某框筒結(jié)構(gòu)的超限分析設(shè)計(jì)Transfinite Analysis Design of A Frame-tube Structure

來武清，包洪余，楊　越（中機(jī)中聯(lián)工程有限公司，重慶400039）

某框筒結(jié)構(gòu)的超限分析設(shè)計(jì)
Transfinite Analysis Design of A Frame-tube Structure

來武清，包洪余，楊越
（中機(jī)中聯(lián)工程有限公司，重慶400039）

重慶某工程辦公樓為B級(jí)高度框筒結(jié)構(gòu)，在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、樓板不連續(xù)等方面存在超限情況，且局部存在穿層柱和斜柱的抗震不利因素。超限分析設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了優(yōu)化，對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件選取了合理的性能目標(biāo)；進(jìn)行了小、中、大震下的各種分析驗(yàn)算和其他有針對(duì)性的補(bǔ)充分析，對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件提出了有針對(duì)性的超限措施。

框筒結(jié)構(gòu)；穿層柱；斜柱；超限措施

1　工程概況

重慶某工程是集超高層商務(wù)辦公、低層特色商業(yè)于一體的城市綜合體，地下3層車庫，地上40層辦公樓，3個(gè)避難層分別設(shè)置于10F、21F及32F。建筑的概況和地下、地上典型平面如圖1所示。

圖1　建筑概況

結(jié)構(gòu)形式為框架-核心筒結(jié)構(gòu)（底部12F設(shè)置型鋼柱），結(jié)構(gòu)總高度為193.7m，塔樓平面形狀為正方向，邊長(zhǎng)約41.6m，核心筒邊長(zhǎng)約為20.5m，框架柱與核心筒體外墻的軸線尺寸約為11.19m。

-1F和-2F車庫與一期地下車庫相連，設(shè)置100mm寬變形縫脫開。-1F和-2F僅西側(cè)和南側(cè)臨土，不具備嵌固條件。-3F四面臨土，四周均設(shè)置擋墻，能有效地傳遞水平地震力。故，將-3F頂板設(shè)置為結(jié)構(gòu)的嵌固端。

36F以上平面收進(jìn)2m，最初方案采用梁式轉(zhuǎn)換，為高位轉(zhuǎn)換；后經(jīng)驗(yàn)算討論采用兩層斜柱進(jìn)行轉(zhuǎn)換，斜柱與豎向間的夾角為13°，如圖2所示。斜柱方案結(jié)構(gòu)抗震性能、經(jīng)濟(jì)性均明顯優(yōu)于梁式轉(zhuǎn)換方案，且對(duì)建筑功能影響不大。

圖2　轉(zhuǎn)換形式對(duì)比

該工程從嵌固端算起的結(jié)構(gòu)高度為193.7m，超過規(guī)范6度區(qū)框筒結(jié)構(gòu)的A級(jí)高度限制（150m），屬于B級(jí)高度結(jié)構(gòu)。

2F樓板有效寬度約39%，小于40%的限值要求；扭轉(zhuǎn)位移比為1.39，超1.2；34F-36F存在斜柱；1F-3F存在穿層柱。

根據(jù)結(jié)構(gòu)超限情況，考慮到工程造價(jià)因素，該工程的抗震性能設(shè)計(jì)目標(biāo)等級(jí)定為D級(jí)［1-2］。按照《高規(guī)》3.11節(jié)的要求確定各類構(gòu)件的具體性能目標(biāo)，此處不再贅述。

針對(duì)工程的超限情況和性能目標(biāo)的要求，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了小震下的對(duì)比分析、小震下的彈性時(shí)程分析、中震下的等效彈塑性分析和大震下的動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析，及其他有針對(duì)性的補(bǔ)充分析。

2　小震彈性反應(yīng)譜對(duì)比分析

在小震彈性反應(yīng)譜分析時(shí)，采用satwe和m idas building兩款軟件對(duì)結(jié)構(gòu)的常規(guī)參數(shù)（質(zhì)量、周期、陣型、剛度比、抗剪承載力之比、作用力、位移、位移比、剪重比、整體穩(wěn)定、軸壓比、舒適度）進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比分析，主要對(duì)比結(jié)果如表1和圖3-圖6所示。

