超限高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計分析*

王 輝

(山西省建筑設(shè)計研究院有限公司 太原 030013)

1 超限高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計概述

所謂超限高層建筑工程,一般是指超過結(jié)構(gòu)規(guī)范限制要求的建筑工程。而根據(jù)超限高層建筑審查的相關(guān)規(guī)定,可對超限高層建筑進(jìn)行分類,一般可按照高度、規(guī)則性以及其他進(jìn)行歸類。

(1)高度超限,是指建筑工程的實際建設(shè)高度超過規(guī)范允許的該類型建筑的最大適用高度,且當(dāng)建筑工程的平面與豎向均為不規(guī)則時,則最大適用高度應(yīng)按照規(guī)定要求降低10%左右。

(2)規(guī)則性超限,則是指建筑工程的整體結(jié)構(gòu)布置與一般建筑工程結(jié)構(gòu)之間呈現(xiàn)出一定的差異性,如結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)偏大、層剛度較小、塔樓偏置等平面不規(guī)則和豎向不規(guī)則,如典型的中央電視臺總部大樓,以6°傾斜高度的塔樓,利用L 型懸臂結(jié)構(gòu)連接,形成了獨特的規(guī)則性超限高層建筑工程。

(3)其他類型的超限建筑工程,則是指特殊類型高層建筑、大跨屋蓋建筑、加層結(jié)構(gòu)及其他超規(guī)范建筑。

2 超限高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計實踐

2.1 工程案例

為更好的探究超限高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計全過程,本文結(jié)合某超限高層建筑工程對該工程的超限進(jìn)行判定對其性能目標(biāo)進(jìn)行分析研究。該建筑工程建筑功能為為辦公與商業(yè),整體建筑地上32層,其中地上1～4層為商場,地下2層為停車場。結(jié)合該建筑工程的實際情況,為做好超限高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計,在該建筑的5、16、23層設(shè)避難層,其他所有樓層則為標(biāo)準(zhǔn)辦公樓層。該建筑高度為156.23 m,并在地上第4層設(shè)置轉(zhuǎn)換層。結(jié)構(gòu)形式:框支-剪力墻混凝土結(jié)構(gòu);平面為H 型;結(jié)構(gòu)高寬比:5.82;設(shè)計工作年限:50年;抗震設(shè)防類別:乙類;結(jié)構(gòu)安全等級:二級;抗震設(shè)防烈度:6度(0.50 g)。

2.2 超限情況與設(shè)計目標(biāo)

對其超限情況加以判定,并確定其抗震性能目標(biāo)。

該建筑工程項目按照J(rèn)GJ 3-2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程中判定,存在以下幾點超限。

(1)B級框支剪力墻結(jié)構(gòu)建筑工程最大適用高度為140 m,該建筑高度為156.23 m,高度超限。

(2)本項目1～4商業(yè)層結(jié)構(gòu)位移比為1.35,大于1.2,存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。

(3)本項目1～4層商業(yè)樓層結(jié)構(gòu)均存在大開洞,開洞面積大于該層樓層面積的30%,存在樓板局部不連續(xù)。

(4)本項目第4層設(shè)置水平轉(zhuǎn)換梁對上部剪力墻加以轉(zhuǎn)換,存在豎向抗側(cè)構(gòu)件不連續(xù)[2]。由上可知,本項目存在①高度超限;②扭轉(zhuǎn)不規(guī)則;③樓板局部不連續(xù);④豎向抗側(cè)構(gòu)件不連續(xù)四項超限內(nèi)容,故本項目屬于超限高層建筑。結(jié)合抗震設(shè)防烈度、設(shè)防類別、施工成本以及安全要求等影響因素,確定本項目抗震性能目標(biāo)為C級。

2.3 基礎(chǔ)設(shè)計

根據(jù)結(jié)構(gòu)形式及樓層高度,通過對施工現(xiàn)場的勘察并結(jié)合工程勘察數(shù)據(jù),確定主樓基礎(chǔ)形式采用樁基礎(chǔ),以強風(fēng)化板巖作為結(jié)構(gòu)持力層。通過對樁基礎(chǔ)端的強風(fēng)化板巖結(jié)構(gòu)持力層承載力進(jìn)行計算,對無法滿足承載力要求的樁,選擇中風(fēng)化板巖作為樁端持力層。

