某辦公樓超限高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

趙美余, 朱一鳴

(1.中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司,江西 南昌 330031；2.江蘇省電力設(shè)計(jì)院有限公司,江蘇 南京 211102)

1 工程概況

本項(xiàng)目位于南昌市,建筑高度194.30米, 48層,建筑面積35339.4平方米,采用壁式框架-核心筒結(jié)構(gòu),兩層地下室,剖面圖見圖1。設(shè)計(jì)使用年限50年,結(jié)構(gòu)安全等級為二級,抗震設(shè)防類別為丙類,抗震設(shè)防烈度為6度,設(shè)計(jì)地震分組為第一組,設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.05g,Ⅱ類場地。本工程基本風(fēng)壓0.45KN/M2,基本雪壓0.45KN/M2,地面粗糙度類別為B類,風(fēng)荷載體型系數(shù)取1.47。

圖1 辦公樓立面圖

2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及布置

辦公樓建筑平面近似矩形,平面尺寸為26.3x29.7米,結(jié)構(gòu)高寬比為7.4,核心筒尺寸為11.2x15.6米,筒體寬度與建筑高度比值為1/17.3,樓電梯集中布置在建筑物偏左位置,標(biāo)準(zhǔn)層平面左側(cè)樓板大開洞,建筑平面布置基本對稱。結(jié)構(gòu)布置主要按以下原則確定,具體詳見圖2。

(1)核心筒外墻厚度為800mm～400mm,由下至上遞減,墻體厚度在核心筒外側(cè)變化,筒體內(nèi)墻厚250mm。根據(jù)使用面積狹小的特點(diǎn),同時(shí)考慮到中間筒體與房屋高度比值遠(yuǎn)大于規(guī)范建議值1/12,因此在房屋四角設(shè)置了剪力墻,其余部分則采用壁式框架,二者協(xié)同工作能使層間變形更加均勻,內(nèi)部分隔靈活,可提高房屋抗側(cè)能力。

(2)壁式框架尺寸900x2900～700x2900根據(jù)建筑平面均勻布置,地下二層至地上七層外框架柱豎向軸壓比控制在0.55以內(nèi),以改善其抗震延性。

(3)外框架梁為500x900mm,連接核心筒框架梁為500x800mm。

(4)框架剪力墻砼強(qiáng)度等級：承臺頂面～7層為C60,7層～15層為C55,15層～24層為C50,24層以上為C40～C30;框架梁板為C40～C30。

3 結(jié)構(gòu)超限情況及性能化目標(biāo)

3.1 超限情況

本辦公樓采用壁式框架-核心筒體系,建筑高度194.3米,根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ3—2010)[2](簡稱高規(guī)),該工程屬于超A級建筑高度建筑；同時(shí)經(jīng)計(jì)算得出在偶然偏心下樓層的最大彈性水平位移(或?qū)娱g位移)比大于1.2,屬扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。另外二層樓面大堂開洞,局部樓層有效寬度小于典型寬度50%,首層～三層有穿層的墻體,屬樓板不連續(xù)。標(biāo)準(zhǔn)層平面無不規(guī)則情況。

3.2 抗震性能設(shè)防目標(biāo)

針對辦公樓的超限情況,綜合考慮規(guī)范及業(yè)主要求,抗震性能目標(biāo)確定為C級。

圖2 結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層平面布置圖

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

4.1 小震作用下計(jì)算分析

本工程采用PKPM(2010版V1.3)和Midas Building 2014作為計(jì)算軟件進(jìn)行對比分析,計(jì)算時(shí)采用考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)的振型分解反應(yīng)譜法(CQC法),并考慮了偶然偏心及雙向地震作用,其分析主要結(jié)果如下表1所示,二者計(jì)算得到的結(jié)果均滿足規(guī)范的要求,構(gòu)件均處于彈性狀態(tài),說明本工程結(jié)構(gòu)可以滿足“小震不壞”的設(shè)防目標(biāo)。

使用PKPM軟件進(jìn)行彈性時(shí)程分析：小震下選取了3條波,其中2條天然波,1條人工波,最少持續(xù)時(shí)間均大于5倍結(jié)構(gòu)基本周期,地震波時(shí)間間距0.02s,輸入地震波峰值加速度最大值為23.5cm/s2。由表2可以得出：每條時(shí)程曲線計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)底部總剪力均不小于按CQC法計(jì)算所得的65%,三條時(shí)程曲線計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)底部總剪力的平均值不小于按CQC法計(jì)算所得的80%。施工圖設(shè)計(jì)時(shí)按彈性動(dòng)力時(shí)程計(jì)算法計(jì)算出的層剪力與CQC法的層剪力的比值作為放大系數(shù)帶入計(jì)算中,確保設(shè)計(jì)安全。

