特別不規(guī)則超限高層建筑抗震設(shè)計(jì)

楊云帆

（中國(guó)建筑上海設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200063）

1 引言

對(duì)于迅速發(fā)展的中國(guó)，城市人口集中，用地緊張，促使高層建筑蓬勃發(fā)展。近年來(lái)，由于建筑技術(shù)的發(fā)展，建筑設(shè)計(jì)理念的創(chuàng)新，高層建筑向著體型復(fù)雜、功能多樣的綜合性方向發(fā)展，立面收進(jìn)、平面開(kāi)洞、樓板不連續(xù)等體型不規(guī)則的建筑物層出不窮。然而，中國(guó)是一個(gè)地震高發(fā)的國(guó)家，對(duì)于高層建筑，地震作用效應(yīng)尤其強(qiáng)烈，復(fù)雜且不規(guī)則結(jié)構(gòu)體系容易使建筑物在地震作用下產(chǎn)生嚴(yán)重破壞。因此，對(duì)于不規(guī)則高層結(jié)構(gòu)，選擇合理的抗震設(shè)計(jì)方法，使建筑滿足各項(xiàng)抗震驗(yàn)算指標(biāo)對(duì)于我國(guó)高層建筑及超高層建筑的設(shè)計(jì)具有重大意義。

2 工程概況

2.1 工程介紹

阜陽(yáng)萬(wàn)達(dá)酒店（見(jiàn)圖1）塔樓共17層（樓高H=80.33 m），大屋面標(biāo)高：80.18 m，室外地面標(biāo)高：-0.15 m，底部裙樓4層（H=26.0 m）。酒店底部南北向長(zhǎng)度約81.1 m，東西向?qū)挾燃s37.8 m；在裙房頂（H=26.0 m處）向北收進(jìn)，形成豎向收進(jìn)的大底盤單塔結(jié)構(gòu)。收進(jìn)后主樓平面呈矩形，南北向長(zhǎng)度約34.2 m。

圖1 酒店模型示意圖

2.2 結(jié)構(gòu)形式及不規(guī)則情況

酒店采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)。塔樓外框由12根框架柱承受豎向荷載，柱截面為1 300 mm×1 300 mm~1 000 mm×1 000 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60~C30，柱間距11~13 m。

經(jīng)計(jì)算，本工程具有以下不規(guī)則情況：

1）扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。在規(guī)定水平力作用下，考慮偶然偏心，較多樓層位移比最大值大于1.2，極個(gè)別樓層位移比最大值大于1.3，根據(jù)GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》第3.4.2條，本建筑屬于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則結(jié)構(gòu)。

2）豎向不規(guī)則。酒店裙房頂（H=26.0 m處）向北收進(jìn)，收進(jìn)尺寸占總尺寸的58%，大于下部樓層南北向尺寸（B=81.1 m）的25%。塔樓收進(jìn)部位高度（H1=26.0 m）與房屋高度（H=80.33 m）之比為0.32，大于0.2。塔樓質(zhì)心與大底盤質(zhì)心在南北方向存在較大偏心，偏心率約為26.5%，大于20%。根據(jù)JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第4.4.5條，本建筑存在豎向收進(jìn)不規(guī)則且塔樓偏置情況[1]。

3）平面不規(guī)則。酒店存在開(kāi)大洞、穿層柱、局部樓板錯(cuò)層等現(xiàn)象。因建筑需要，2層樓板開(kāi)大洞，洞口尺寸34.5 m×22.6 m，開(kāi)洞面積約占樓層總面積的23.7%，同時(shí)形成約13 m高的穿層柱。開(kāi)洞后單側(cè)樓板凈寬度小于2.0 m，相應(yīng)位置樓板寬度約為該層樓板典型寬度的34.2%。3層宴會(huì)廳及前廳上空挑空也存在類似情況。開(kāi)洞共抽去5根框架柱，對(duì)應(yīng)裙房屋面處形成短向30.15 m跨度的大跨屋面梁。

4）剛度突變。本酒店客房層下設(shè)有設(shè)備夾層，層高僅為2.18 m，設(shè)備層下層剛度與設(shè)備層剛度之比為42%，小于70%，根據(jù)GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》第3.4.2條，屬于剛度突變[2]。

根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部《關(guān)于印發(fā)〈超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)〉的通知》（建質(zhì)[2010]109號(hào)）的規(guī)定，本建筑具有以上不規(guī)則情況，屬于特別不規(guī)則的超限高層建筑。

3 針對(duì)性抗震措施

1）針對(duì)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，為盡量減小扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，盡可能合理地布置結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件（特別是剪力墻及外框架），以減小結(jié)構(gòu)偏心，盡可能加大結(jié)構(gòu)外圍剛度以提高結(jié)構(gòu)抗扭性能，并適當(dāng)加強(qiáng)受扭轉(zhuǎn)影響較大部位構(gòu)件的強(qiáng)度、延性及構(gòu)造配筋。

2）針對(duì)本工程在豎向收進(jìn)后形成塔樓相對(duì)大底盤有較大偏置的現(xiàn)象，加強(qiáng)裙房屋面板（收進(jìn)部位）及相鄰上下層樓板。裙房屋面板板厚采用140 mm，板配筋雙層雙向不宜小于0.25%；相鄰層樓板板厚120 mm并采用加強(qiáng)配筋。剪力墻底部加強(qiáng)區(qū)延伸至收進(jìn)部位以上一層，收進(jìn)層上下各2層塔樓周邊豎向構(gòu)件抗震等級(jí)提高為一級(jí)。加強(qiáng)收進(jìn)部位以下兩層結(jié)構(gòu)周邊豎向構(gòu)件的配筋構(gòu)造措施。