根據(jù)主樓使用要求,其下部商業(yè)部分層高為5.4 m,要求大使用空間,需采用框架結(jié)構(gòu);建筑上部根據(jù)使用功能需采用剪力墻結(jié)構(gòu);因而本項目在第4層設(shè)置轉(zhuǎn)換層,考慮豎向構(gòu)件傳力要求,選擇框架梁式轉(zhuǎn)換層的方式。如圖1與圖2所示為本項目轉(zhuǎn)換層以及標(biāo)準(zhǔn)層平面布置圖。對1～4層轉(zhuǎn)換構(gòu)件及下部相連構(gòu)件提高抗震措施,抗震等級均采用特一級設(shè)計。

圖1 轉(zhuǎn)換層平面布置圖

圖2 標(biāo)準(zhǔn)層平面布置圖

主樓1～4層剪力墻厚度為500 mm、600 mm,且該部分中的剪力墻混凝土強度等級均提高至C60;主樓5～29 層中的剪力墻厚度設(shè)計為500 mm、400 mm,主樓30～頂層剪力墻厚度為200 mm 厚度,混凝土強度等級為C60～C35[3]。

2.4 結(jié)構(gòu)抗震性能分析

根據(jù)一般建筑工程的抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn),在建筑結(jié)構(gòu)中常用人數(shù)超過8 000時,應(yīng)當(dāng)將該建筑設(shè)定為重點設(shè)防類。商業(yè)建筑的防震類別設(shè)計按照區(qū)段中最高人流量5 000人加以計算,則換算為面積約等于17 000 m2左右;辦公建筑按照10 m2/人的標(biāo)準(zhǔn)對防震面積進(jìn)行計算?？紤]到本文中所選擇的建筑工程其屬于辦公與商業(yè)綜合性的建筑,總建筑面積為67 680 m2,分別按照上述標(biāo)準(zhǔn)計算,經(jīng)過詳細(xì)計算合計允許使用人數(shù)超過8 000人。因此本工程抗震設(shè)防分類為重點設(shè)防類(乙類)。

2.4.1 小震反應(yīng)譜分析

結(jié)合本項目的抗震設(shè)防分類,對該工程抗震性能進(jìn)行分析。使用YJK 對主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行小震等效彈性分析,并進(jìn)行小震彈性時程分析,對主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行補充計算。時程分析取18 cm/s2的地震波加速峰值進(jìn)行計算,同時對X 向以及Y 向進(jìn)行雙向加載,采用一組人工地震波和兩組天然地震波的方式進(jìn)行計算。

計算結(jié)果顯示,所有時程曲線所得的基底剪力均不小于振型分解反應(yīng)下地震剪力的65%,且從時程分析曲線可得出,時程分析下部分樓層的層剪力大于振型分解反應(yīng)普法下的層剪力,因而在設(shè)計配筋時,應(yīng)根據(jù)時程分析結(jié)果,對主樓的地震作用乘以相應(yīng)的放大系數(shù)進(jìn)行放大。

2.4.2 中、大震等效彈性分析

根據(jù)超限高層建筑工程抗震設(shè)防要求及構(gòu)件的性能目標(biāo)要求,對主樓進(jìn)行中震不屈服、中震彈性下及大震不屈服下的等效彈性分析。中震作用下X 向和Y 向位移角分別為1/718和1/750,均不超過最大1/500的限值。對主樓中的轉(zhuǎn)換梁、剪力墻以及框支柱結(jié)構(gòu)等分別進(jìn)行中震彈性、中震不屈服及大震不屈服下的構(gòu)件抗震性能驗算。

