某復雜結構超限高層建筑分析與設計

□文/張鳳華

某復雜結構超限高層建筑分析與設計

□文/張鳳華

天津市北辰區盛景酒店地下1層，地上7層，采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結構體系；是具有扭轉不規則、凹凸不規則、樓板局部不連續及側向剛度不規則等項的超限高層建筑。工程采用3種軟件進行小震下反應譜分析。計算結果表明，結構的周期比、剪重比、層間位移角等均滿足規范要求。在反應譜分析的基礎上，采用PK PM軟件對結構進行了彈性時程反應分析，結果顯示，彈性時程分析結果的平均值基本都小于反應譜分析的結果。在小震分析的基礎上，選取了幾個關鍵結構構件進行了中震不屈服校核，結果顯示，構件能夠滿足中震不屈服的性能目標；同時采用PU SH程序對其進行大震下的靜力彈塑性分析。

超限；高層建筑；復雜結構

1　工程概況

天津市北辰區盛景酒店總建筑面積約為9.0萬m2。地下1層，地上7層；地下室層高5.4m，首層層高6.0m，2層層高7.2m，3～7層層高均為4.2m（局部中間塔樓7層層高為6.0m），室內外高差為1.45m，建筑物總高為37.40m。地下建筑使用功能主要為車庫及設備、后勤、娛樂活動部分；1～2層主要為各種商務宴會廳及餐廳部分；3層以上為酒店客房部分。

2　風荷載和地震作用[1]

2.1風荷載

天津地區基本風壓為0.5 kN/m2(50 a一遇)，場地粗糙度為B類，體型系數取1.4，本工程風荷載作用下結構位移按50a一遇風荷載進行設計。

2.2地震作用

工程位于天津市北辰區，設計基本地震加速度為0.15g，抗震設防烈度為7度，設防地震分組為第二組，特征周期Tg為0.55 s；場地類別為Ⅲ類，阻尼比取0.05。水平地震影響系數最大值amax按表1選用。

表1　水平地震影響系數最大值

3　結構選型與布置

3.1結構體系

工程建筑體型大致情況：1～4層整體為大底盤，5層以上分為3個塔樓（中間部分為塔1，左側為塔2，右側為塔3）。大底盤部分不設置結構縫，保證建筑的外立面效果。結合建筑平立面的方案要求及結構專業規范要求，綜合多方面因素，采用框架-剪力墻結構體系，剪力墻主要布置在建筑的樓梯間、電梯間及建筑物的周邊。樓面體系采用現澆鋼筋混凝土主次梁樓蓋，局部樓板開洞。框架柱網尺寸主要為7.2m×7.2m。大底盤結構平面和上部3個塔樓的平面布置見圖2和圖3。

圖2　大底盤結構平面布置

圖3　分塔結構平面布置

3.2主要構件截面

大底盤局部31m跨宴會廳為提高結構的剛度和延性，有效控制柱截面尺寸，采用型鋼混凝土框架柱，柱截面為1000mm×1400mm；其余大部分柱截面2層以下為900mm×900mm，2層以上柱截面為800mm×800mm；墻混凝土強度等級從下到上由C45變化到C35，框架柱混凝土強度等級從下到上由C40變化到C35；縱筋鋼筋采用H RB500級鋼筋[2]。宴會廳屋頂采用鋼-混凝土組合梁；2層中廳花園屋蓋跨度分別為21.6m×21.6m及21.6m×27.9m，采用現澆預應力混凝土空心樓蓋；其余部分樓板采用鋼筋混凝土現澆樓板，板厚普遍為120mm，個別部位由于荷載較大或跨度較大等因素適當加大。

