溫州某超限高層抗震性能化設(shè)計

陳培威，張亞莉，王宇軒

(1.浙江大學(xué)建筑設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 310000； 2.浙江經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310000)

0 引言

隨著中國國力的日益增長和科技水平的不斷進(jìn)步，建筑設(shè)計師對美觀的要求凌駕于經(jīng)濟(jì)效益之上，越來越多個性新穎、體型復(fù)雜的超限建筑層出不窮，本文僅以一超限高層為例探討超限結(jié)構(gòu)的設(shè)計流程和基本方法。

1 工程概況

1.1 基本情況

本項目位于浙江省溫州市甌海區(qū)，地上6層，地下1層，層高：-1F：4.8 m；1F～6F：5.4 m。主屋面高度32.4 m。結(jié)構(gòu)體系為鋼筋混凝土框架，3F～7F周邊設(shè)有懸挑長度6 m～10 m不等懸挑鋼構(gòu)架。整體建筑效果如圖1所示。

1.2 抗震超限情況和性能設(shè)計目標(biāo)選取

1.2.1 結(jié)構(gòu)概況

結(jié)構(gòu)概況見表1。

表1 結(jié)構(gòu)概況

1.2.2 結(jié)構(gòu)超限項判別

具體內(nèi)容見表2。

表2 同時具有下列三項及以上不規(guī)則的高層建筑工程

1.3 抗震性能化設(shè)計目標(biāo)

根據(jù)性能化抗震設(shè)計要求，綜合評估項目的安全性和經(jīng)濟(jì)性，設(shè)定結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)整體達(dá)到《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[1]中性能C的要求。

2 多遇地震彈性分析

2.1 計算分析軟件和模型選取

采用盈建科3.0.0作為主要結(jié)構(gòu)分析軟件，SAP2000.V15作為校核，按照設(shè)定的性能目標(biāo)要求，需要對中震作用下豎向構(gòu)件、轉(zhuǎn)換梁柱以及躍層柱的承載力進(jìn)行復(fù)核，確定其達(dá)到設(shè)定的性能目標(biāo)[2]。YJK整體模型如圖2所示，SAP2000整體模型如圖3所示。

2.2 結(jié)構(gòu)的周期和振型

采用YJK2.0.0和SAP2000.V15進(jìn)行驗算，周期計算結(jié)果見表3。

表3 周期計算結(jié)果

結(jié)論：周期比小于0.9，滿足規(guī)范要求。

2.3 層間位移角

地震作用下和風(fēng)荷載作用下最大位移角見表4。

表4 結(jié)構(gòu)位移角

結(jié)論：由表4可知，在地震工況和風(fēng)荷載工況，塔樓的層間位移角均能滿足規(guī)范框架結(jié)構(gòu)的1/550要求，控制工況為Y方向地震。

2.4 位移比指標(biāo)

考慮偶然偏心影響的地震作用下，主樓豎向構(gòu)件最大位移比結(jié)果見表5。

表5 最大位移比

結(jié)論：X地震工況下，1.2

2.5 樓層側(cè)向剛度比

框架結(jié)構(gòu)的樓層側(cè)向剛度見表6。

表6 樓層側(cè)向剛度

結(jié)論：根據(jù)高規(guī)3.5.2-1 條，樓層的側(cè)向剛度比滿足規(guī)范要求。

2.6 剪重比

結(jié)構(gòu)各層剪重比見表7。

表7 剪重比 %

結(jié)論：各層均滿足規(guī)范要求的最小值0.8%。

2.7 小震彈性時程分析

采用時程分析法時，按建筑場地類別和設(shè)計地震分組，在YJK 地震波數(shù)據(jù)中篩選2 條人工波和5 條天然波。選取的地震波符合《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(2016版)5.1.2-3條要求。

結(jié)果分析：根據(jù)計算結(jié)果，所選取的時程曲線能滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[3]5.1.2-3的選波要求。時程分析平均值較反應(yīng)譜法小。時程曲線的結(jié)構(gòu)響應(yīng)平均值小于反應(yīng)譜法的計算結(jié)果，當(dāng)取七組時程曲線進(jìn)行計算時，結(jié)構(gòu)地震作用效應(yīng)可取時程法計算結(jié)構(gòu)的平均值與振型分解法計算結(jié)構(gòu)的較大值，故采用反應(yīng)譜法來進(jìn)行抗震設(shè)計是偏于安全的。