表1　小震彈性反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果對(duì)比

圖3　側(cè)向剛度比對(duì)比

圖4　抗剪承載力之比對(duì)比

圖5　框架承擔(dān)的傾覆力矩百分比對(duì)比

圖6　框架承擔(dān)的剪力百分比對(duì)比

可見，SATWE及Midas Building兩款軟件的小震彈性反應(yīng)譜分析計(jì)算結(jié)果吻合良好，分布規(guī)律相同，且滿足規(guī)范要求。驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)模型的正確性和合理性。

3　小震彈性時(shí)程分析

根據(jù)規(guī)范［1-2］的選波原則，選取一條人工波和兩條天然波（USA00361、USA00345）進(jìn)行時(shí)程分析。三條波的反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜的對(duì)比如圖7所示。

圖7　地震波反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜對(duì)比

前兩階周期上的譜值對(duì)比如表2所示。

表2　主要周期點(diǎn)上地震影響系數(shù)比較

由表2可知，多條地震波的平均地震影響系數(shù)和規(guī)范反應(yīng)譜地震影響系數(shù)在統(tǒng)計(jì)意義上相符。

各條波計(jì)算的底層剪力與CQC法計(jì)算的底層剪力對(duì)比如表3所示。

表3　小震彈性時(shí)程底層剪力與CQC法底層剪力的比較（kN）

各條波計(jì)算的最大樓層剪力和最大層間位移角分布如圖8和圖9所示。

圖8　小震彈性時(shí)程分析樓層剪力

圖9　小震彈性時(shí)程分析層間位移角

可見，各條波的彈性時(shí)程結(jié)果與CQC法計(jì)算結(jié)果接近，分布規(guī)律一致，且滿足規(guī)范要求。施工圖設(shè)計(jì)時(shí)采用彈性時(shí)程和CQC法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。

4　大震彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析

運(yùn)用midas building軟件，采用天然波USA00345對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大震彈塑性動(dòng)力時(shí)程反應(yīng)分析。計(jì)算的底層剪力時(shí)程曲線如圖10所示，最大層間位移角分布如圖11所示。

圖10　大震彈塑性時(shí)程分析底層剪力時(shí)程曲線

圖11　大震彈塑性時(shí)程分析樓層最大層間位移角

大震彈塑性時(shí)程分析的最大底層剪力為62209kN（X向）和69229kN（Y向），分別為小震CQC計(jì)算值的3.69和4.09倍。最大層間位移角為1/447（X向第22F）、1/430（Y向第31F），均滿足規(guī)范的彈塑性層間位移角限值（1/100）的要求。

框架和剪力墻的塑性發(fā)育情況如圖12和圖13所示。

圖12　框架塑性鉸發(fā)育示意圖

圖13　剪力墻塑性發(fā)育示意圖

由圖12可知，大震下處于開裂狀態(tài)的梁為94.3%（X方向）、91.1%（Y方向）；處于屈服狀態(tài)的梁僅為2.1%（X方向）、1.6%（Y方向），且處于屈服狀態(tài)的梁均為核心筒部位的連梁；沒有梁構(gòu)件達(dá)到極限狀態(tài)。處于開裂狀態(tài)的柱比例為2.8%（X方向）、11.2%（Y方向），柱鉸集中在結(jié)構(gòu)的底部和頂部；關(guān)鍵部位的柱子（穿層柱和斜柱）均未出鉸。

由圖13可知，大震下未屈服的墻元為94.3%（X向）、97.9%（Y向），其中部分有輕度損傷；屈服狀態(tài)的墻元僅為3.8%（X向）、1.5%（Y向），屈服墻元主要集中在結(jié)構(gòu)的中部樓層；達(dá)到極限狀態(tài)的墻元僅為1.9%（X向）、0.6%（Y向）。

可見，大震下框架和剪力墻損傷較輕，結(jié)構(gòu)能達(dá)到大震不倒的性能目標(biāo)，具有足夠的強(qiáng)度儲(chǔ)備。

5　其他針對(duì)性的補(bǔ)充分析

5.1穿層柱和斜柱的N-M相關(guān)承載力驗(yàn)算

性能設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)穿層柱和斜柱提出了中震彈性、大震不屈服的抗震性能目標(biāo)。用柱的實(shí)際配筋分別計(jì)算穿層柱（編號(hào)為柱1-柱3）和斜柱（編號(hào)為柱4-柱7）截面的彈性和不屈服N-M（軸力-彎矩）相關(guān)曲線。分別將等效彈性法計(jì)算的中震、大震下的柱的各荷載工況組合下的（M，N）內(nèi)力點(diǎn)繪于柱的N-M相關(guān)曲線的圖上，如圖14所示。

