回字形建筑在地震作用下的設計研究

張秀華　張國輝

(大連經濟技術開發區規劃建筑設計院，大連　116000)

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回字形建筑在地震作用下的設計研究

張秀華張國輝

(大連經濟技術開發區規劃建筑設計院，大連116000)

本項目主樓平面尺寸為99m x 79m，高度為60m，由四個剛度不同的塔樓組成的回字形結構。針對工程的特點、超限情況，基于性能化結構抗震設計，在多遇地震作用下采用陣型分解反應譜法和彈性時程分析方法進行結構整體計算分析、穩定分析，對以上分析結果中的薄弱部位及關鍵部位采用相應構造措施，以保證抗震性能目標的實現。結果表明該結構體系是安全、可行的。

超長結構； 復雜工程； 時程分析； 大底盤； 多塔樓

1　項目概況

大名工業園項目位于大連市金州新區黃海西六路與東北大街交界處，為新區產業園配套的集辦公、科研研發、公寓宿舍項目。回字形結構主樓為產業園標志性建筑。單體建筑總面積約7萬m2，地上建筑面積約6萬m2，地下建筑面積約1萬m2。其中地下一層局部為核6級、常6級甲類防空地下室，局部為配套附屬用房。地上一層功能為入戶、辦公大廳，層高6m； 地上二層-五層功能為科研研發，層高5.4m； 地上六層及以上為公寓宿舍，層高5.4m。共計十一層，建筑總高度60m，建筑物平面呈回字形(見圖1)，尺寸為99m x 79m，其中內庭尺寸為51m x 47m。

圖1　標準層建筑平面圖

2　結構體系

工程所在地抗震設防烈度為7度，設計地震分組為第一組，設計基本地震加速度值為0.15g，水平地震影響系數最大值為0.12(多遇地震作用下)，場地類別：二類(場地特征周期為0.35s)，結構阻尼比為0.05，整體結構呈回字形，屬于平面不規則形狀建筑，同時結構平面尺寸超出《混凝土結構設計規范》GB50010-2010條文8.1.1伸縮縫最大間距較多。整體上柱網尺寸約為5.7mx8.1m，局部布置少許剪力墻。由于建筑物使用功能所限東、西建筑物(圖2中第2、4塔樓)地上一層為入戶大廳等大空間，同時地下室為機械車位，布置剪力墻受限，只能采用框架結構； 豎向高度超過《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ3-2010條文3.3.1中A級框架最大適用高度20%。南、北建筑物(圖二中第1、3塔樓)充分利用豎向交通房間布置剪力墻，可以采用框架-剪力墻結構。

圖2　結構方案一

圖3　結構方案二

功能要求高端、復雜的同時給結構設計造成很多困難。經過多方案的比較，最終確定上部結構不設縫，結構為一整體大塔樓(見圖3)，這樣在結構設計上雖為一整體，但是四部分剛度相差較懸殊，通過增減剪力墻使其整體結構雙方向動力特性接近，同時對薄弱部位進行加強，方便達到抗震設防目標。

結構主體計算高度為60 m，根據計算確定為框架-剪力墻結構，鋼筋混凝土主梁+大板樓面體系，框架柱截面采用900～600mm，核心筒及剪力墻墻體厚400～200mm，混凝土采用C50-30混凝土。為控制主體扭轉和側向位移，結合主體內庭凹角處設置陰角抗拉加腋梁板。加腋梁板單向全截面縱向總配筋率均不小于1%。

3　結構設計與計算

為確保工程安全可靠，全面分析本項目各種地震作用的不利情況，對本項目結構方案選取做了專門分析，結構方案一為設置四條伸縮縫，將主體切割成四個獨立矩形結構塔樓(見圖2)，采取各自獨立結構體系分析計算，結構方案二為整體不設縫，按回字形樓設計(見圖3)對主體進行薄弱計算，針對薄弱部位采取相應加強措施。兩種方案主要計算結果見表1、2、3。

