某衛生中心超限結構設計與分析

2019-10-21 08:16:41王洋

中國房地產業·中旬 2019年9期

摘要：介紹了某衛生中心的超限結構設計，由于建筑功能的要求，東側及北側存在斜柱。采用SATWE及MIDAS/GEN軟件，對結構進行彈性階段的對比分析，針對本工程的特殊性，制定了基于整體及構件的性能化目標，以確保結構安全，使其具有較好的抗震性能

關鍵詞：超限高層;斜柱;抗震性能化設計

一、工程概況

本工程位于安徽省合肥市，項目建設總建筑面積為72937.43㎡，其中地上建筑面積約51247.43㎡，地下建筑面積約21150㎡。整個建設用地由A座、B座，C座，D座四棟塔樓及一層地下室組成，各塔樓高度，分別為：A座77m、B座24m、C座35m、D座49m，建筑效果圖如圖1所示。

本工程設計基準期以及結構設計使用年限均為50年，建筑結構安全等級為二級，地基基礎設計等級為甲級，地下室防水等級為一級，抗震設防類別為乙類（重點設防類），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0.10g，場地類別Ⅱ類，特征周期Tg=0.38s，地面粗糙類別為B類，50年一遇基本風壓為0.35kN/m2（承載力設計時，按0.385 kN/m2），基本雪壓為0.60kN/m2。地下室頂板作為上部結構的嵌固端。A座采用鋼筋混凝凝土框架-剪力墻結構，框架及抗震墻抗震等級均為一級。

二、結構體系

（一）結構體系概述

A座塔樓高度為77m，18層，為追求建筑效果，采用層層收進的形式，底層建筑寬度約為37.2m，長度約為75.2m，標準層寬度約為25.0m，長度約為42.6m。主要采取的柱網尺寸為9.6m×8.4m、8.1×8.4、6.6×8.4三種，結構最大懸挑約為5m。框架柱主要以鋼筋混凝土柱為主，北側及東側布置鋼管混凝土斜柱。為滿足建筑立面及使用功能要求，最終結構方案存在扭轉不規則（偏心布置），樓板不連續，局部斜柱等不規則現象。2層及標準層結構平面布置圖見圖2，三維模型見圖3

（二）地基及基礎

場地第③層粘土層土層較厚，厚度近40m，場地地下水分布以潛水分布為主，抗浮水位為室外地坪下1.0m。A座采用樁筏基礎，樁型采用預應力混凝土管樁，直徑500mm，豎向單樁承載力為1500kN，考慮到斜柱斜插入底板，存在較大的水平分力，故筏板厚度取1200mm，并且填芯以增加斜柱處樁水平抗剪能力，B、C、D座采用樁基承臺加防水板形式，防水板厚度500mm，純地下室部分不滿足整體抗浮要求，故此處采用抗拔樁來抵消水浮力。

（三）超限判別

（1）由于建筑第2～9層東側為通高中庭，質量偏心嚴重，造成結構計算時最大扭轉位移比為1.37，各層最大偏心率Eex=0.60，Eey=0.30;（2）建筑第2～9層中庭處及第18層應急指揮中心有開大洞，造成局部樓板有效寬度小于典型樓板寬度的50%;（3）建筑第1～8層北側及東側存在穿層斜柱（斜柱處典型剖面見圖4），第12層樓面處存在拖柱轉換情況。

根據全國超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點，本工程存在的超限情況主要包括：1）扭轉不規則;2）偏心布置;3）樓板不連續;4）局部不規則

三、抗震性能目標及超限設計

（一）抗震性能目標

A座塔樓為規則性超限高層建筑，采用基于性能的抗震設計方法，以提高結構的抗震可靠性，滿足小震不壞，中震可修，大震不倒的設防目標，根據有關規定，本工程進行抗震性能評估時，要求在多遇地震（小震）下，滿足性能水準1的要求，在設防烈度地震（中震）下，滿足性能水準3的要求，在預估罕遇地震（大震）下滿足性能水準4的要求，即性能目標定位C級。結構及構件的抗震性能目標詳見表1

（二）多遇地震作用下的計算和分析

結構在多遇地震下的整體計算采用SATWE和MIDAS進行對比分析，主要對比結果見表2，從表中可以看出兩種軟件計算結果比較接近，主要計算指標均滿足規范要求，說明結構體系比較合理

（三）設防地震作用下的計算和分析

根據表1中不同構件性能目標的不同，采用SATWE軟件對結構分別進行了中震彈性、中震不屈服的等效彈性計算，主要參數見表3，并在后續的施工圖設計中相關構件按計算結果進行設計。

（四）小偏心受拉剪力墻墻肢全截面平均名義拉應力驗算

根據《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點（2015版）》，應驗算小偏心受拉構件的名義拉應力是否滿足要求，并按特一級設計。在進行驗算時，采取的組合工況為1.0恒+0.5活+1.0地震，此時應不考慮由于薄弱層等因素按規范相應調整的地震內力，即宜用不考慮地震力放大的標準組合內力計算偏心受拉剪力墻墻肢的名義拉應力：

經計算，所有墻肢在中震下名義拉應力均小于混凝土抗拉強度。

（五）躍層柱長細比分析

A座的南側及東側存在躍層柱，尤其是東側由于建筑中庭的原因，存在跨越多層的斜柱（中庭處典型剖面見圖4），由于躍層柱、樓板、核心筒體等構件相互約束、相互支撐，躍層柱的屈曲穩定必然會受到周邊構件的約束影響，因此躍層柱計算長度系數應采用結構整體模型進行屈曲分析，根據分析結果合理確定。躍層柱的分布情況見圖2

采用MIDAS/GEN對躍層柱進行屈曲分析，為加快躍層柱的屈曲，在所分析的躍層柱柱頂施加100000～100000kN不等的外力。得到各個躍層柱的屈曲臨界荷載，然后根據歐拉公式反推算各柱的計算長度系數，其表達式為：

其中：EI 為柱沿屈曲方向的截面彈性抗彎剛度;Pcr為柱的屈曲臨界荷載; L為躍層柱的幾何長度（斜柱取斜向幾何長度）

分析得到的躍層柱計算長度和計算長度系數詳表4，實際設計中的計算長度系數結合《混凝土結構設計規范》及《鋼結構設計規范》偏安全的選取。典型柱屈曲模態見圖6

四、結語：

（1）A#塔樓，存在扭轉不規則、偏心布置、樓板不連續、局部不規則，屬于超限工程，通過采用多種分析手段，進行有針對性的抗震措施，可以使其具有良好的抗震性能。

（2）采用兩個不同的有限元軟件MIDAS/GEN，SATWE進行分析，結果表明各項指標比較接近，并滿足相關規范要求，說明結構體系比較合理

（3）在中震作用下，各構件滿足預定的抗震性能目標，針對不同構件在施工圖設計中對計算結果取小震及中震的包絡設計值

（4）對中震下產生小偏心受拉的墻肢，配筋適當加強，按特一級進行設計

（5）對結構中存在的躍層柱進行屈曲分析，合理確定其計算長度，已達到經濟適用的要求。