錯(cuò)層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析

楊 利

近年來(lái),人們生活水平不斷提高,對(duì)居住環(huán)境的要求越來(lái)越高,錯(cuò)層式住宅以其空間高低錯(cuò)落有致,使用靈活,合理,而且居住舒適等諸多優(yōu)點(diǎn),越來(lái)越受到人們的青睞。這種住宅多采用剪力墻結(jié)構(gòu)。但是錯(cuò)層結(jié)構(gòu),在結(jié)構(gòu)受力方面也有一些不利因素。《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(以下簡(jiǎn)稱《高規(guī)》)建議在抗震設(shè)計(jì)時(shí)高層建筑宜避免錯(cuò)層,同時(shí)對(duì)于錯(cuò)層剪力墻結(jié)構(gòu)比一般剪力墻結(jié)構(gòu)要求更嚴(yán)。如果結(jié)構(gòu)布置合理,從概念上進(jìn)行抗震性能優(yōu)化設(shè)計(jì),采取有效可靠的抗震措施,高層錯(cuò)層剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能完全可以滿足規(guī)范要求,本文結(jié)合某高層錯(cuò)層結(jié)構(gòu)工程實(shí)例,簡(jiǎn)單闡述了錯(cuò)層剪力墻結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì),建模計(jì)算及其抗震構(gòu)造措施等設(shè)計(jì)方法。

1 工程概況

本工程為新疆烏魯木齊西北路14號(hào)商住樓,集商場(chǎng)、普通住宅及公寓為一體的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1),總建筑面積為31 520 m2,建筑高度87.020 m。地下2層,地上28層,其中地上1層～3層為底商,4層～28層為住宅及公寓,住宅層高2.93 m,公寓層高4.89 m;住宅每5層與公寓每3層形成一個(gè)平層,屬于超限的鋼筋混凝土錯(cuò)層高層建筑。本工程為丙類建筑,設(shè)計(jì)使用年限50年,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)地震分組為第一組,場(chǎng)地類別Ⅱ類,基本風(fēng)壓取W0=0.6 kN/m2(按50年重現(xiàn)期)。本工程建筑場(chǎng)地土屬于中硬場(chǎng)地土,主體結(jié)構(gòu)采用梁式筏基,持力層為強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)泥巖,地基承載力特征值fak=400 kPa。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算分析

2.1 結(jié)構(gòu)選型

為滿足建筑使用功能要求,確保結(jié)構(gòu)的安全,本工程從概念設(shè)計(jì)入手,通過(guò)輸入不同地震波記錄,對(duì)不同結(jié)構(gòu)布局反復(fù)進(jìn)行層間水平位移、層間位移角、總體位移、扭轉(zhuǎn)效應(yīng)及其剛度、內(nèi)力分布等比較研究,以確定合理的結(jié)構(gòu)形式及布置;比較分析結(jié)構(gòu)薄弱部位,采取相應(yīng)的抗震構(gòu)造加強(qiáng)措施,最終確定采用每隔5層一個(gè)平層的剪力墻結(jié)構(gòu)。這些平層加強(qiáng)了各豎向抗側(cè)力結(jié)構(gòu)間的聯(lián)系,并對(duì)其采取加強(qiáng)措施,使其能更好的傳遞地震力,協(xié)調(diào)非錯(cuò)層豎向構(gòu)件及錯(cuò)層構(gòu)件的差異變形,確保結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。計(jì)算軟件以STAWE為主進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析,以ETABS進(jìn)行校核。兩個(gè)軟件都進(jìn)行了振型分解反應(yīng)譜法和彈性時(shí)程分析法分析。建模時(shí)剖面圖中所示的各個(gè)標(biāo)高均按獨(dú)立的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)層輸入,共計(jì)26個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層,總的結(jié)構(gòu)層數(shù)為41層。在確定計(jì)算參數(shù)時(shí),結(jié)構(gòu)體系采用復(fù)雜高層結(jié)構(gòu),抗震等級(jí)分別為:地下部分為三級(jí);錯(cuò)層處剪力墻為特一級(jí)(《高規(guī)》10.4.5條規(guī)定);其余部位剪力墻為一級(jí)。錯(cuò)層處剪力墻從下至上均為350 mm厚。其余部位剪力墻,從下至上,外墻為400 mm～200 mm厚,內(nèi)墻為350 mm～200 mm厚。結(jié)構(gòu)布置圖見(jiàn)圖2。