表1　整體結構總質量、基底剪力、有效質量系數表

位置總質量(t)X向基底剪力(KN)Y向基底剪力(KN)有效質量系數塔樓149153.43410566.6612995.35>90%塔樓212793.3252711.362784.65>90%塔樓353917.50410798.8613577.61>90%塔樓415979.9773565.373480.12>90%方案二整體128184.74236024.8628006.80>90%

表2　最大層間位移角、最大位移比表

表3　整體結構周期表

采用結構方案一，問題主要集中在二、四塔樓，由于布置Y方向剪力墻受限，僅X方向布置剪力墻，這樣的結構布置嚴重不符合《高規》7.1.1條文抗震設計時，不應采用僅單向有墻的結構布置要求，且結構兩方向結構動力特性相差懸殊，不具備良好的空間工作性能，結構體系只能采用框架結構，這本身是不利的，超出了《高規》條文3.3.1條A級框架最大適用高度50m較多，對這類結構應通過專門研究，需要采取型鋼混凝土構件、鋼管混凝土構件等有效加強措施,并按建設部要求做專項審查。在實際中方案一是不可采用的結構方案，但是可以看出在脫離整體的獨立二、四塔樓純框架結構自身的安全可靠度和柱底剪力反應。方便與其他結構方案比較時提供對結構有利的數據分析。通過結構計算數據可知針對本工程而言周期明顯過大、基底剪力過小導致整體結構過柔。也證明《高規》對框架結構最大適用高度的規定合理性。通過規范及結合地區經驗，抗震設防烈度7度區，地震加速峰值為0.15g地區純框架結構超過30m結構整體剛度已經較弱，且不經濟實用。

結構方案二為本工程實際方案，對其進行著重分析，首先取消四條伸縮縫，這樣可以使剛度較弱的第二、第四塔樓依附在剛度較強的第一、第三塔樓使其形成一個大的整體塔樓，整體做成框架-剪力墻結構。這樣可以避免超高框架的專項審查，也避免了結構體系的不合理性。從整體的計算結果可以看出，結構的剛度比、位移比、受剪承載力比等各項比值均符合規范要求。與方案一相比，總質量基本沒有差別，但是方案二的X方向基底剪力大于方案一的基底剪力之和，Y方向基底剪力與方案一的基底剪力相當的原因是整體計算時方案二Y向剪力墻有減少導致。進一步分析結構方案二各陣型的結構地震作用的貢獻。通過各陣型下的結構振動情況可以看出，結構第一、三陣型以平動為主。第二陣型便提前出現平扭結合的混合振動。其余高階振型下地震作用均較小。考慮到本項目體量模型較大，高度較矮，且局部存在層間梁。第二周期提前出現扭轉分子很難避免，周期比0.89滿足《高規》3.4.5條不大于0.9要求。

4　彈性動力時程分析

針對本項目平面較不規則，且豎向層高較高，在進行地震反應譜計算的同時也對整體結構進行多遇地震下彈性動力時程分析補充計算，主要與反應譜計算結果的基底剪力、樓層剪力、和層間位移角進行比較，并對相關部位的構件內力和配筋做相應的調整。根據工程場地實際情況再結合頻譜特性、有效峰值和持續時間選用分析軟件內存的兩條地震波TH1TG040、TH2TG040，和一條人工波RH3TG040三組加速度時程曲線，從分析結果中可以看出，補充計算出來的最大層間位移角、最大樓層位移均符合規范要求(圖4)。計算結果在結構主方向的平均底部剪力不小于振型分解反應譜法計算的結果的80%，單條地震波輸入的計算結果均大于65%，同時單條輸入單條地震波計算結果均不大于135%，平均每條地震波計算結果不大于120%(圖5)。三組時程波的平均地震影響系數與振型分解反應譜法所用的地震影響系數曲線相比，在對應的結構主要振型的周期點上相差小于20%(圖6)。符合時程分析結果的最低安全要求。

