框架-核心筒結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計

金奇峰

(北京維拓時代建筑設(shè)計股份有限公司, 北京 100025)

深圳冰雪酒店項目位于深圳市寶安區(qū)南環(huán)路南側(cè)，其總面積為4.90萬m2。地下2層為辦公區(qū)和設(shè)備用房，地下1層為酒店廚洗區(qū)域及部分設(shè)備用房；地上共計24層，建筑物主要屋面高度99.8 m，首層為酒店大堂及會所門廳，2～5層分別設(shè)計酒店的核心筒、酒店宴會廳及廚房、家具房、會議、KTV、健身、水療及一系列酒店機房；6～23層為酒店客房標準層；24層為會所層，會所層上層屋面為酒店所用機房及水箱，酒店效果圖如圖1所示。該結(jié)構(gòu)有多向不規(guī)則，屬于超限結(jié)構(gòu)。為滿足結(jié)構(gòu)的安全性，參照國內(nèi)類似工程，并考慮結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟學(xué)，設(shè)定本工程抗震性能目標。根據(jù)超限情況，提出加強措施，通過大量計算分析，探究了該結(jié)構(gòu)在地震作用下的抗震性能。

1 結(jié)構(gòu)方案

1.1 結(jié)構(gòu)主要設(shè)計參數(shù)

結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度為7度(0.10g)，設(shè)防類別為丙類，安全等級為二級，設(shè)計地震分組為第一組，III類場地，設(shè)計基準期為50a。嵌固端為地下一層頂板，底部加強區(qū)為首層和2層，地下2層結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造措施對應(yīng)的抗震等級為三級，地下1層及上部結(jié)構(gòu)抗震等級為框架與剪力墻均為二級，轉(zhuǎn)換構(gòu)件抗震等級為一級。地面粗糙度A類，基本風(fēng)壓為w0=0.75 kN/m2，進行承載力設(shè)計時采用1.1倍的基本風(fēng)壓，體型系數(shù)1.3，風(fēng)振系數(shù)按規(guī)范規(guī)定取值，地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為甲級。

1.2 結(jié)構(gòu)布置

酒店結(jié)構(gòu)形式為框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，抗側(cè)力體系由核心筒和框架2個部分組成。酒店與周圍裙房商業(yè)分開，建筑平面呈長方形，結(jié)構(gòu)主體的平面尺寸為48.8 m×31.8 m，主體結(jié)構(gòu)高寬比2.05；核心筒部分的平面尺寸為25.7 m×8.7 m，核心筒的高寬比為8.68。酒店部分結(jié)構(gòu)計算模型如圖1所示，客房標準層結(jié)構(gòu)平面布置圖如圖2所示。6層至頂層外框架梁為500 mm×800 mm，內(nèi)部梁高為750 mm；2～5層外框梁高為900～950 mm，內(nèi)部梁高800～900 mm；首層外框梁高為1 300 mm，內(nèi)部梁高900 mm～950 mm。結(jié)構(gòu)的核心筒外墻厚自下而上由500 mm減小至300 mm。外圍框架柱變截面設(shè)計，自下而上由900 mm×1 600 mm減小至600 mm×900 mm。

圖1 酒店部分結(jié)構(gòu)計算模型

圖2 酒店準層結(jié)構(gòu)平面布置

2 超限情況及抗震性能目標

7度(0.1g)區(qū)框架-核心筒結(jié)構(gòu)A級最大適用高度為130 m，故酒店高度不超限。酒店部分結(jié)構(gòu)高寬比為2.05，滿足規(guī)范要求，高寬比未超限。首層辦公大堂根據(jù)建筑功能需要結(jié)構(gòu)樓板開洞，有效樓板寬度小于該層樓板寬度的50%，超過規(guī)范限制，且局部形成越層柱。結(jié)構(gòu)地上6層有豎向轉(zhuǎn)換，上下柱不連續(xù)，屬于超限。且結(jié)構(gòu)有2層層高修正的側(cè)向剛度比值小于0.9，不滿足規(guī)范要求，形成剛度突變。綜上分析，結(jié)構(gòu)有3項不規(guī)則，故判定為超限結(jié)構(gòu)[1]。

針對超限情況，采取應(yīng)對措施：

(1)提高轉(zhuǎn)換柱的抗震等級，混凝土柱軸壓比不超過0.75，通過對軸壓比的限制來提高柱的延性。同時轉(zhuǎn)換柱采用箍筋直徑不小于12 mm，采用井字復(fù)合箍，箍筋全高加密，間距不大于100 mm，箍筋肢距不大于200 mm。

(2)嚴格控制底部加強區(qū)剪力墻軸壓比不超過0.5，以此來提高底部加強區(qū)剪力墻的延性。

(3)核心筒的連梁及抗剪超筋的連梁配置對角斜向鋼筋。

(4)樓蓋外角按規(guī)范要求配置雙層雙向鋼筋，范圍不小于3 m和外框架至內(nèi)筒外墻中距的1/3，而且單層單向配筋率不低于0.3%，對于斜柱轉(zhuǎn)換部位及相鄰上下層的樓板加厚至180 mm，并提高樓板配筋率。

