某商業建筑結構設計分析

張進寶 張 帆 陳 磊

(天津市建筑設計院，天津 300074)

·結構·抗震·

某商業建筑結構設計分析

張進寶 張 帆 陳 磊

(天津市建筑設計院，天津 300074)

結合某商業建筑結構設計實例，為滿足建筑的造型和空間需求，對結構存在樓層局部收進以及樓板局部不連續等超限現象進行了探討，并采用多種有限元模型分析軟件作了研究，根據分析結果提出了解決措施，使結構達到安全可靠的目標。

“桶箍”效應，抗扭剛度，樓層局部收進，樓板局部不連續

1 工程概況

該商業項目，地處天津經濟技術開發區西區，基地規劃總用地面積為28 560.8 m2，用地為城市空地，地勢平坦。場地內一、二期分期建設，東側為一期，西側為二期。本次設計范圍為一期工程，性質為商業綜合體建筑，總建筑面積為16 026.94 m2，其中地上15 410.46 m2，地下616.48 m2。建筑總高度21.40 m，地上4層：首層5.7 m，二層和三層5.4 m，四層4.5 m；局部設置1層地下室，地下室層高為4.50 m。建筑效果圖見圖1。

2 結構體系

本工程平面體型不規則，上面部分為等邊三角形，下面為平行四邊形，中間有相交部分。除平面體型外，豎向體型也存在較大收進，即二層以上收進形成“葉形”平面。

經過比較，確定采用框剪結構體系：在平行四邊形和等邊三角形的轉角處設置剪力墻，最大墻厚為700 mm，隨高度增加逐步減小為350 mm；框架柱截面普遍為700 mm×700 mm，局部由于建筑需要改為φ700 mm圓柱；建筑物周邊以強框架梁連接，形成“桶箍”效應。這樣便較為理想解決了純混凝土框架體系在層間位移角和扭轉位移比上出現的不足(見表1)。

表1 主要指標對比

3 基礎設計

本工程地基基礎設計等級為甲級，建筑樁基設計等級也為甲級，設計分析計算采用JCCAD。根據詳勘報告所提供的資料，該工程場地類別為Ⅳ類，非液化場地，原始地貌屬于沖積～海積平原，土層分布較為均勻，以粉土，粉質粘土為主，但在淺基礎范圍內存在⑥2層淤泥質粉質粘土，呈流塑狀態，具有高靈敏，低強度，極易發生擾動的特殊性，工程性質極差。所以，根據場地的實際情況和柱底內力情況，工程采用預制鋼筋混凝土方樁基礎。預制鋼筋混凝土方樁具有樁身承載力高，質量可靠，施工質量比灌注樁易于保證，而且施工方便快捷等優點。樁端持力層定為⑨3層(粉質粘土)，樁長30 m，截面為500 mm×500 mm，工程樁靜載試樁所得到的單樁豎向極限承載力標準值為3 050 kN。多數為多樁承臺(兩樁～六樁)，局部有單樁承臺，雙向設置拉梁。

4 結構分析

4.1 設計參數

根據建筑物功能特性，工程結構抗震設防分類確定為重點設防類(乙類)，設計使用年限為50年，結構安全等級為二級，抗震設防烈度為7度，設計地震分組為第二組，設計基本地震加速度值為0.15g；場地類別為 Ⅳ 類，場地特征周期為0.75 s；基本風壓為0.55 kPa(50年重現期)，地面粗糙度為C類。周期折減系數取為0.8。

4.2 結構整體分析

結構整體分析采用PKPM系列的SATWE，并采用CSI系列的ETABS(9.7.4)進行復核。主要整體指標詳見表2。

表2 結構主要整體指標對比

ETABS中剪力墻采用殼單元模擬，梁柱均采用桿單元，樓板采用膜單元模擬，對于與剪力墻面內相連且跨高比小于5的連梁采用殼單元模擬。ETABS整體分析模型見圖2。

4.3 分析結果

由表2可以看出，ETABS與SATWE的分析結果基本一致，誤差范圍小于5%。結構的周期比、剪重比、層間位移角等總體性指標均滿足規范指標。而且從結構的周期比小于0.85，扭轉位移比小于1.20，可知結構的整體抗扭性能出色。

經過對兩種力學模型的周期，周期比以及位移比等指標的對比，發現ETABS模型的結構抗扭性能更加出色。筆者判斷其中的原因為：與連梁和剪力墻之間的約束形式有關。SATWE的連梁是采用桿單元建模，所以與剪力墻之間形成的是約束能力較差的點約束；而ETABS中連梁是采用殼單元建模，與剪力墻上的殼單元形成約束作用更強的線約束，從而形成抗側力效果更好的體系，分析結果更符合實際情況。

5 關于樓層局部收進的設計措施

根據GB 50011-2010建筑抗震設計規范中第3.4.3條規定：“平面凹進的尺寸，大于相應投影方向總尺寸的30%”，可判定為凹凸不規則，即樓層局部收緊。本工程等邊三角形部分在零層～二層區間腰長投影長度有102 m，而三層～屋面區間局部收進近40%至63 m，如圖3所示。

體型收進會造成結構豎向抗側剛度不連續，在體型收進結構的層間位移會有突變，豎向構件的內力會明顯增大，尤其對建筑物周邊以及收進處的豎向構件，內力突變更加明顯，對結構整體抗震不利；另外，體型收進還有可能造成偏心，底部相鄰結構會因受到扭轉效應的影響，從而底部結構的周邊構件內力加大。以上兩點應在構件設計中予以足夠的重視。

