以歐華大廈為例分析超限高層建筑設(shè)計方法

黃暉

福建廈門（361001）

以歐華大廈為例分析超限高層建筑設(shè)計方法

黃暉

福建廈門（361001）

城市化發(fā)展過程中，超限高層建筑物以不同結(jié)構(gòu)形式出現(xiàn)，不僅建筑造型奇特，而且設(shè)計質(zhì)量要求在不斷提高。作為架構(gòu)建筑鋼鐵之軀的結(jié)構(gòu)專業(yè)，如何能更好的把握建筑專業(yè)的脈搏。這里結(jié)合某超限高層建筑物-歐華大廈的結(jié)構(gòu)設(shè)計，詳細介紹結(jié)構(gòu)超限高層設(shè)計的過程，包括超限判定、計算分析和構(gòu)造措施等，以期為類似工程設(shè)計提供參考。

超限高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計；超限認定；計算分析

0 引言

近年來出現(xiàn)了越來越多的超限高層建筑。為了規(guī)范超限高層建筑設(shè)計,建設(shè)部于2010年7月頒布了《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點》[1]。按照此管理規(guī)定，在對超限高層建筑物進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，除了遵循有關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范之外，還要對建筑結(jié)構(gòu)的技術(shù)實施標準和超限程度進行合理控制。通過采取抗震設(shè)防措施，提升建筑的結(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)定性。

1 工程概況

本工程項目總占地面積與總建筑面積分別為0.323萬m2與1.613萬m2,建筑分地上與地下兩層，地上與地下建筑面積分別為0.29萬m2與1.323萬m2，地上18層，總建筑高度56.9 m，地下層高4.7 m,一層裙房高度6 m，二層裙房高度3.9 m，標準層高度2.9 m（效果及三層平面圖見圖1)。塔樓高寬比與長寬比分別為3.58與2.85。建筑抗震設(shè)防類別與結(jié)構(gòu)安全等級分別為丙類、二級。抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計基本地震加速度0.05 g。設(shè)計地震分組：第一組,場地類別Ⅲ類，特征周期Tg=0.45sec，建筑類別調(diào)整后用于結(jié)構(gòu)抗震驗算烈度為6度，建筑結(jié)構(gòu)的阻尼比取5%。本樓采用框架、剪力墻結(jié)構(gòu)體系，嵌固端取為地下室頂板，框架抗震等級四級、剪力墻三級，50年一遇的基本風(fēng)壓0.35 kN/m2,地面粗糙度B類。

2 超限認定

在認定本工程超限情況時，本文主要結(jié)合建設(shè)部《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點》（建質(zhì)【2010】109號）簡稱《技術(shù)要點》進行初步判斷，具體超限情況如下[2]：

工程18層開洞面積≥30%，屬于樓板不連續(xù)（見圖2）。

工程最大扭轉(zhuǎn)位移比在SATWE和PMSAP中分別為1.20和1.24，二者均＞1.2，屬于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。

按照本建設(shè)功能布局需求，大廈裙房結(jié)構(gòu)無條件設(shè)縫，且塔樓與裙房的Y向質(zhì)心偏心距與X向底盤分別為10.69 m和36.7 m，且偏心29.1%，因此本工程經(jīng)評定屬于塔樓偏置較大（見圖3）。以上超限情況匯總與表1、表2。

圖1 建筑效果及平面圖

圖2 樓板不連續(xù)

圖3 塔樓偏置

表1 建筑結(jié)構(gòu)一般規(guī)則性超限檢查

表2 建筑結(jié)構(gòu)嚴重規(guī)則性超限檢查

3 計算分析

本工程的抗震設(shè)防類別和結(jié)構(gòu)安全等級分別設(shè)計為丙類、二級?？拐鹪O(shè)防烈度為6度，場地土類型為Ⅲ類結(jié)構(gòu)的阻尼比在多遇地震作用下的彈性分析時取0.05，水平地震影響系數(shù)最大值為0.04。罕遇地震(大震)影響系數(shù)最大值為0.28，地震作用同時考慮雙向地震作用和偶然偏心的不利影響。分別采用考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)的振型分解反應(yīng)譜法及彈性動力時程分析法計算結(jié)構(gòu)響應(yīng)，并選用較多的振型以充分考慮高階振型的影響。各振型貢獻按CQC組合，豎向力按模擬施工加荷方式計算。模型分析選取振型數(shù)目為21個。針對本工程的超限情況，擬進行多遇地震作用下整體分析和罕遇地震下靜力彈塑性推覆驗算，具體計算措施如下：