(5)首層頂開洞部位板厚增大至130 mm，采用雙層雙向配筋，配筋率控制為不低于0.25%。

依據(jù)本工程的超限特點，結(jié)合結(jié)構(gòu)概念設(shè)計[2]，考慮社會和經(jīng)濟等因素，并參照國內(nèi)類似項目，設(shè)定本項目的抗震性能目標。結(jié)構(gòu)抗震性能目標總體定為D級[3, 4]，相應(yīng)的抗震性能在多遇、設(shè)防、罕預(yù)地震下分別為1、4、5水準，抗震性能目標以及性能水準設(shè)定如表1所示。

表1 抗震性能目標與性能水準

3 結(jié)構(gòu)計算分析

3.1 計算程序及計算假定

結(jié)構(gòu)整體計算采用PMSAP與YJK 2種分析程序進行多遇地震分析，同時采用YJK對結(jié)構(gòu)在多遇地震下進行彈性時程分析，該結(jié)構(gòu)在大震作用下的彈塑性時程分析采用了SAUSAGE分析軟件。結(jié)構(gòu)整體指標計算分析過程中采用剛性樓板假定；周期折減系數(shù)取為0.90，振型參與質(zhì)量系數(shù)控制大于90%，阻尼比取為為0.05，采用考慮扭轉(zhuǎn)耦連的CQC法，計算結(jié)果如表2所示。

表2 計算結(jié)果對比

通過計算結(jié)果對比可以看出，YJK和PMSAP在多遇地震下的分析結(jié)果基本一致，說明采用的分析模型得到的結(jié)構(gòu)特性是正確的，采用的模型能夠準確分析結(jié)構(gòu)性能。

3.2 多遇地震下的彈性時程分析

結(jié)構(gòu)在多遇地震下的彈性時程分析[5]程序采用YJK，選取5組真實地震加速度記錄與2組與規(guī)范反應(yīng)譜符合的人工模擬加速度時程，地震加速度的最大值35 cm/s2，2方向加速度時程峰值的比為1∶0.85。表3為進行彈性時程分析所得到的結(jié)構(gòu)基底剪力。

由分析結(jié)果可知，每組波作用下的基底剪力均大于反應(yīng)譜法所得基底剪力的65%，并且7組波的平均值不小于反應(yīng)譜法的80%，地震波的選取滿足JGJ3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(以下簡稱《高規(guī)》)的要求。

結(jié)構(gòu)彈性時程分析得到的層間位移角見圖3。X向的最大層間位移角平均值是1/1913，Y向是1/1805，均小于規(guī)范限制1/800。分析所得的結(jié)構(gòu)樓層剪力如圖4所示，彈性時程分析所得的層間剪力平均值小于CQC法計算結(jié)果，故本工程無需對CQC法計算結(jié)果進行放大。

3.3 設(shè)防地震及罕遇地震下結(jié)構(gòu)構(gòu)件驗算

采用YJK軟件對結(jié)構(gòu)進行中震抗彎抗剪不屈服(關(guān)鍵構(gòu)件)和中震滿足剪壓比要求(普通豎向構(gòu)件)計算分析。 分析模型與多遇地震所用模型一致，采用等效彈性分析方法，荷

表3 多遇地震下的基底剪力

圖3 層間位移角曲線

圖4 最大樓層剪力曲線

載分項系數(shù)取值為1.0，材料強度采用標準值，不考慮風(fēng)荷載組合，連梁剛度折減系數(shù)取為0.3，周期折減系數(shù)1.0，結(jié)構(gòu)阻尼比取為0.06，地震作用影響系數(shù)取值為0.23。

分析結(jié)果顯示：結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件的抗震承載力滿足《高規(guī)》式(3.11.3-3)的要求，關(guān)鍵構(gòu)件在中震時滿足抗彎抗剪不屈服的性能目標；結(jié)構(gòu)普通豎向構(gòu)件的斜截面滿足《高規(guī)》式(3.11.3-4)的要求，說明普通豎向構(gòu)件在中震時滿足剪壓比限制條件。

采用YJK軟件對結(jié)構(gòu)進行罕遇地震作用下分析，采用等效彈性分析方法，大震分析時不進行地震內(nèi)力調(diào)整，材料強度采用標準值，荷載分項系數(shù)取值為1.0，不考慮風(fēng)荷載組合，連梁剛度折減系數(shù)0.3，周期折減系數(shù)1.0，結(jié)構(gòu)阻尼比0.07，地震作用影響系數(shù)取值為0.5。

分析結(jié)果顯示：底部加強區(qū)剪力墻和框架柱的承載力滿足《高規(guī)》式(3.11.3-3)的要求，關(guān)鍵構(gòu)件在大震時滿足抗彎抗剪不屈服的要求。普通豎向構(gòu)件斜截面滿足《高規(guī)》式(3.11.3-4)的要求，說明普通豎向構(gòu)件在大震時符合剪壓比限制條件。