2.2 計(jì)算結(jié)果的分析與判斷

1)位移比。根據(jù)《高規(guī)》第4.3.5條規(guī)定,在考慮偶然偏心影響的地震作用下,樓層豎向構(gòu)件的最大水平位移和層間位移,復(fù)雜高層建筑不宜大于該樓層平均值的1.2倍,不應(yīng)大于該樓層平均值的1.4倍。由于本工程是錯(cuò)層結(jié)構(gòu),輸出的計(jì)算結(jié)果是每個(gè)結(jié)構(gòu)層的位移比,是包括了錯(cuò)層部位的,是失真的。而我們所需要的位移比是應(yīng)按實(shí)際樓層考慮的。所以我們?cè)谟?jì)算時(shí)選擇位移詳細(xì)輸出,每層的每個(gè)點(diǎn)的位移我們都可以查出來(lái)。一般最大位移往往發(fā)生在建筑物的四個(gè)角,我們查出四個(gè)角的最大位移后,并取其平均值作為平均位移。2)層間剛度比。根據(jù)《高規(guī)》第4.4.2條規(guī)定,抗震設(shè)計(jì)的高層建筑結(jié)構(gòu),其樓層側(cè)向剛度不宜小于相鄰上部樓層側(cè)向剛度的70%或其上相鄰3層側(cè)向剛度平均值的80%。由于本工程是錯(cuò)層結(jié)構(gòu),輸出的計(jì)算結(jié)果是每個(gè)結(jié)構(gòu)層的剛度比同樣也是失真的。所以也需要我們手工分析計(jì)算。地震剪力可以直接從程序的計(jì)算結(jié)果中選用。層間位移可按1)中的方法求得。3)周期比。根據(jù)《高規(guī)》第 4.3.5條規(guī)定,結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期與平動(dòng)為主的第一自振周期之比,復(fù)雜高層建筑不應(yīng)大于0.85。經(jīng)過(guò)咨詢中國(guó)建筑科學(xué)研究院PKPM軟件開(kāi)發(fā)工程師,對(duì)于錯(cuò)層結(jié)構(gòu),計(jì)算結(jié)果中的周期比是準(zhǔn)確的。

2.3 計(jì)算主要結(jié)果

1)振型分解反應(yīng)譜分析結(jié)果比較。本工程運(yùn)用反應(yīng)譜法求解多自由度體系一組振型中每一個(gè)振型的最大振型反應(yīng),然后將這些振型的最大值按“CQC”法進(jìn)行組合,以更好的近似估計(jì)結(jié)構(gòu)的最大反應(yīng)。分析中考慮了雙向水平地震作用,偶然偏心及扭轉(zhuǎn)效應(yīng),取36個(gè)振型參加組合,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可知,兩種計(jì)算軟件主要計(jì)算結(jié)果均差別不大。

表1 不同計(jì)算模型結(jié)果比較

2)彈性時(shí)程分析結(jié)果比較。《高規(guī)》第3.3.4條規(guī)定應(yīng)進(jìn)行彈性時(shí)程分析,我們分別輸入了兩個(gè)實(shí)際強(qiáng)震記錄,TH4TG035波和TH1TG040波及一個(gè)人工地震波User1波。輸入地震波的持續(xù)時(shí)間取1.2 s以上,采集時(shí)間間隔為0.02 s,地震加速度最大峰值為70 cm/s2,結(jié)構(gòu)阻尼比取0.05,為便于比較,將SATWE的反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果與時(shí)程分析的結(jié)果進(jìn)行比較,列入表2,人工波多條地震波輸入計(jì)算的平均結(jié)構(gòu)底部剪力值大于振型分解法計(jì)算結(jié)果的80%,而且單條地震波輸入計(jì)算的底部剪力值大于65%。

表2 基底剪力比較 kN

3 抗震構(gòu)造措施

1)剪力墻抗震構(gòu)造措施滿足抗震等級(jí)一級(jí)要求,錯(cuò)層處剪力墻按照特一級(jí)要求。底部加強(qiáng)位置取1層～4層,一級(jí)其墻肢軸壓比限值為0.5,特一級(jí)墻肢軸壓比限值為0.4。2)墻體配筋要求:底部加強(qiáng)區(qū)水平和豎向最小配筋率不小于0.4%,其他部位不小于0.35%。錯(cuò)層處剪力墻水平和豎向最小配筋率不小于0.5%。3)平層樓板避免了“一錯(cuò)到頂”,雙層雙向配筋,且每個(gè)方向的配筋率不宜小于0.25%,板厚取200 mm。4)結(jié)構(gòu)平面有三處凹口較大,為防止局部應(yīng)力集中,每層的三個(gè)凹口處均設(shè)板帶1 000 mm寬,300 mm厚,雙層雙向配筋,每層每向配筋率不小于0.25%。

4 結(jié)語(yǔ)

1)錯(cuò)層結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜,抗震性能較差,應(yīng)盡量回避錯(cuò)層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案。一旦確定為錯(cuò)層結(jié)構(gòu),盡量減少錯(cuò)層的范圍和錯(cuò)層的樓層數(shù),錯(cuò)層的兩側(cè)盡量采用結(jié)構(gòu)布置和側(cè)向剛度相近的結(jié)構(gòu)體系,并盡量選擇抗震性能好的剪力墻結(jié)構(gòu)。通過(guò)選擇合理的結(jié)構(gòu)形式,采用較規(guī)則的平面布置體系,加強(qiáng)抗震構(gòu)造措施,可以滿足規(guī)范抗震設(shè)計(jì)的要求。2)對(duì)于錯(cuò)層結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),應(yīng)更注重于概念設(shè)計(jì),既很好的保證結(jié)構(gòu)的安全性,又確保收到良好的經(jīng)濟(jì)效果。3)根據(jù)建設(shè)部令第111號(hào)的精神,對(duì)復(fù)雜的高層錯(cuò)層結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行專項(xiàng)審查,這也是保證錯(cuò)層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量的重要措施。

[1]JGJ 3-2002,高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[2]GB 50011-2001,建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]范俊梅.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問(wèn)題分析[J].山西建筑,2009,35(15):54-55.

[4]李國(guó)勝.多高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中疑難問(wèn)題的處理及算例[Z].2000.

[5]吳真一.錯(cuò)層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中若干問(wèn)題的探討[Z].2005.