采用SATWE及PMSAP兩種不同力學(xué)模型的三維空間分析程序進行本工程總體建筑結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移比分析計算。

通過彈性動力時程分析法對多遇地震條件下的建筑結(jié)構(gòu)總體荷載進行補充計算。

通過pushover方法對罕遇地震條件下建筑結(jié)構(gòu)進行補充計算分析。

3.1 多遇地震作用下計算分析

1）采用SATWE和PMSAP計算分析本項目采用SATWE和PMSAP兩種不同程序分別計算，兩種程序從計算結(jié)果來看總體較為接近，剪重比、周期比、層間位移角等指標均滿足相關(guān)規(guī)范要求，扭轉(zhuǎn)位移比除裙房局部角柱計算值超過1.2，其余均滿足規(guī)范不大于1.2的要求。主要計算對比見表3。

表3 結(jié)構(gòu)分析主要結(jié)果對比（小震作用）

表4 時程分析與時程分析結(jié)果對比表

2）彈性時程分析計算

采用彈性時程分析法進行多遇地震作用下的補充計算，地震波由中國建筑科學(xué)研究院工程抗震研究所提供。在彈性分析時主要選?、纛悎龅厣系娜斯さ卣鸩≧H1-AP、TH4TG090及實測地震波TH1TG090，規(guī)范要求設(shè)防烈度7度（0.10 g）時，多遇地震時程分析采用加速度時程曲線的最大值為35 cm/S2，在時程分析過程中阻尼比和步長分別取0.05和0.02 s，取地面運動最大加速度為18 gal，然后對七組地震波進行了計算分析，具體計算結(jié)果見圖3及表4。

從結(jié)果來看，每條時程曲線計算所得的結(jié)果底部剪力大于振型分解反應(yīng)譜法結(jié)果的65%，小于振型分解反應(yīng)譜法結(jié)果的135%。多條時程曲線計算所得結(jié)果底部剪力大于振型分解反應(yīng)譜法結(jié)果的80%。因此，SATWE和PMSAP的振型反應(yīng)譜計算多遇水平地震作用，分析結(jié)果基本吻合，指標能夠滿足基本設(shè)計規(guī)范要求。

圖4 時程分析計算結(jié)果

3.2 罕遇地震作用下計算分析

本工程還進行罕遇地震下整體結(jié)構(gòu)彈塑性變形驗算。運用PUSHOVER程序?qū)Y(jié)構(gòu)罕遇地震作用下靜力彈塑性推覆計算，結(jié)果表明：在兩個計算方向上，結(jié)構(gòu)能力譜曲線與罕遇地震的需求均有交點，罕遇地震作用下最不利層間位移角為1/394（加載步67.6），滿足規(guī)范1/100的限值要求，具體見圖4。

圖5 PUSHOVER計算結(jié)果

4 針對超限的構(gòu)造措施

針對建筑物塔樓偏置，適當(dāng)加大裙房塔樓另一側(cè)柱截面以及框架梁面積，平衡整體剛度。

將建筑物裙房外圍框架柱抗震等級提高一級，箍筋全高加密，減小結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)與扭轉(zhuǎn)位移比。

適當(dāng)提高該建筑裙房部分X向框架梁與樓板的配筋率，提升建筑結(jié)構(gòu)抗扭性能，裙房屋面雙層雙向配筋，板厚增加至120 mm。

因該建筑部分樓層樓板不連續(xù)，因此對于大洞區(qū)域的周邊板塊，板厚增加至120 mm，并采取雙層雙向配筋，從而提高樓板配筋率。

5 結(jié)語

以某工程為例，詳細闡明了超限結(jié)構(gòu)設(shè)計流程。首先，應(yīng)明確超限結(jié)構(gòu)類型，以此判定結(jié)果展開下一步工作。其次，采用至少兩個分析模型進行多遇地震下整體結(jié)構(gòu)分析，對計算結(jié)果進行比較分析，并判明薄弱部位。再則，選取多組地震波進行彈性時程分析法，對其進行多遇地震作用下的補充計算，必要時還應(yīng)補充罕遇地震作用下整體計算分析，采取適當(dāng)措施加強結(jié)構(gòu)薄弱部位。

[1]王奇,張根俞,張路.鄂爾多斯東方大廈結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].建筑結(jié)構(gòu),2013,43（1）：52-56.

[2]樓夢麟,楊明玨.地震動擺動分量對高層建筑結(jié)構(gòu)的影響[J].結(jié)構(gòu)工程師,2014,30（1）：86-92.