表1 振型分解反應(yīng)譜法(CQC法)分析主要結(jié)果表

表2 多遇地震下時(shí)程分析結(jié)果表

4.2 中震彈性計(jì)算和中震不屈服計(jì)算分析

中震彈性計(jì)算和中震不屈服計(jì)算主要是針對本工程構(gòu)件的性能目標(biāo)進(jìn)行量化計(jì)算,計(jì)算設(shè)防地震作用時(shí),水平地震影響系數(shù)最大值αmax取0.176,相應(yīng)的特征周期值Tg取0.40s,結(jié)構(gòu)阻尼比為0.05。計(jì)算結(jié)果如下：

表3 設(shè)防烈度地震作用下結(jié)果匯總

分析結(jié)果表明：在設(shè)防烈度地震作用下,關(guān)鍵構(gòu)件(底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻、壁式框架)及結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件的正截面承載力、受剪承載力均滿足中震彈性的要求；框架梁正截面承載力滿足中震不屈服的要求、受剪承載力滿足中震彈性的要求,局部連梁出現(xiàn)較輕微的抗彎屈服,進(jìn)入屈服階段,屬于局部延性損壞,經(jīng)一般修理可繼續(xù)使用；結(jié)構(gòu)在設(shè)防烈度地震(中震)作用下能達(dá)到預(yù)期的性能目標(biāo)。從表3可以看出：結(jié)構(gòu)的最大層間位移角均小于2倍彈性位移限值,說明結(jié)構(gòu)可以滿足“中震可修”的設(shè)防目標(biāo)。

4.3 罕遇地震下彈塑性時(shí)程分析

罕遇地震下選取了3條地震波(特征周期Tg為0.40s。),其中2條天然波,1條人工波,最小持續(xù)時(shí)間為40s,均大于5倍結(jié)構(gòu)基本周期。地震波時(shí)間間距0.02s,輸入地震波峰值加速度最大值為125cm/s2,結(jié)構(gòu)阻尼比取0.05,地震波輸入時(shí)間為30s；按照抗規(guī)要求,采用雙向地震波輸入,其中主次兩個(gè)分量峰值加速度的比值符合1.0∶0.85的要求。由于建筑平面較規(guī)則,因此選取0度、90度兩個(gè)方向同時(shí)輸入主次地震波,每個(gè)方向各輸入3條地震波進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如下：

表4 罕遇地震彈塑性時(shí)程分析數(shù)據(jù)匯總表

從表4可以看出,結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角均小于高規(guī)表3.7.5條要求,滿足“大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)。

4.4 穿層壁式框架抗震性能分析

1～3層穿層壁式框架柱抗震性能分析結(jié)果：(1)多遇地震下柱軸壓比為0.5,計(jì)算為構(gòu)造配筋；(2)設(shè)防地震下,柱計(jì)算為構(gòu)造配筋；(3)罕遇地震下,大部分柱構(gòu)造配筋,僅局部正截面需計(jì)算配筋。分析結(jié)果表明：1～3層穿層壁式框架能夠滿足性能設(shè)防目標(biāo)。

5 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)加強(qiáng)措施

(1)為提高外壁式框架和落地剪力墻的延性,其計(jì)算軸壓比均控制在0.55以內(nèi)。

(2)適當(dāng)提高剪力墻在底部加強(qiáng)部位的配筋率,以增強(qiáng)其承載力。

(3)屋面板、核心筒內(nèi)板、壁式框架四角周邊板均配置雙層雙向鋼筋予以加強(qiáng)。

(4)二～三層挑空大廳及其它開洞部位集中處,增加周邊板厚、提高配筋率并雙層雙向配筋予以加強(qiáng)。

(5)梁、柱中心線之間的偏心距大于柱截面在該方向?qū)挾鹊?∕4時(shí),梁增設(shè)水平腋以減小不利影響。

6 結(jié)語

本工程為超A級高度建筑,存在多項(xiàng)不規(guī)則項(xiàng),結(jié)構(gòu)專業(yè)結(jié)合建筑平面及功能要求,采用了壁式框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系,在細(xì)長房屋的四角布置剪力墻,使之具有更加良好的抗扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)性能,同時(shí)采取多種計(jì)算軟件進(jìn)行了彈性、彈塑性的計(jì)算分析,對關(guān)鍵構(gòu)件構(gòu)造進(jìn)行加強(qiáng),各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范的相關(guān)要求,達(dá)到了抗震性能目標(biāo)要求,結(jié)構(gòu)安全可靠。