4　超限情況及解決方案

4.1超限情況

設計基準期為50 a，結構安全等級為二級，抗震設防類別為丙類。經過初步計算和結構桿件布置后，設計中主要存在以下特點及難點：

1）考慮偶然偏心時，3層X向最大層間扭轉位移比1.24，大于扭轉位移比1.2；

2）3層和4層局部凸出長度為相應邊長的36%，凹凸尺寸大于相應邊長30%；

3）有效寬度＜50%，開洞面積＞30%；

4）3層豎向構件收進＞25%；

5）1～3層存在穿層柱、7層頂塔樓局部構件轉換。

綜合以上幾點，根據GB50011—2010《建筑抗震設計規范》，主要存在以下不規則項目：扭轉不規則，凹凸不規則，樓板局部不連續及側向剛度不規則，屬特別不規則建筑。根據國家《超限高層建筑工程抗震設防管理規定》（建設部令第111號）和《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》的相關規定，本工程屬超限高層建筑。

4.2技術措施

由于結構不規則項較多，鑒于工程的重要性及復雜性，應比一般結構有更高的延性要求，因此結合工程特點及計算結果判斷薄弱部位，進行適當加強，主要有以下幾條措施：

1)適當加強1層和2層剪力墻厚度，提高墻體豎向分布筋的配筋率至0.5%，降低框架柱的軸壓比，使其具有較好的延性；

2)針對樓板不連續的情況，對每層樓板均加厚并雙層雙向配筋(也是針對結構超長的一個措施)，同時結構計算采用帶有彈性連接板帶，樓板分塊平面內剛度無窮大假定的力學模型進行結構分析，以準確分析樓板削弱處周圍構件內力，確保洞口周邊構件設計安全，分析地震力作用下樓板應力并按應力情況對樓板配筋進行調整，保證地震作用下樓板可以有效的傳遞水平力；

3)通過程序分析計算，對結構關鍵構件和薄弱部位構件的設計適當提高延性標準，采取性能化設計，以適應結構的抗震要求；

4)對塔樓局部轉換梁進行細致的應力分析并適當加強轉換梁的配筋。

4.3抗震設計預計性能目標

依據“小震不壞、中震可修、大震不倒”的設防水準，為控制結構在不同的地震設防水準下的破壞程度，設計時采用了基于性能設計的抗震設計方法[3]，對結構不同部位關鍵構件制定相應的性能目標，采取性能化設計。關鍵構件抗震設計的預期性能目標見表2。

表2　抗震性能目標

關鍵構件包括：

1）15軸和22軸分別與D、E、G軸相交的1500mm×1200mm框架柱；

2）M軸和S軸分別與10、12、13、14、15、17軸相交的1200mm×1200mm型鋼混凝土框架柱；

3）3軸和4軸分別與L軸、K軸相交的穿層框架柱；

4）2層屋面花園下大跨下混凝土框架柱；

5）F軸上和13、14軸相交的3層框架柱；

6）1層和2層底部加強部位的剪力墻。

5　結構計算分析

本工程在設計時主要進行了以下分析：

1）采用SATW E、PM SAP及YJ K3種程序對結構進行豎向荷載、風荷載、多遇地震下的彈性分析，包括彈性時程分析并比較計算結果；

2）采用PUSH&EPDA進行靜力彈塑性分析,分析主要構件不同設防標準地震作用下的彈塑性性能，在罕遇地震下的彈性變形；

3)對結構關鍵構件和薄弱部位構件的設計適當提高延性標準，根據抗震性能目標對其進行了中震作用下的復核設計。

5.1小震彈性分析

由于本工程體型復雜，存在超限情況，計算時采用SATW E、PM SAP及YJ K3種程序對結構進行豎向荷載、風荷載、多遇地震下的彈性階段對比分析。計算中考慮偶然偏心、雙向地震作用，模擬結構的施工順序；對結構樓層中有大開洞的樓板按彈性板建模考慮樓板平面內的變形。多遇地震下，3種軟件計算的結果見表3。

