淺談高層建筑框架核心筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

林曉偉

(廣州市景森工程設(shè)計(jì)顧問有限公司湛江分公司,廣東 湛江 524000)

1工程概況

某高層建筑項(xiàng)目包括高層辦公樓和沿街商業(yè)裙房，地下2層停車場，地面以下深度8.1m，地上21層，功能為商業(yè)辦公，結(jié)構(gòu)屋面高度78.2m，出屋面包含機(jī)房和設(shè)備間，機(jī)房屋面高度83.00m。高層辦公樓地上部分長50.2m，寬20.5m，建筑面積地上部分為28377m2，地下部分為 5700m2。

2結(jié)構(gòu)布置

根據(jù)建筑平面布置（見圖1）結(jié)構(gòu)體系采用框架－核心筒結(jié)構(gòu)。其中核心筒部分采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土筒體，外圍框架柱采用鋼筋混凝土柱，樓面梁采用普通梁，樓板采用現(xiàn)澆實(shí)心板。核心筒作為抵抗水平作用的主要構(gòu)件，外圍框架柱主要承受豎向荷載。在筒體洞口的布置上，盡量使洞口遠(yuǎn)離筒體角部，洞口間筒體墻肢均勻分布。框架柱考慮到剪力滯后效應(yīng)的影響，加大角柱的截面和配筋。

圖1 平面布置圖

工程結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限50年，抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類（丙類），抗震設(shè)防烈度7度，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10g。場地類別為Ⅳ類，特征周期0.90s，結(jié)構(gòu)阻尼比取0.05。按現(xiàn)行抗震規(guī)范，框架抗震等級(jí)為二級(jí)，核心筒抗震等級(jí)為二級(jí)。按現(xiàn)行高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程，本工程為對(duì)風(fēng)荷載比較敏感的的高層建筑且位于沿海地區(qū)，按規(guī)范取用100年重現(xiàn)期的基本風(fēng)壓：W=0.60kN/m2，地面粗糙度B類，基本雪壓S=0.20kN/m2。根據(jù)建筑豎向布置，對(duì)于高層辦公樓和沿街商業(yè)，因其地下一層位于堆土場地中且主樓/沿街商業(yè)與獨(dú)立辦公間土體無法對(duì)主樓地下一層形成穩(wěn)定有效約束，故結(jié)構(gòu)上僅考慮主樓地下2層為地下室，主樓地下一層結(jié)構(gòu)上按地上部分考慮；主體結(jié)構(gòu)以基礎(chǔ)頂板作為上部嵌固部位。主樓基礎(chǔ)埋深從獨(dú)立辦公基礎(chǔ)底算起，為6.62m，滿足規(guī)范基礎(chǔ)埋深1/18房屋高度的要求。高層辦公樓為大底盤單塔結(jié)構(gòu)，單塔與大底盤偏心距為底盤相應(yīng)邊長的16.3%（X向），5.8%（Y向）；

3超限情況分析及相應(yīng)的抗震措施。在考慮偶然偏心影響的地震作用下，樓層的最大彈性水平位移（或?qū)娱g位移）大于該樓層兩端彈性水平位移（或?qū)娱g位移）平均值的1.2倍，小于1.5倍，為平面扭轉(zhuǎn)不規(guī)則；二層平面，在入口大廳上方樓板開洞，開洞后樓板缺失，樓板局部不連續(xù)，平面不規(guī)則。二十層立面收進(jìn)，收進(jìn)尺寸與相鄰下一層之比為X向16.9%，Y向局部100%；二十一層處立面收進(jìn)，收進(jìn)尺寸與相鄰下一層之比為59.6%，豎向不規(guī)則。針對(duì)上述超限情況本工程采取了如下的抗震構(gòu)造和計(jì)算措施：⑴對(duì)于大底盤單塔，加厚大底盤頂板至250mm，并雙層雙向配筋；加強(qiáng)大底盤及上一層豎向構(gòu)件配筋，并嚴(yán)格控制軸壓比滿足規(guī)范要求，以提高豎向構(gòu)件的延性。⑵ 對(duì)于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，采用考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)的振型分解反應(yīng)譜法，計(jì)及扭轉(zhuǎn)影響，并控制樓層最大的彈性水平位移和層間位移的分別不大于樓層兩端彈性水平位移和層間位移平均值的1.4倍。⑶ 對(duì)于二層樓板局部不連續(xù)，設(shè)計(jì)中本層（5.400）板厚取為150mm，上（9.900），下 （0.00）層板厚為150mm，250mm，采取符合樓板平面內(nèi)實(shí)際剛度變化的彈性樓板計(jì)算模型，在樓板開大洞的部位附近設(shè)置能真實(shí)計(jì)算樓板平面內(nèi)與平面外剛度的“彈性樓板”計(jì)算模式，真實(shí)反應(yīng)出相應(yīng)部位的內(nèi)力結(jié)果，并加強(qiáng)樓板及相關(guān)梁配筋；對(duì)于樓板開洞形成的連層柱，設(shè)計(jì)加強(qiáng)連層柱的配筋率，連層柱抗震等級(jí)提高一級(jí)，嚴(yán)格控制柱軸壓比，并核對(duì)連層柱計(jì)算長度系數(shù)，合理確定連層柱的內(nèi)力。⑷ 對(duì)于豎向構(gòu)件局部收進(jìn)引起的側(cè)向剛度不規(guī)則，考慮突變樓層相交豎向構(gòu)件在上下一層范圍內(nèi)配筋予以加強(qiáng)，故計(jì)算時(shí)人為規(guī)定十九，二十，二十一層為薄弱層，對(duì)薄弱層的地震剪力乘以1.15的增大系數(shù)，對(duì)豎向構(gòu)件配筋予以加強(qiáng)以提高柱延性，并嚴(yán)格控制柱軸壓比小于規(guī)范限值；另加厚二十，二十一層樓板厚度，取為150mm，并加強(qiáng)樓板的配筋，以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗剪承載力，提高整體剛度，確保水平力的有效傳遞。

