星海灣高層區(qū)1#樓結(jié)構(gòu)設(shè)計

辜晟杰

中元（廈門）工程設(shè)計研究院有限公司（361000）

星海灣高層區(qū)1#樓結(jié)構(gòu)設(shè)計

辜晟杰

中元（廈門）工程設(shè)計研究院有限公司（361000）

以實際工程為例，介紹了某框支剪力墻結(jié)構(gòu)計算分析、參數(shù)選取以及相應(yīng)的抗震構(gòu)造措施。這里著重介紹了框支剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震措施設(shè)計，強調(diào)了抗震概念設(shè)計對帶轉(zhuǎn)換層的高層結(jié)構(gòu)的重要性。

部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)；時程分析；轉(zhuǎn)換層；框支梁；框支柱

1 工程概況

該項目為星海灣高層區(qū)1、2#樓，位于同安區(qū)。總建筑面積218 409.8 m2，地上建筑面積178 138.5 m2，地下建筑面積32 433.3 m2。現(xiàn)以1#樓為例進行介紹，1#樓地上45層，建筑高度151.95 m，屬于超高層建筑。

本工程屬丙類建筑抗震設(shè)防類別，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級。所在地區(qū)的抗震設(shè)防烈度7℃，設(shè)計基本地震加速度為0.15 g。水平地震影響系數(shù)最大值amax=0.110，特征周期Tg=0.45S（安全性評估報告提供）。場地類別屬II類；基本風壓值W為0.80 KN/m2。地面粗糙度類別為A類,風載體型系數(shù)1.4。

2 結(jié)構(gòu)體系與結(jié)構(gòu)分析

本工程屬于平面規(guī)則，豎向不規(guī)則（帶轉(zhuǎn)換）的超B級復雜高層建筑。由于高寬比較大，在平面布置上，除核心筒外，盡量將剪力墻均勻布置在結(jié)構(gòu)的四周，四周的剪力墻也相應(yīng)加厚。使結(jié)構(gòu)平面剛度均勻，減少結(jié)構(gòu)在地震作用下的扭轉(zhuǎn)、提高了結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)性能也滿足建筑空間使用需要。本工程一層為入戶大堂，由于空間及功能使用的需要，上部墻體不能全部落地，因此結(jié)構(gòu)體系采用部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換層位于第二層。

圖1 標準層平面簡圖

圖2 轉(zhuǎn)換層平面簡圖

2.1 結(jié)構(gòu)計算程序及注意事項

本工程結(jié)構(gòu)整體分析采用的軟件:PKPMSATWE及ETABS進行整體計算。

1）在程序的前編輸入“結(jié)構(gòu)體系”中選取“復雜高層”體系，應(yīng)指明為底部帶轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)，同時定義轉(zhuǎn)換梁所在樓層為“轉(zhuǎn)換層”。

2）程序平面輸入時人工指定框支柱、框支梁。在平面輸入時指定轉(zhuǎn)換構(gòu)件，確保程序計算時能按相關(guān)規(guī)范要求，對轉(zhuǎn)換構(gòu)件在水平地震作用下的計算內(nèi)力進行放大，對框支柱的水平地震剪力進行調(diào)整等。

3）定義轉(zhuǎn)換層及上下各一層樓板為“彈性膜”。由于托墻梁上部剪力墻的墻拱作用，會使下部托墻梁產(chǎn)生軸向拉力，如果樓板為剛性樓板假定，梁的軸力將會被忽略。

4）根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》規(guī)定，帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)，其框支柱承受的地震剪力標準值應(yīng)按照規(guī)范進行0.2Q調(diào)整。

2.2 結(jié)構(gòu)分析的主要結(jié)果

1）地震及風荷載作用下計算結(jié)果比較如表1所示:

SATWE和ETABS的計算水平地震作用結(jié)果基本吻合，指標基本滿足規(guī)范要求。Y方向風荷載作用下的最大層間位移角超過1/1 000的要求，但經(jīng)扣除整體彎曲變形轉(zhuǎn)角產(chǎn)生的側(cè)移，樓層層間位移角均為1/1 000以上，可能滿足規(guī)范要求。本工程根據(jù)專家審查意見的建議“控制頂點位移和舒適度”,對結(jié)構(gòu)樓層頂點最大加速度在順風向與橫風向下分別進行驗算，都能滿足規(guī)范要求。

計算結(jié)果還表明，結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度下大上小逐漸變化，轉(zhuǎn)換大梁所在的樓層附近未發(fā)生剛度突變，結(jié)構(gòu)層間位移角也沒有發(fā)生突變。主要原因在于，本工程雖然是豎向構(gòu)件轉(zhuǎn)換的超限高層，但僅局部墻體在豎向上轉(zhuǎn)換，作為主要抗側(cè)力構(gòu)件的核心筒體在高度方向上是連續(xù)的，因此結(jié)構(gòu)體系抗震性能良好。超限設(shè)計的重點應(yīng)該放在于抬墻轉(zhuǎn)換大梁與大梁相連的框支柱上，盡量提高轉(zhuǎn)換梁與框支柱的抗震能力。