2.8 小震分析小結(jié)

1)經(jīng)計算分析，兩個方向結(jié)構(gòu)剛度相近，兩種計算軟件的反應(yīng)譜分析結(jié)果之間具有一致性和規(guī)律性，符合工程經(jīng)驗和力學(xué)概念，結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。

2)結(jié)構(gòu)在多遇地震工況下的最大層間位移角發(fā)生在Y向地震作用下，結(jié)構(gòu)第2 層，為1/1 925，滿足規(guī)范限值1/550的要求。

3)結(jié)構(gòu)剪重比、框架柱軸壓比均滿足規(guī)范要求。

4)經(jīng)過小震時程分析計算，結(jié)構(gòu)動力特性基本相近，采用振型分解反應(yīng)譜法的計算設(shè)計，能夠保證結(jié)構(gòu)的設(shè)計安全性。

3 中震作用下構(gòu)件性能化設(shè)計

3.1 轉(zhuǎn)換梁柱性能分析

對模型用盈建科3.0.0計算分析軟件按性能目標(biāo)C進(jìn)行中震彈性計算。轉(zhuǎn)換梁柱考慮豎向地震組合作用，荷載工況為1.2恒+0.6活+0.5豎震。經(jīng)計算，框架柱中震彈性的配筋結(jié)果比小震彈性配筋結(jié)果略大?？蚣芰褐姓饛椥缘呐浣罱Y(jié)果與小震彈性配筋結(jié)果相近。所以取中震彈性、小震彈性配筋結(jié)果進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計，就能滿足結(jié)構(gòu)在中震下彈性的性能要求。

3.2 普通梁柱性能分析

對軸壓比較大位置的框架柱、框架梁的配筋結(jié)果分析，框架柱中震彈性的計算結(jié)果比小震彈性計算結(jié)果略大。框架梁中震彈性的計算結(jié)果與小震彈性計算結(jié)果相近。因此，取中震彈性、小震彈性計算結(jié)果進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計，即可滿足轉(zhuǎn)換構(gòu)件在中震作用下抗剪彈性，抗彎不屈服的性能目標(biāo)[4]。

3.3 中震作用下的樓板分析

結(jié)構(gòu)1層有開洞、2層有錯層,4層～6層樓板凹進(jìn)較大，洞口周邊樓板可能承擔(dān)較大的拉力。為保證結(jié)構(gòu)在地震作用下的整體性，對板凹進(jìn)周邊樓板設(shè)定了中震彈性的性能目標(biāo)。部分樓層板配筋包絡(luò)計算結(jié)果如圖4，圖5所示。

根據(jù)上述結(jié)果，1層樓板由于平面極其不規(guī)則，且其下有地下室擋墻存在，需整體加厚為160 mm，經(jīng)計算，采用鋼筋10@150，雙層雙向布置即可滿足設(shè)計要求，其下存在地下室擋墻的板帶，應(yīng)垂直于擋墻方向再局部加強(qiáng)。2層配筋采用8@150，雙層雙向布置即可滿足設(shè)計要求，錯層連接處以及懸挑板附近頂筋進(jìn)行加強(qiáng)。4層～6層配筋采用8@150，雙層雙向布置即可滿足設(shè)計要求。洞口角部應(yīng)加配構(gòu)造斜筋進(jìn)行加強(qiáng)。

3.4 中震分析小結(jié)

1)轉(zhuǎn)換柱和框架柱中震彈性的分析結(jié)果比小震彈性結(jié)果稍大。轉(zhuǎn)換梁和框架梁的中震彈性結(jié)果與小震彈性計算結(jié)果基本接近。所以整體結(jié)構(gòu)可以通過中震和小震配筋包絡(luò)設(shè)計，實現(xiàn)性能化抗震設(shè)計目標(biāo)的要求。