表3　SATWE軟件、PMSAP軟件、YJK軟件計算結果對比

續表3

從表3可以看出：3種軟件計算的動力特征基本接近，3種軟件計算結果吻合較好。結構第1扭轉周期與第1平動周期的比值均小于規范0.85的要求；結構在X、Y方向的層間位移角均小于規范1/800的要求，最大位移比均＜1.4的要求，同時也注意到有些樓層位移比超過1.2，說明結構存在扭轉不規則，需要采取一定的加強措施。

5.2彈性時程分析

根據高規規定，采用時程分析法時，應按建筑場地類別和設計地震分組選用實際強震記錄和人工模擬的加速度時程曲線。在地震加速度時程曲線的選擇時，主要考慮所選擇的曲線滿足本工程場地地震動的頻譜特性、有效峰值和有效持續時間3個要素的要求。

彈性時程分析時所取地面運動最大加速度為55g，選取2組人工波和5組天然波；輸入中考慮雙方向地震動的影響，兩方向加速度時程峰值比為1∶0.85。各條波結構基底剪力計算結果與反應譜的計算結果對比見表4。

表4　彈性時程分析結果

從表4可知，時程分析基底剪力滿足文獻[3]第4.3.5條的規定。每條時程曲線計算所得的基底剪力均大于反應譜計算所得基底剪力的65%，平均值大于反應譜計算所得基底剪力的80%，滿足規范的要求。

5.3中震不屈服設計

為驗算結構關鍵構件在設防地震下的承載能力，進行設防地震下的結構計算。中震不屈服設計可以看作是中震彈性設計的正常使用極限狀態，中震不屈服設計不考慮荷載分項系數，材料強度取標準值，不考慮承載力抗震調整系數和內力調整系數。計算結果表明，在中震作用下，關鍵構件均達到抗震設計要求的性能目標。

5.4罕遇地震下彈塑性時程分析

為實現“大震不倒”的抗震設防目標，對結構進行罕遇地震作用下的結構彈塑性變形驗算，采用中國建筑科學研究院PUSH＆EPDA軟件中的靜力推覆分析方法進行分析。

采用PUSH程序進行靜力彈塑性分析的模型直接讀取SATW E分析模型，模型中程序忽略了混凝土的抗拉能力，混凝土材料的受壓本構關系采用SAEN Z曲線模擬并進行適當的適用性簡化；鋼材的本構關系采用雙折線的彈塑性本構關系。梁、柱、支撐等一維構件采用纖維束模型模擬，剪力墻采用彈塑性墻單元來模擬。采用倒三角側向荷載分布模式和弧長控制增量法進行非線性靜力推覆分析，其大震作用下結構的供給-需求譜曲線見圖4。

圖4　大震作用下結構的供給-需求譜曲線

從圖4來看，該結構的能力曲線能夠穿越需求譜線，而且能力曲線和需求譜線的交點對應結構層間位移角為1/229，滿足規范1/100的要求，說明該結構滿足罕遇地震下“大震不倒”的抗震要求。

6　結論

本工程運用SATW E、PM SAP及YJ K3種程序對小震下的結構反應進行了分析，結果顯示，3種程序計算得到的結構各指標均相差較小，證明了計算結果的準確性、真實性；選取了7條地震波對結構進行了彈性時程分析；結果顯示，時程分析的結構底部總剪力的平均值均小于振型分解反應譜法得到的底部總剪力，說明按照振型分解反應譜法得到的結果對結構構件進行設計是安全可靠的。為滿足中震可修的設防目標，對結構在中震作用下結構關鍵構件的承載力進行了復核和包絡設計，使得結構能夠滿足抗震設計的性能目標。

[1]GB50009—2012，建筑結構荷載規范[S].

[2]GB50010—2010，混凝土結構設計規范[S]．

[3]JGJ 3—2010，高層建筑混凝土結構技術規程[S].

□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2015.03.026

□TU318

□C

□1008-3197（2015）03-67-04

□2015-01-15

□張鳳華/女，1982年出生，工程師，碩士，天津市港建建筑設計有限公司，從事建筑設計工作。