表11 地震及風荷載作用下計算結(jié)果比較

2）采用彈性時程分析進行多遇地震下的補充驗算，時程分析采用“中國建筑科學研究院工程抗震研究所”提供的三條場地實測地震波，其中兩條天然波，一條人工波。由時程分析結(jié)果得知：每條時程曲線計算所得結(jié)構(gòu)底部剪力均不小于振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的65%，三條時程曲線計算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值不小于振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的80%。

3）本工程房屋高度屬于B級，底部存在豎向不規(guī)則的情況，為查找結(jié)構(gòu)薄弱部位，明確結(jié)構(gòu)在大震下的屈服機制，進行了彈塑性分析。為保證結(jié)構(gòu)在大震作用下具有足夠的延性和抗倒塌能力，采用EPDA&PUSH程序進行彈塑性靜力時程分析，分析結(jié)果如圖3所示:

2）采用彈性時程分析進行多遇地震下的補充驗算，時程分析采用“中國建筑科學研究院工程抗震研究所”提供的三條場地實測地震波，其中兩條天然波，一條人工波。由時程分析結(jié)果得知：每條時程曲線計算所得結(jié)構(gòu)底部剪力均不小于振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的65%，三條時程曲線計算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值不小于振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的80%。

3）本工程房屋高度屬于B級，底部存在豎向不規(guī)則的情況，為查找結(jié)構(gòu)薄弱部位，明確結(jié)構(gòu)在大震下的屈服機制，進行了彈塑性分析。為保證結(jié)構(gòu)在大震作用下具有足夠的延性和抗倒塌能力，采用EPDA&PUSH程序進行彈塑性靜力時程分析，分析結(jié)果如圖3所示:

圖33 彈塑性靜力時程分析結(jié)果

結(jié)論:①在所選3條地震波的作用下,結(jié)構(gòu)X向最大層間位移為1/256，Y向最大層間位移為1/ 163；罕遇地震作用下，各結(jié)構(gòu)單體均無薄弱樓層，最大層間位移滿足規(guī)范1/120的限值要求。②結(jié)構(gòu)能滿足多遇地震下的強度要求和大震下結(jié)構(gòu)變形的要求。

4）框支剪力墻有限元分析。運用框支剪力墻有限元分析程序FEQ對框支梁,框支柱及相鄰墻體進行有限元分析，結(jié)果顯示框支梁偏心受拉特性明顯，截面大部分應(yīng)力為拉應(yīng)力，框支梁跨中截面頂部區(qū)域雖然處于壓應(yīng)力狀態(tài)，但數(shù)值不大。框支梁，框支柱配筋采取整體計算和FEQ計算。

結(jié)論:①在所選3條地震波的作用下,結(jié)構(gòu)X向最大層間位移為1/256，Y向最大層間位移為1/ 163；罕遇地震作用下，各結(jié)構(gòu)單體均無薄弱樓層，最大層間位移滿足規(guī)范1/120的限值要求。②結(jié)構(gòu)能滿足多遇地震下的強度要求和大震下結(jié)構(gòu)變形的要求。

4）框支剪力墻有限元分析。運用框支剪力墻有限元分析程序FEQ對框支梁,框支柱及相鄰墻體進行有限元分析，結(jié)果顯示框支梁偏心受拉特性明顯，截面大部分應(yīng)力為拉應(yīng)力，框支梁跨中截面頂部區(qū)域雖然處于壓應(yīng)力狀態(tài)，但數(shù)值不大。框支梁，框支柱配筋采取整體計算和FEQ計算。

3 抗震措施

3.1 框支柱設(shè)計

本工程框支柱抗震等級為特一級，采用型鋼混凝土柱，框支柱設(shè)計可滿足以下要求:

1）底層柱下端及與轉(zhuǎn)換層相連的柱上端的彎矩增大系數(shù)取1.8，其余層柱端彎矩增大系數(shù)ηc應(yīng)增大20%;柱端剪力增大系數(shù)ηvc應(yīng)增大20%;地震作用產(chǎn)生的柱軸力增大系數(shù)取1.8,計算柱軸壓比時不計該項增大。2）鋼筋混凝土柱柱端加密區(qū)最小配箍特征值λv應(yīng)按本規(guī)程表6.4.7的數(shù)值增大0.03，且箍筋體積配箍率不應(yīng)小于1.6%；全部縱向鋼筋最小構(gòu)造配筋百分率取1.6%。

