計(jì)理念，滿足預(yù)期的性能目標(biāo)要求，并且具有較好的承載力儲(chǔ)備［4］。

4 超限結(jié)構(gòu)抗震加強(qiáng)措施

針對(duì)本結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的不規(guī)則項(xiàng)采取的抗震加強(qiáng)措施如下：

⑴針對(duì)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則采取的措施：考慮偶然偏心下，結(jié)構(gòu)的位移比不大于1.4；考慮雙向地震。⑵針對(duì)首層出現(xiàn)樓板不連續(xù)采取的措施：樓板厚度取200 mm，雙層雙向配筋，單層配筋率不小于0.25%；對(duì)樓板進(jìn)行了彈塑性分析，損傷水平處于輕微～輕度損傷狀態(tài)［5-9］。⑶針對(duì)首層出現(xiàn)的剛度突變采取的措施：對(duì)首層的地震力進(jìn)行放大，放大系數(shù)取1.25；對(duì)樓座及其周邊一跨范圍內(nèi)的豎向構(gòu)件進(jìn)行性能化設(shè)計(jì)。⑷針對(duì)多塔采取的措施：二層頂板樓座周邊一跨的樓板厚度加至350 mm 厚；塔樓及蓋下塔樓范圍按照多塔、單塔進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)，并滿足相應(yīng)的性能目標(biāo)。⑸針對(duì)豎向構(gòu)件間斷采取的措施：二層定義為轉(zhuǎn)換層，地震力放大1.25 倍；轉(zhuǎn)換梁及轉(zhuǎn)換柱均采用延性較好的型鋼混凝土構(gòu)件，并進(jìn)行性能化設(shè)計(jì)。⑹針對(duì)錯(cuò)層采取的措施：錯(cuò)層兩側(cè)梁支座內(nèi)、外均設(shè)置加腋［10］。⑺針對(duì)Y向穿層柱采取的措施：參照相鄰相同截面柱對(duì)穿層柱Y向地震力標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行調(diào)整，保證穿層柱調(diào)整后的地震力標(biāo)準(zhǔn)值不小于普通柱地震力標(biāo)準(zhǔn)值；將穿層柱的抗震構(gòu)造措施抗震等級(jí)由一級(jí)提高至特一級(jí)。

5 結(jié)語(yǔ)

本工程屬于車輛段上蓋開發(fā)類項(xiàng)目，此類項(xiàng)目常因蓋下工藝、軌道等功能需求導(dǎo)致蓋下跨度大、首層層高高、分縫困難，從而出現(xiàn)豎向構(gòu)件間斷、大底盤多塔、剛度突變、樓板不連續(xù)以及穿層柱等情況，造成結(jié)構(gòu)超限。

本工程采用兩個(gè)軟件計(jì)算驗(yàn)證，消除了模型的差異化，并進(jìn)行了彈性時(shí)程以及彈塑性時(shí)程分析，對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件采用抗震性能化的設(shè)計(jì)方法，針對(duì)出現(xiàn)的不規(guī)則項(xiàng)均提出了多項(xiàng)抗震加強(qiáng)措施。結(jié)果表明結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的性能目標(biāo)要求。