4 結(jié)構(gòu)大震彈塑性分析

4.1 計算分析方法

本工程罕遇地震作用下的彈塑性變形分析采用動力彈塑性分析方法，計算軟件使用SAP2000 V15 程序，對整體模型進(jìn)行分析?？蚣芰汉涂蚣苤捎昧簡卧M，地下連續(xù)墻采用殼單元模擬。初始的時變靜力荷載作用階段采用靜力分析；在罕遇地震作用階段采用直接積分法非線性時程分析，時間步長為0.02 s，每隔4 步輸出一次計算結(jié)果，即輸出結(jié)果的時間步長為0.08 s，計算中的地震波的持續(xù)時間取為20 s，基本涵蓋了地震波的有效持續(xù)時間，也大于10 倍的結(jié)構(gòu)第一階自振周期。

4.2 結(jié)果分析

1)大震彈性及彈塑性基底剪力計算結(jié)果匯總(如表8所示)。

表8 彈塑性及彈性時程分析基底剪力 kN

結(jié)論：大震彈塑性基底剪力小于大震彈性的基底剪力，結(jié)構(gòu)在大震下構(gòu)件有一定程度耗能，進(jìn)入了塑性。

2)大震彈塑性的最大層間位移角。

大震下結(jié)構(gòu)X向最大層間位移角為1/543。

大震下結(jié)構(gòu)Y向最大層間位移角為1/422。

滿足規(guī)范不小于1/100 的限值要求。

4.3 大震分析小結(jié)

經(jīng)動力彈塑性分析計算，可以大概定性評判結(jié)構(gòu)在大震作用下的受力性能，大震作用下的結(jié)構(gòu)短板和薄弱環(huán)節(jié)。在對罕遇地震波進(jìn)行時程分析后，結(jié)構(gòu)主要抗側(cè)力構(gòu)件沒有嚴(yán)重?fù)p傷，只在樓面凹進(jìn)以及錯層的位置框架梁端產(chǎn)生了塑性鉸，進(jìn)行了能量的耗散，局部耗能構(gòu)件屈服不會引起整體倒塌和危及結(jié)構(gòu)整體安全。在罕遇地震作用下，下部混凝土結(jié)構(gòu)的層間位移角遠(yuǎn)小于規(guī)范限值，滿足大震塑性變形的要求。總體而言，大震下結(jié)構(gòu)性能滿足“大震不倒”的要求[5-6]。

5 結(jié)論及抗震措施

計算結(jié)果表明，本結(jié)構(gòu)X，Y向結(jié)構(gòu)剛度相近，豎向布置規(guī)則，平面不規(guī)則。通過兩種計算軟件的反應(yīng)譜計算結(jié)果分析，結(jié)果具有大體一致性和普遍規(guī)律性，符合工程力學(xué)概念所做出的判斷。層間位移角、側(cè)向剛度、剪重比和軸壓比均滿足規(guī)范設(shè)計要求。由于存在平面開洞、錯層、躍層、凹進(jìn)等平面不規(guī)則狀況，扭轉(zhuǎn)位移比超限屬于超限結(jié)構(gòu)。針對超限采取的抗震措施如下：

1)整體結(jié)構(gòu)采用構(gòu)件抗震性能目標(biāo)化設(shè)計，轉(zhuǎn)換柱和框架柱，轉(zhuǎn)換梁和框架梁滿足保證中震彈性設(shè)計。

2)通過中震和小震配筋包絡(luò)設(shè)計，實現(xiàn)性能化抗震設(shè)計目標(biāo)的要求。開洞、凹進(jìn)以及錯層樓板在中震作用下進(jìn)行應(yīng)力復(fù)核，滿足中震作用下，樓板鋼筋受拉不屈服，并根據(jù)計算結(jié)果配置樓板軸向抗拉鋼筋。

3)經(jīng)過大震分析表明，結(jié)構(gòu)在大震作用下滿足構(gòu)件抗震性能目標(biāo)化的設(shè)計要求。

4)通過屈曲分析可知，躍層柱的計算長度小于規(guī)范的計算長度，有足夠的安全儲備。結(jié)構(gòu)的框架柱計算均可按規(guī)范取值。

綜上所述，通過采取以上措施可確保結(jié)構(gòu)滿足所設(shè)定性能目標(biāo)要求。