從體型上來說，該工程具有典型的收進結構特征，而且經過分析計算，通過表2可以發現地震作用下最大層間位移角均發生在第三層(收進層)，并且相關構件內力與樓層偏心情況均符合上述特征(見圖4，圖5，表3)。所以，在后續構件設計中對于相關構件的抗彎與抗剪均采取相應的加強措施。

表3 收進層偏心情況

層數質心/m剛心/mXYXY二層58．75761．90159．01155．849三層(收進層)51．80655．01953．81956．475偏心率/%886-0．7注：偏心率中符號表示方向

同一根框架柱在二層(左)與三層(右)的配筋比較見圖6。

為了確保樓板能夠在各工況下安全工作，在設計中主要采取了以下措施：樓板普遍厚度為120 mm，在樓板大開洞處和周邊相鄰部位以及樓層局部收進部位，板厚增加到150 mm，并采用彈性板分析計算。同時，為更準確的評估各工況下的樓板工作情況，采用有限元法對樓板應力水平進行分析。樓板采用殼單元模擬。分析結果如下：

1)在X，Y向的水平地震單工況下，全樓樓板的拉應力水平較低，小于1 MPa，小于C30混凝土的抗拉強度；但在剪力墻和樓板大開洞周邊等的剛度有較大突變的部位，尤其是剪力墻與面內框架梁的交點處，出現了較大的拉應力，最大應力水平約為5.5 MPa，遠超過混凝土的抗拉強度。處理措施為拉應力全部由鋼筋承擔，剪力墻支座處配備足量附加鋼筋，適當控制樓板裂縫水平。

2)在恒、活等豎向荷載組合作用下，如圖7所示的板塊，雖為四邊支撐，但從實際受力狀態來看，應屬于三邊支撐的懸挑板，上部連續一側呈現出較大的負彎矩。究其原因在于，下端封口梁截面較小，支座效應較弱。設計中應對此處的支座負筋進行適當加強。

6 中、大震下的結構變形驗算

根據《抗規》中第5.5.2條：“7度Ⅲ，Ⅳ場地和8度時的乙類建筑中的鋼筋混凝土結構和鋼結構宜進行彈塑性變形驗算”的規定，并且進一步掌握結構在中、大震下的性能表現，以達到“中震可修、大震不倒”的性能目標，對結構進行設防地震與罕遇地震作用下的結構彈塑性變形驗算，分析采用PKPM的PUSH&EPDA模塊中的靜力推覆(PUSHOVER)分析方法進行。

主要控制參數設置為：荷載類型為倒三角形；豎向荷載作用方式為桿間；材料強度采用標準值；桿元分段數為6。分析結果見圖8，圖9，表4。

從圖8，圖9的計算結果表明：在罕遇地震工況下，結構的能力曲線在X，Y方向下均與需求曲線存在交點，即性能點，且與性能點所對應的層間位移角均可滿足《抗規》中關于彈塑性層間位移角限值(1/100)的要求，說明結構滿足“大震不倒”的抗震要求。

表4 靜力彈塑性分析結果

7 結語

1)本工程體型復雜，平面不規則，經過方案對比，框架剪力墻體系可以較好同時滿足結構對于抗側剛度和延性的要求。而且通過剪力墻位置的合理布置，用強框梁與框架柱相連，形成“桶箍”效應，為結構提供良好的抗扭剛度。2)SATWE和ETABS對于連梁及其約束形式的不同處理方式，會對整體指標造成相應的影響。另外，對于剪力墻和樓板的劃分精度也會對結構計算產生一定的影響。3)對于樓層局部收進對結構造成的抗側剛度突變，在進行構件設計時，應對收進層周邊的豎向構件的抗剪和抗彎性能進行著重加強；由樓層收進產生的偏心會對結構的抗扭不利，本例中采用加高周邊框架梁的方法較好的解決此類問題。4)由于框剪體系中框架和剪力墻的剛度差異，樓板在剛度突變處很容易形成應力集中，應注意對這些部位的樓板進行相應的加強；此外，對于支撐于懸挑梁上，從框架內延伸出來的樓板，支座負筋應予以適當加強。5)根據靜力彈塑性分析的結果，結構本身能夠滿足“大震不倒”的抗震要求。另外，在滿足結構的抗震性能之外，也同時兼顧了建筑經濟性的需求。

[1] GB 50007-2010，建筑抗震設計規范[S].

[2] 史靜賢.淺談高層建筑體型收進和外挑結構的設計[J].有色金屬設計,2010,37(1)：29-30.

[3] 方鄂華,程懋堃.關于規程中對扭轉不規則控制方法的討論[J].建筑結構,2005,35(11)：61-63.

[4] PUSH&EPDA用戶手冊[M]．北京:中國建筑科學研究院，2008．

The design analysis on a commercial building structure

ZHANG Jin-bao ZHANG Fan CHEN Lei

(TianjinArchitecturalDesignInstitute,Tianjin300074,China)

Combining with the structure design of a commercial building as an example, in order to meet the architectural space and shape demands, this paper discussed the local income and floor partial discontinuity and other overrun phenomenon, and made research using many finite element model analysis software, based on the analysis results put forward some measures, to achieve safe and reliable target of structure.

“hoops” effect, torsional stiffness, floor local income, floor partial discontinuity

2014-07-14

張進寶(1959- )，男，高級工程師； 張 帆(1986- )，男，工程師； 陳 磊(1981- )，男，工程師

1009-6825(2014)27-0032-03

TU247

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