2.4.3 大震彈塑性時程分析

對此工程進(jìn)行罕遇地震作用下的彈塑性時程分析,通過結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的彈塑性行為,根據(jù)主要構(gòu)件的塑性損傷和整體變形情況,確定結(jié)構(gòu)滿足“大震不倒”的設(shè)防水準(zhǔn)要求。彈塑性分析軟件采用由北京市建筑設(shè)計研究院自主研發(fā)的非線性結(jié)構(gòu)分析軟件Paco-SAP,采用精細(xì)有限元模型對結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性分析。時程分析取125 cm/s2的地震波加速峰值進(jìn)行計算,同時對X 向以及Y 向進(jìn)行雙向加載,采用了一組人工地震波和兩組天然地震波的方式進(jìn)行計算。計算結(jié)果顯示,每個工況下都能順利完成整個時間歷程的動力彈塑性計算,數(shù)值收斂性良好。地震波計算完成后結(jié)構(gòu)依然處于穩(wěn)定狀態(tài),滿足預(yù)設(shè)的抗震設(shè)防目標(biāo)。結(jié)構(gòu)X 方向及Y 方向的層間位移角均滿足鋼筋混凝土框架-剪力墻層間位移角1/100 的規(guī)范要求。剪力墻及框架柱大部分處于輕微～輕度破壞,局部墻肢處于中度破壞以內(nèi),框架梁部分處于輕微～輕度破壞,部分處于中度～重度破壞,起到耗能作用,整體性能指標(biāo)良好。

2.5 超限結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計舉措

針對本項目①高度超限;②扭轉(zhuǎn)不規(guī)則;③樓板局部不連續(xù);④豎向抗側(cè)構(gòu)件不連續(xù)四項超限內(nèi)容。采取以下幾方面措施。

2.5.1 剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計

考慮到剪力墻結(jié)構(gòu)的承載力要求,則在結(jié)構(gòu)設(shè)計中,對底部加強區(qū)墻體結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強,確保受到重力荷載作用時,剪力墻結(jié)構(gòu)也能夠始終保持小于0.45的軸壓比。同時在剪力墻豎向以及水平方向的鋼筋率提到0.45%,滿足較高的配筋率需求,確保剪力墻結(jié)構(gòu)具有較強的承載力并適當(dāng)增強延性[4]。根據(jù)彈塑性時程分析結(jié)果,對剪力墻進(jìn)行了損傷分析,根據(jù)分析結(jié)果,在損傷底部加強較大部位設(shè)置型鋼。

2.5.2 框支框架結(jié)構(gòu)設(shè)計

考慮到主樓采用框支框架結(jié)構(gòu),在設(shè)計過程中,充分考慮地震作用影響下的安全需求,框支柱的軸壓比按0.55控制。同時通過增設(shè)芯柱的方式促使框支柱結(jié)構(gòu)具有更加良好的承載能力。

2.5.3 高位轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于本建筑工程第4層為轉(zhuǎn)換層,為轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu),該類型的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)具有一定的復(fù)雜性,為保障轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)具有良好的安全性與穩(wěn)定性表現(xiàn),在設(shè)計過程中對轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)采取加強措施。

(1)當(dāng)在保障符合該超限高層建筑工程使用功能并控制在工程預(yù)算范圍內(nèi)的基礎(chǔ)上,通過加大梁柱截面積的方式,促使框支剪力墻具有更高的抗側(cè)剛度,從而促使框架結(jié)構(gòu)能夠分擔(dān)較大剪力。

(2)在0.3V0以及1.5Vf·max二者中取較大值作為框支柱設(shè)計剪力,對框支柱進(jìn)行設(shè)計。

(3)復(fù)核轉(zhuǎn)換梁在小震彈性、中震彈性以及大震不屈服地震作用下等,在不考慮建筑墻體形成共同作用的基礎(chǔ)上,對組合效應(yīng)加以計算,并取其包絡(luò)值,確保轉(zhuǎn)換梁的承載力。

2.5.4 其他加強措施

(1)為解決結(jié)構(gòu)薄弱問題,通過增加樓板厚度的方式,通過樓板分析計算,板厚取150 mm,并按0.45%的配筋率對樓板進(jìn)行雙層雙向配筋設(shè)計。

(2)轉(zhuǎn)換層樓板厚取200 mm,并按0.30%以上的配筋率對樓板進(jìn)行雙層雙向配筋設(shè)計,從而是轉(zhuǎn)換層樓板能夠有效的傳遞水平力。

(3)其余樓層中的樓板厚度均不低于150 mm。

筆者結(jié)合某建筑工程實際案例,在設(shè)計中采用概念設(shè)計和抗震性能化設(shè)計方法,根據(jù)抗震原則及建筑特點,采用多種計算程序進(jìn)行了小震彈性、中、大震等效彈性和大震彈塑性的計算,對結(jié)構(gòu)的體系和構(gòu)件布置進(jìn)行了詳細(xì)分析,針對結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行針對性加強,保證整體結(jié)構(gòu)的可靠性、合理性和安全性。