圖4　最大樓層位移曲線

圖5　最大樓層剪力曲線

圖6　規范譜與地震波譜對比圖

彈性時程分析計算結果與陣型分解反應譜結果相比較，Y方向最大樓層剪力在天然波TH1TG040作用下， 3層～8層地震力比反應譜作用下地震力約大3%～11%； 在天然波TH2TG040作用下， 9層～12層地震力比反應譜作用下地震力約大25%～33%。X方向最大樓層剪力在天然波TH2TG040作用下， 9層～12層地震力比反應譜作用下地震力約大20%～30%。對于頂部樓層的剪力大于反應譜計算的部分，反映了高柔結構高振型的強烈反應即整體結構鞭梢效應明顯。結構設計時將取用計算結果的包絡值，在反應譜基礎上將內力放大調整，進行構件補充計算。

5　結語

隨著科學技術的進步，房屋的高度可以越建越高，體量模型可以越建越大，這是自然規律。規范、規程中各種結構體系的“最大適用高度”并非“限制高度”。

所謂“最大適用高度”的含義更多的是指綜合考慮不同結構體系的抗震性能、經濟性和合理適用及震害經驗諸多方面的適用最大高度，若本項目采用方案一進行分縫設計，二、四塔樓采用框架結構不是不可以設計成60m，是明顯不合理且存在缺陷的。不合理的方案必然有不合理的結果，分縫帶來的后果是還有一、三塔樓會形成核心筒偏置的框架-剪力墻結構，使其部分框架柱產生拉應力，對結構自身不利和給基礎產生沒必要的負擔，需要增加部分足夠剛性的剪力墻等措施來調整改善結構性能。同時目前軟件程序仍然存在對多塔樓結構分析功能不完善的情況。而如果從另一個角度看本項目，把回字形看成一個大方減去一個小方(無縫設計)，只需考慮有哪些不利因素即可。

工程方案目前已通過專項審查，進入施工圖設計階段。本項目結合實際情況做了兩種方案進行比較。在多遇地震作用下分別采用陣型分解反應譜法和彈性時程分析方法進行結構整體計算分析，并采用包絡設計以保證抗震性能目標的實現。通過計算結果表明該結構體系是安全、可行的。由于篇幅所限，本工程針對超長結構、少墻框架結構采取加強等措施將會后續寫作。

[1]GB50010-2010 混凝土結構設計規范[S]. 北京：中國建筑工業出版社， 2010.

[2]GB50010-2010 建筑抗震設計規范[S]. 北京：中國建筑工業出版社， 2010.

[3]JGJ3-2010 高層建筑混凝土結構技術規程[S]. 北京：中國建筑工業出版社， 2010.

[4]《PMCAD 用戶手冊及技術條件》.中國建筑科學研究院PKPMCAD 工程部編.

[5]《SATWE 用戶手冊及技術條件》.中國建筑科學研究院PKPMCAD 工程部編.

Research on the Design of the Back-Shaped Building under Earthquake

Zhang Xiuhua, Zhang Guohui

(DalianEconomicandTechnicalZoneArchitecturalDesign&PlanInstitute，Dalian116000，China)

The main building of this project is 99m x 79m with a height of 60m. The structure is composed of towers of 4 different rigidity. This paper investigates the system characteristics and the seismic performances of the structure. Under the actions of multiple earthquakes，the decomposition reaction analysis and elastic time history, analysis are used to carry out calculation and stability analys is of the whole structure. Some constructional measures were employed to enhance the seismic performances of weak components so as to ensure the seismic safety of the building.The results indicate that this structure system is safe and feasible.

Super-long Structure； Complex Engineering； Elastic Time History Analysis； Enlarged Base； Multi-tower Building

張秀華(1963-)，女，高級工程師。主要研究方向：結構抗震。

TU318

A

1674-7461(2016)01-0083-04

10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2016.01.15