圖14　穿層柱和斜柱的N-M相關(guān)曲線及內(nèi)力點(diǎn)

可見，穿層柱和斜柱中震下各工況組合內(nèi)力點(diǎn)均落在彈性N-M相關(guān)曲線內(nèi)，大震內(nèi)力點(diǎn)均落在不屈服N-M相關(guān)曲線內(nèi)。表明穿層柱和斜柱在中震作用下處于彈性狀態(tài)，在大震作用下處于不屈服狀態(tài)。穿層柱和斜柱能滿足中震彈性、大震不屈服的性能目標(biāo)。

此外，按實(shí)際柱長(zhǎng)復(fù)核穿層柱的穩(wěn)定性，均滿足要求。

5.2斜柱對(duì)樓蓋的影響分析

結(jié)構(gòu)的第34F-36F的斜柱的水平分力將對(duì)第34F、35F和36F樓蓋產(chǎn)生影響。運(yùn)用m idas building軟件對(duì)此三層的樓蓋進(jìn)行詳細(xì)分析。分析發(fā)現(xiàn)與斜柱相連的梁出現(xiàn)較大的軸力。施工圖設(shè)計(jì)時(shí)，在梁的頂面和底面均勻配置額外的梁通常鋼筋抵抗梁的軸力。同時(shí)，對(duì)此三層樓板加厚，配筋根據(jù)樓板應(yīng)力需要雙層雙向加強(qiáng)。

6　加強(qiáng)措施

結(jié)合上述分析結(jié)果，施工圖設(shè)計(jì)時(shí)，從以下幾個(gè)方面采取加強(qiáng)措施。

（1）底部12層的外框柱設(shè)置成鋼管混凝土柱，以控制柱子的軸壓比和提高柱子的抗震性能。

（2）對(duì)穿層柱和斜柱縱筋率和箍筋率均放大，按實(shí)際柱長(zhǎng)復(fù)核穿層柱的穩(wěn)定性。

（3）增大底部加強(qiáng)區(qū)的剪力墻邊緣構(gòu)件的縱筋率和配箍率特征值。

（4）對(duì)與斜柱搭接的梁額外配置通常縱筋，以抵抗斜柱產(chǎn)生的梁軸力。對(duì)與斜柱相關(guān)的樓蓋加大板厚，配筋雙層雙向加強(qiáng)。

（5）其他有針對(duì)性的加強(qiáng)措施。

7　結(jié)論

該工程為B級(jí)高度框筒結(jié)構(gòu)，在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、樓板不連續(xù)、穿層柱和斜柱等方面存在超限情況。在設(shè)計(jì)中采用概念設(shè)計(jì)和抗震性能化設(shè)計(jì)方法［3-4］，對(duì)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了優(yōu)化比選。采用多種計(jì)算程序?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了小、中、大震下的詳細(xì)分析和其他有針對(duì)性的補(bǔ)充分析。對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件提出了有針對(duì)性的超限措施。

綜上所述，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理有效，且安全可行。

［1］JGJ3-2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

［2］GB50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

［3］徐培福.復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.

［4］朱炳寅.高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程運(yùn)用于分析JGJ3-2010［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

責(zé)任編輯：孫蘇，李紅

An office building in Chongqing isof frame-tube structurew ith B levelheight，and it has the transfinite issues in aspects like reversing irregularity and uncontinuous floor，w ith unfavorable anti-seismic factors of skip-floor column and inclined column in some parts.Transfinite analysis optim izes the structural system and selects reasonable performance goals for structure elements.Different analysis and computations are done under small，medium and big earthquakeaswellasothercomplementary analysis，w ith corresponding transfinitemeasures presented for structural components.

frame-tubestructure；skip-floor column；inclined column；transfinitemeasures

TU37

A

1671-9107（2015）05-0023-05

2015-03-10

來武清（1977－），男，湖北宜昌人，研究生，高級(jí)工程師，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)管理工作。