4 罕遇地震下結(jié)構(gòu)彈塑性時程分析

采用SAUSAGE軟件對結(jié)構(gòu)進行大震作用下的彈塑性時程分析，進而來研究結(jié)構(gòu)在大震下的破壞模式和結(jié)構(gòu)特性。

為計算罕遇地震作用，重新選擇3條地震波，其中1條為人工波，2條為天然波。輸入主方向加速度峰值為2.20 m/s2，次方向為1.87 m/s2，按照加速度2.20 m/s2對結(jié)構(gòu)進行彈性時程分析分析，結(jié)果表明：3條波的平均值不小于反應(yīng)譜法的80%，并且每條波作用下的基底剪力均大于CQC法所得到基底剪力的65%，選波滿足規(guī)范要求。

4.1 阻尼耗能

SAUSAGE彈塑性時程分析的基底剪力如表4所示，罕遇地震的峰值加速度與多遇地震的峰值加速度之比為6.28，罕遇地震下動力彈塑性時程分析的基底剪力與多遇地震下CQC法計算的基底剪力之比，在X向及Y向最大值分別為4.2和3.99，均明顯小于6.29，表明結(jié)構(gòu)中的部分構(gòu)件剛度退化[6]；罕遇地震作用下的附加阻尼比與能量曲線如圖5～圖7所示，結(jié)構(gòu)彈塑性變形的阻尼比均值約為2.3%，綜上可知，罕遇地震下作用下，結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性變形，結(jié)構(gòu)中的部分構(gòu)件剛度退化，結(jié)構(gòu)阻尼比隨之增大，耗散了地震輸入的部分能量。

表4 罕遇地震與多遇地震下(CQC法)基底剪力對比

圖5 天然波- TH121-附加阻尼比與能量曲線

圖6 天然波- TH057-附加阻尼比與能量曲線

圖7 人工波- RH1-附加阻尼比與能量曲線

4.2 結(jié)構(gòu)損傷

罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)損傷情況如圖8所示，底部加強區(qū)以上筒體較多的輕微或輕度損壞，底部加強區(qū)筒體發(fā)生輕微損壞，框架柱基本無損壞，多數(shù)框架梁端部形成塑鉸，發(fā)生中度損壞；連梁損壞損壞比較嚴重；結(jié)果表明，罕遇地震作用下，連梁受彎屈服耗能，合理設(shè)置一定數(shù)量的連梁，有利于保護豎向承重構(gòu)件，核心筒能更好地發(fā)揮第一道抗震防線[8]的作用；框架梁端部形成塑性鉸，耗散了部分地震輸入的能量，框架柱基本處于彈性狀態(tài)，外框架發(fā)揮了二道防線的作用。結(jié)構(gòu)形成多道防線，關(guān)鍵構(gòu)件和普通豎向構(gòu)件滿足性能化目標的要求，結(jié)構(gòu)抗震性能良好，結(jié)構(gòu)布置合理。

圖8 框-筒結(jié)構(gòu)損傷圖

4.3 層間位移角

結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下最大彈塑性層間位移角值為：X向是1/156，Y向為 1/154，均小于大震作用下彈塑性層間位移角限值 1/110，結(jié)構(gòu)設(shè)計符合規(guī)范限值要求。

5 重要構(gòu)件補充分析

穿層柱2層或多層通高，側(cè)向約束弱，計算長度比其他柱大，為結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位。本項目首層大堂為2層通高，形成穿層柱，如圖9所示。根據(jù)穿層柱周圍相似的非穿層柱的地震剪力與該穿層柱地震剪力的比值，得到剪力放大系數(shù)K，在YJK前處理中單獨指定穿層柱的剪力系數(shù)，使得穿層柱剪力合理放大，根據(jù)計算結(jié)果可以對穿層柱配筋，箍筋全高加密，縱筋和箍筋需通長范圍內(nèi)配置。

圖9 首2層穿層柱

6 結(jié)論

本工程屬于超限結(jié)構(gòu)，通過不同地震作用下的分析，可以看出，結(jié)構(gòu)布置合理，結(jié)構(gòu)采用的抗震加強措施有效。在多遇地震作用下，結(jié)構(gòu)尚處于彈性狀態(tài)，結(jié)構(gòu)整體指標符合的規(guī)范限值要求；在設(shè)防地震作用下，結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件滿足抗彎抗剪均不屈服的要求，同時普通豎向構(gòu)件滿足剪壓比限值要求；罕遇地震下結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角符合規(guī)范限值要求，關(guān)鍵構(gòu)件和普通豎向構(gòu)件滿足大震下的性能目標；綜上所述，結(jié)構(gòu)薄弱部位的加強措施有效，結(jié)構(gòu)可以滿足預(yù)先設(shè)定的性能目標，抗震性能良好，結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。