超限高層建筑結(jié)構(gòu)抗震超限設(shè)計(jì)與分析

江 進(jìn)，肖建軍，廖 鵬

（中航長沙設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南長沙 410014）

1 超限高層建筑的工程簡介

兆鑫匯金廣場(chǎng)項(xiàng)目作為城市更新項(xiàng)目，其B座住宅為B級(jí)超限高層建筑，總建筑面積達(dá)20685.12m2，地上共有44層，屋頂設(shè)置了1層屋架，屋架高度為5.0m，結(jié)構(gòu)的主屋面高度為147.9m，首層高度為6.6m，2、3層高度為5.1m，4層高度為6.6m，標(biāo)準(zhǔn)層高度為3.0m，建筑的13、28層設(shè)置的避難層高度為5.1m；地下1層到5層的高度分別為6.95m、6.0m、4.8m、3.6m、3.8m，嵌固端在地下室的2層樓板，板厚為180mm，同時(shí)地下室的頂板厚度為160mm。對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，該建筑的特點(diǎn)包括墻不連續(xù)以及凹凸、側(cè)向剛度、扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。

2 超限高層建筑的設(shè)計(jì)方案

2.1 計(jì)算嵌固端

在進(jìn)行B座住宅地下五層結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)嵌固端選擇過程中，若采用地下2層樓板作為結(jié)構(gòu)嵌固端，那么在計(jì)算地下室樓層側(cè)向剛度時(shí)，可以利用《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3—2010）（簡稱為《高規(guī)》）附錄E.0.1條公式，對(duì)樓層的側(cè)向剛度比進(jìn)行計(jì)算。并且經(jīng)過計(jì)算可以得出地下3層與地下2層的X向與Y向剛度比分別為2.2×107kN/m、2.0×107kN/m，由于樓層側(cè)向剛度比均大于2，那么在設(shè)計(jì)地下室頂板時(shí)，需要保證其構(gòu)造滿足以下要求：①依據(jù)相關(guān)規(guī)范的要求，本項(xiàng)目地下2層樓板采用普通現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁結(jié)構(gòu)，樓板厚度為180mm，雙層雙向配筋，并且樓板無大開洞；②地下室每層框架柱每側(cè)縱向鋼筋面積需為上1層的1.1倍以上；③在設(shè)計(jì)過程中，需保證地下2層框架梁的實(shí)際受彎承載力的和大于上下2層柱的實(shí)際受彎承載力之和[1]。

2.2 結(jié)構(gòu)體系與布置情況

由于該工程的B座建筑屬于B級(jí)高限建筑，結(jié)構(gòu)部分是框支剪力墻結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系如圖1所示。

圖1 YJK與ETABS結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系

2.3 基礎(chǔ)形式

在進(jìn)行本項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中，本地區(qū)設(shè)計(jì)基本地震加速度的數(shù)值為0.10g，設(shè)計(jì)特征周期為0.35s，場(chǎng)地內(nèi)存在飽和沙土與軟土，并且在Ⅶ度地震烈度的影響下，可以忽略飽和沙土與軟土震陷對(duì)建筑的影響。同時(shí)，在對(duì)施工地點(diǎn)情況與建筑設(shè)計(jì)需要進(jìn)行切實(shí)了解的基礎(chǔ)上，可以令B座塔樓的基底持力層為中風(fēng)化的花崗巖，裙樓與地下室則采用天然基礎(chǔ)與人工挖孔樁加固地基，建筑的持力層是中風(fēng)花崗巖或中風(fēng)化凝灰質(zhì)砂巖。建筑地下室抗浮設(shè)防水位以建筑周邊道路最低點(diǎn)絕對(duì)標(biāo)高為基礎(chǔ)，在設(shè)計(jì)地下室抗浮設(shè)計(jì)驗(yàn)算時(shí)，需充分考慮水浮力的作用，令建筑的塔樓部分主要應(yīng)用結(jié)構(gòu)自重抗浮，裙房與地下室部分則采用精軋螺紋鋼抗拔錨桿[2]。