3.2 剪力墻設(shè)計

1）底部加強部位及其上一層的彎矩設(shè)計值應(yīng)采用墻底截面組合彎矩計算值的1.1倍；其他部位可采用墻肢組合彎矩計算值的1.3倍；底部加強部位的剪力設(shè)計值，應(yīng)考慮采用地震作用組合的剪力計算值的1.9倍；其他部位的剪力設(shè)計值，應(yīng)采用地震作用組合的剪力計算值的1.2倍。

本工程框支柱抗震等級為特一級，采用型鋼混凝土柱，框支柱設(shè)計可滿足以下要求:

1）底層柱下端及與轉(zhuǎn)換層相連的柱上端的彎矩增大系數(shù)取1.8，其余層柱端彎矩增大系數(shù)ηc應(yīng)增大20%;柱端剪力增大系數(shù)ηvc應(yīng)增大20%;地震作用產(chǎn)生的柱軸力增大系數(shù)取1.8,計算柱軸壓比時不計該項增大。2）鋼筋混凝土柱柱端加密區(qū)最小配箍特征值λv應(yīng)按本規(guī)程表6.4.7的數(shù)值增大0.03，且箍筋體積配箍率不應(yīng)小于1.6%；全部縱向鋼筋最小構(gòu)造配筋百分率取1.6%。

1）底部加強部位及其上一層的彎矩設(shè)計值應(yīng)采用墻底截面組合彎矩計算值的1.1倍；其他部位可采用墻肢組合彎矩計算值的1.3倍；底部加強部位的剪力設(shè)計值，應(yīng)考慮采用地震作用組合的剪力計算值的1.9倍；其他部位的剪力設(shè)計值，應(yīng)采用地震作用組合的剪力計算值的1.2倍。

2）一般部位的水平和豎向分布鋼筋最小配筋率為0.35%；底部加強部位的水平和豎向分布鋼筋的最小配筋率為0.4%;約束邊緣構(gòu)件縱向鋼筋最小構(gòu)造配筋率為1.4%；配箍特征值宜增大20%；構(gòu)造邊緣構(gòu)件縱向鋼筋的配筋率不應(yīng)小于1.2%。

3）框支剪力墻結(jié)構(gòu)的落地剪力墻底部加強部位邊緣構(gòu)件宜配置型鋼，型鋼宜向上、下各延伸一層。

3.3 框支梁設(shè)計

本工程框支梁采用型鋼混凝土梁，由于框支梁受力巨大且受力情況復雜。它不但是上下層荷載的傳輸樞紐，也是保證框支剪力墻抗震性能的關(guān)鍵部位，是一個復雜而重要的受力構(gòu)件，因而在設(shè)計時留有較多的安全儲備。滿足下列要求:1）梁端剪力增大系數(shù)ηvb增大20%；2）梁端加密區(qū)箍筋構(gòu)造最小配箍率增大10%。

3.4 轉(zhuǎn)換層樓板的設(shè)計

框支剪力墻結(jié)構(gòu)以轉(zhuǎn)換層為分界，上下兩部分的內(nèi)力分布規(guī)律不同。在上部樓層，外荷載產(chǎn)生的水平力大體上按各片剪力墻的等效剛度比例分配；而在下部樓層，由于框支柱與落地剪力墻間的剛度差異，水平剪力主要集中在落地剪力墻上，即在轉(zhuǎn)換層處荷載分配產(chǎn)生突變。因此，轉(zhuǎn)換層樓板承擔著完成上下部分剪力重分配的任務(wù)。由于轉(zhuǎn)換層樓板自身平面內(nèi)受力很大，而變形也很大，所以轉(zhuǎn)換層樓板必須有足夠的剛度作為保證。轉(zhuǎn)換層樓板厚度取180 mm，12@200鋼筋雙層雙向整板拉通,另外，為了協(xié)助轉(zhuǎn)換層樓板完成剪力重分配，將轉(zhuǎn)換層上層樓板厚度適當增加，取150 mm。

4 結(jié)語

帶轉(zhuǎn)換層的超限復雜高層結(jié)構(gòu)，通過合理的結(jié)構(gòu)選型，合理地選擇計算模型和計算參數(shù)，同時對轉(zhuǎn)換層構(gòu)件采取相應(yīng)抗震構(gòu)造措施，保證結(jié)構(gòu)有良好的抗震性能。采用型鋼混凝土構(gòu)件，不但提高了構(gòu)件的延性也大大減少了構(gòu)件的截面。在滿足建筑功能要求的前提下，也靈活應(yīng)用了結(jié)構(gòu)形式的合理性。

[1]JGJ 3-2010,高層混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].中國建筑工業(yè)出版社.

[2]GB 50011-2010,建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].中國建筑工業(yè)出版社.

[3]JGJ 99-98,高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程[S].中國建筑工業(yè)出版社.

[4]高立人,方鄂華,錢稼茹.高層建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計[M].中國計劃出版社,2005.