4結(jié)構(gòu)分析。

結(jié)構(gòu)分析的主要結(jié)果匯總及比較

4.1 計(jì)算軟件。本工程結(jié)構(gòu)的整體計(jì)算采用SATWE與PMSAP2008年10月版程序。

4.2 主要計(jì)算參數(shù)。抗震設(shè)防烈度為7度，場地類型為Ⅳ類，采用上海地區(qū)反應(yīng)譜。采用彈性樓板假設(shè)進(jìn)行整體分析，以考慮樓板剛度變化較大對(duì)水平力分配的影響.彈性時(shí)程分析取地面運(yùn)動(dòng)最大加速度為35cm/s2，選用三種地震波，其中一條人工波（上海人工波SHW2），另選取Ⅳ類場地,特征周期0.90s的兩條實(shí)際波。

4.3 反應(yīng)譜法主要計(jì)算結(jié)果。(1)計(jì)算得到的前3階模態(tài)的振動(dòng)周期結(jié)果列于表1，兩個(gè)程序計(jì)算得到的第1階模態(tài)均為X向平動(dòng)，扭轉(zhuǎn)模態(tài)為第3階。從表中可見，扭轉(zhuǎn)周期比滿足要求，有效質(zhì)量系數(shù)滿足要求。

表1 反應(yīng)譜法振動(dòng)周期

(2)反應(yīng)譜法計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)最大響應(yīng)位移結(jié)果見表2，分析表明，層間位移角及位移比均滿足要求，地震作用下的剪重比在正常范圍內(nèi)，且滿足最小地震作用的要求。

表2 反應(yīng)譜法結(jié)構(gòu)最大響應(yīng)位移

(3)地震作用下結(jié)構(gòu)的層剪力沿豎向的分布情況，結(jié)構(gòu)的層剪力沿豎向分布無明顯突變，滿足規(guī)范要求。

4.4 彈性分析主要計(jì)算結(jié)果。彈性動(dòng)力時(shí)程分析的層剪力沿豎向的分布情況，以上的計(jì)算結(jié)果表明，三種地震波彈性動(dòng)力時(shí)程分析所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值大于振型分解反應(yīng)譜法的計(jì)算結(jié)果的80%，最小值大于振型分解反應(yīng)譜法的計(jì)算結(jié)果的65%，可以滿足規(guī)范要求。通過以上計(jì)算與分析，可以看出本工程第一，第二振型均為平動(dòng)，扭轉(zhuǎn)為主的振型為第三振型，扭轉(zhuǎn)周期比滿足規(guī)范要求；層間位移角、位移比也均滿足要求，地震作用下的剪重比也在正常范圍，滿足最小地震力要求；彈性動(dòng)力時(shí)程分析的結(jié)果滿足規(guī)范要求。采用兩種程序計(jì)算的結(jié)果相差不大，總體上保持一致，雖然數(shù)值上有一定的微小差異，均在規(guī)范規(guī)定的合理范圍之內(nèi)。

結(jié)束語

綜上所述，通過對(duì)體型不規(guī)則的超限高層框架核心筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析，采用了彈性動(dòng)力時(shí)程分析方法進(jìn)行驗(yàn)證，分析結(jié)果表明本工程雖然為體型不規(guī)則的超限高層建筑，但由于在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采取了較為合理結(jié)構(gòu)布置，并對(duì)結(jié)構(gòu)的薄弱部位采取了有效的加強(qiáng)措施，減小了體型不規(guī)則對(duì)整體抗震性能的不利影響，結(jié)構(gòu)具有較好的抗震性能，計(jì)算結(jié)果滿足現(xiàn)行規(guī)范和規(guī)程的要求。

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