3 超限高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能分析

為切實(shí)滿足人們對(duì)建筑空間的需要，大量超限高層建筑不斷涌現(xiàn)，盡管這種情況的出現(xiàn)在一定程度上提升了城市土地資源的利用率，但由于超限高層建筑的結(jié)構(gòu)層數(shù)較高、結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)施工過程中往往存在較多的困難，抗震設(shè)計(jì)更是成為超限高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)與難點(diǎn)。現(xiàn)階段，為切實(shí)了解超限高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能，則需要應(yīng)用合適的程序分析軟件對(duì)建筑結(jié)構(gòu)抗震性能進(jìn)行分析。

3.1 多遇地震及風(fēng)荷載對(duì)建筑的影響

3.1.1 振型分解反應(yīng)譜法與風(fēng)荷載作用

為切實(shí)了解地震與風(fēng)荷載對(duì)該工程B座建筑的影響，可以采用YJK與ETABS兩款結(jié)構(gòu)分析程序，對(duì)建筑在小震與風(fēng)力作用下，彈性模型結(jié)果加以分析，并且可以了解到，這兩種計(jì)算模型的結(jié)果極為相近，第一扭轉(zhuǎn)周期與第一平動(dòng)周期的比值均比規(guī)范限值0.85小，這種情況的存在說明該建筑設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)具有良好的抗扭剛度。在對(duì)建筑剪重比進(jìn)行調(diào)整后，可以了解到，在地震工況下，建筑的Y方向的最大層間位移角為1/1230，并且這一情況出現(xiàn)在33層，滿足規(guī)范1/800的要求；在50年風(fēng)荷載的影響下，建筑Y方向的最大層間位移角為1/808，這種情況出現(xiàn)在建筑的32層，同樣滿足規(guī)范1/800的要求[3]。

3.1.2 彈性時(shí)程分析

以《高規(guī)》第4.3.4為依據(jù)，可以了解到，在進(jìn)行該工程B座建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，需要用彈性時(shí)程分析法進(jìn)行多遇地震情況的補(bǔ)充計(jì)算。具體來說，在進(jìn)行計(jì)算分析時(shí)，可以將地震的加速峰值設(shè)為35cm/s2，地震的波振型阻尼比ξ為0.05，地震波時(shí)間間距△t為0.02s，特征周期Tg=0.45s。現(xiàn)階段，將小震彈性時(shí)程建立、彎矩計(jì)算結(jié)果與小震彈性時(shí)程層間位移角結(jié)果進(jìn)行匯總，可以得出如圖2所示的曲線，對(duì)曲線進(jìn)行分析可以了解到，部分樓層小震時(shí)程建立平均值比反應(yīng)譜建立大，并且扭轉(zhuǎn)周期與平均周期的比值小于0.85，這種情況的存在說明該建筑結(jié)構(gòu)抗扭剛度合適。現(xiàn)階段，為滿足規(guī)范最小減重比限值的要求，X向與Y向的減重比調(diào)整系數(shù)分別為1.24與1.0，從數(shù)據(jù)可以了解到，該建筑結(jié)構(gòu)能夠滿足相應(yīng)規(guī)范的要求。

圖2 不同地震時(shí)程工況下的基層剪力及位移角

3.2 設(shè)防烈度地震作用下結(jié)構(gòu)抗震性能的驗(yàn)算

在進(jìn)行該工程B座建筑受彎承載力與建筑結(jié)構(gòu)框支柱抗震性能驗(yàn)算時(shí)，可以應(yīng)用Matlab輔助設(shè)計(jì)軟件，按照矩形截面墻肢進(jìn)行驗(yàn)算。同時(shí)，在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)框支柱抗震性驗(yàn)算的過程中，從軟件模擬結(jié)果可以了解到，首先，在中震不屈服組合下，拉應(yīng)力需在混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的2倍以下；其次，結(jié)構(gòu)的框支架滿足受彎、受剪彈性的性能目標(biāo)要求；最后，連梁符合抗剪不屈服性能目標(biāo)，因此可以通過為其設(shè)置交叉斜筋的方式，提高其抗剪承載力。