3）對(duì)樓板開(kāi)洞形成的薄弱連接部位樓板按彈性樓板考慮。適當(dāng)增加板厚，采用雙層雙向配筋，單層單向配筋率加大至約0.3%；同時(shí)加強(qiáng)洞口邊梁的貫通筋及腰筋等措施充分加強(qiáng)連接板的剛度、強(qiáng)度及延性，以防止地震時(shí)連接板過(guò)早過(guò)大屈服。結(jié)構(gòu)整體計(jì)算采用彈性膜計(jì)算模型，以考慮薄弱板在平面內(nèi)的變形對(duì)結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的影響，并得出樓板真實(shí)內(nèi)力?？刂七B接板內(nèi)主應(yīng)力滿足“小震不裂、中震基本彈性”，并將板內(nèi)力放大3倍后進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)[3]。

4）對(duì)酒店大堂開(kāi)洞形成的穿層柱，其計(jì)算長(zhǎng)度按實(shí)際2層層高考慮，校核正確的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)，計(jì)算其強(qiáng)度時(shí)適當(dāng)加大其所受地震剪力（取1.2倍），并進(jìn)行構(gòu)造加強(qiáng)。對(duì)錯(cuò)層部位及其余個(gè)別部位形成的超短柱，嚴(yán)格控制其軸壓比，箍筋形式采用復(fù)合螺旋箍筋，加大配箍率并全高加密箍筋，必要時(shí)增設(shè)芯柱，從而提高超短柱的延性。

5）針對(duì)酒店設(shè)備層存在的剛度突變情況，對(duì)設(shè)備層以下剪力墻厚度適當(dāng)加厚并提高配筋率，使其側(cè)向剛度及強(qiáng)度得以提高。同時(shí)減小設(shè)備層剪力墻厚度及框架梁截面，保持混凝土強(qiáng)度等級(jí)同下層，以適當(dāng)減小設(shè)備層側(cè)向剛度，同時(shí)保證該設(shè)備層具備較高的抗側(cè)強(qiáng)度。通過(guò)上述措施，使設(shè)備層剛度較其下一層剛度突變有所減緩，同時(shí)設(shè)備層相對(duì)于其相鄰層受剪承載力變化亦小于80%。

4 抗震驗(yàn)算

4.1 抗震驗(yàn)算方法

本工程采用PKPM及Midas Building進(jìn)行CQC及時(shí)程分析計(jì)算，計(jì)入雙向地震和風(fēng)荷載作用，考慮地震扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，通過(guò)層間剪力比層間位移算法計(jì)算樓層剛度。本項(xiàng)目2層、4層大開(kāi)洞導(dǎo)致樓板不連續(xù)，故使用PMSAP軟件按彈性樓板模型進(jìn)行小震、中震下應(yīng)力分析。

4.2 整體指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

高層建筑整體指標(biāo)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。通過(guò)比較兩種軟件計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)兩者計(jì)算結(jié)果基本一致，各項(xiàng)計(jì)算指標(biāo)較為真實(shí)且滿足規(guī)范要求。

表1 不規(guī)則高層建筑整體指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

4.3 彈性時(shí)程分析計(jì)算

彈性時(shí)程分析時(shí)程分別采用Ⅳ類場(chǎng)地（特征周期Tg=0.45 s）一組人工波RH2TG045及兩組天然波TH3TG045、TH4TG045，加速度峰值35 gal。時(shí)程法與CQC法計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表2、表3 。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，本次選取的3條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力均大于CQC法計(jì)算結(jié)果的65%，平均譜計(jì)算所得底部剪力大于CQC法計(jì)算結(jié)果的80%，周期點(diǎn)相差在20%以內(nèi)。時(shí)程分析最大層間位移角及剪重比滿足規(guī)范要求，樓層變形沿結(jié)構(gòu)全高沒(méi)有突變，說(shuō)明在小震彈性狀態(tài)下樓層的抗側(cè)力剛度沿豎向布置均勻，沒(méi)有明顯薄弱層[4]。

表2 地震波時(shí)程特性與CQC對(duì)比

表3 時(shí)程法結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)計(jì)算結(jié)果

4.4 局部樓板應(yīng)力計(jì)算

限于篇幅，本文只介紹3層樓板應(yīng)力分析結(jié)果。圖2、圖3為3層樓板在小震和中震條件下的應(yīng)力變化云圖。

圖2 3層樓板應(yīng)力等值線圖（小震）

圖3 3層樓板應(yīng)力等值線圖（中震）

結(jié)果表明，在小震作用下樓層樓板在地震工況下的最大主拉應(yīng)力未超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，樓板保持彈性狀態(tài)。在中震作用下只有樓板在與混凝土核心筒角點(diǎn)處由于剛度較大產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，造成應(yīng)力值較大，其余各處樓板最大主拉應(yīng)力未超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，大部分樓板保持彈性，滿足中震性能目標(biāo)。經(jīng)過(guò)構(gòu)造加強(qiáng)滿足大震下不出現(xiàn)貫穿性裂縫的要求。

5 結(jié)語(yǔ)

為實(shí)現(xiàn)多樣的建筑功能效果，復(fù)雜超限高層建筑不斷涌現(xiàn)，如何確保不規(guī)則高層滿足抗震要求已成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重大課題。本文通過(guò)工程實(shí)例介紹了一系列實(shí)用的抗震加強(qiáng)措施及驗(yàn)算方法，相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可為同類工程提供一定的借鑒。