3.3 罕遇地震動(dòng)力彈塑性

3.3.1 分析模型特征

為驗(yàn)證SAUSAGE模型分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，可以將SAUSAGE模型與YJK模型進(jìn)行比對(duì)，由于在彈塑性分析模型構(gòu)建過程中，構(gòu)件的截面尺寸、材料強(qiáng)度等級(jí)、構(gòu)件所配鋼筋與彈性分析模型都相同，彈塑性分析模型荷載與地震質(zhì)量均可以以彈性模型為依據(jù)，并且對(duì)模型的前三階振型以及塔樓SAUSAGE模型與YJK模型進(jìn)行周期比對(duì)，可以發(fā)現(xiàn)SAUSAGE模型與YJK模型在包含鋼筋質(zhì)量、Y向與X向平動(dòng)周期、扭轉(zhuǎn)周期的計(jì)算結(jié)果極為接近，這種情況的出現(xiàn)說明模型計(jì)算結(jié)果具有準(zhǔn)確性。

3.3.2 時(shí)程分析結(jié)構(gòu)反應(yīng)

在分析時(shí)程分析結(jié)構(gòu)反應(yīng)的過程中，可以從基底剪力與結(jié)構(gòu)頂部位移兩方面入手。具體來說，在驗(yàn)證建筑結(jié)構(gòu)的非線性特征，可以對(duì)大震彈塑性與大震彈性的市場(chǎng)進(jìn)行比對(duì)，從而達(dá)到了解建筑基底剪力的目的。并且在對(duì)比過程中，大震彈塑性與大震彈性底部剪力比值在84%~96%之間，包絡(luò)值顯示，X向、Y向的彈塑性基底剪力約為94%的彈性結(jié)果，從中可以了解到，塔樓在大震情況下的非線性特征符合規(guī)定要求。同時(shí)，在研究彈性塑性與彈性樓層頂部位移的時(shí)程變化情況時(shí)，可以監(jiān)測(cè)圖1所示的P1點(diǎn)位移時(shí)程。在測(cè)試過程中，彈塑性頂部位移約為73%~114%的彈性位移，彈塑性位移在地震結(jié)束后，明顯衰減，保證塔樓能夠擁有“大震不倒”的抗震性能。

4 超限高層建筑結(jié)構(gòu)抗震超限處理方式

4.1 建筑結(jié)構(gòu)體系布置

在深圳市羅湖區(qū)兆鑫匯金廣場(chǎng)項(xiàng)目B座住宅結(jié)構(gòu)布置過程中，首先，需要在塔樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，提升對(duì)裙房以及相關(guān)范圍內(nèi)地下室結(jié)構(gòu)的關(guān)注度；其次，通過在框支柱與部分框支梁部分設(shè)置型鋼的方式，減小截面，提升其承載力；最后，為切實(shí)保證建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，樓板厚度可以使100mm、110mm、150mm、180mm，裙房頂板厚度應(yīng)為150mm，并且裙房頂上的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層板厚應(yīng)為180mm。

4.2 計(jì)算分析

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，需要先對(duì)建筑典型層的樓板應(yīng)力進(jìn)行分析，切實(shí)保證樓板能夠有效傳力，同時(shí)，需要控制樓板應(yīng)力較大部分的厚度，并控制鋼筋的應(yīng)力。若對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)進(jìn)行專項(xiàng)分析，則需要將分析點(diǎn)選在典型框支梁節(jié)點(diǎn)，通過對(duì)其進(jìn)行有限元分析的方式，可以切實(shí)保證結(jié)構(gòu)的安全性與穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

總而言之，在當(dāng)前城市建筑施工過程中，為保證超限高層建筑使用壽命能夠切實(shí)滿足建筑需要，在考慮到建筑施工材料、施工地點(diǎn)地質(zhì)結(jié)構(gòu)等情況的基礎(chǔ)上，可以應(yīng)用相應(yīng)的軟件對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能加以模擬，以便為后續(xù)工程施工活動(dòng)的順利開展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。