貴陽某商業裙房超限高層抗震結構設計

袁國財

(華南理工大學建筑設計研究院有限公司,廣東 廣州 510641)

0 引言

現代大型商業建筑往往結構復雜,為保證結構安全且經濟適用,需要有針對性的對其進行分析設計。文中以貴陽某商業裙房為例,判別其超限情況,選擇合適的性能目標,采用基于性能的抗震設計方法進行分析、設計,采取一定的加強措施,說明結構安全可靠,可供類似工程參考。

1 工程概況

本工程位于貴陽市云巖區漁安安井片區,總建筑面積397 241 m2,包括3棟住宅塔樓、商業裙房及4層地下室,其中2號塔樓48層,結構高度188.1 m;3號塔樓54層,結構高度206.1 m;4號塔樓51層,結構高度197.1 m;建筑效果圖如圖1所示。在地下室頂板以上通過設置抗震縫將建筑物分為4個結構單元,分別為裙房部分、2號塔樓、3號塔樓和4號塔樓,分縫示意圖如圖2所示,各結構單元嵌固端取在地下室頂板。

設計分析研究對象為裙房部分,效果圖如圖3所示,其中地下室4層,主要使用功能為車庫、設備房和商業,由下至上層高分別為3.5 m,3.5 m,3.5 m,7.0 m,底板面標高-17.5 m;地上裙房7層,主要使用功能為商業、車庫和設備房,1層—7層層高分別為5.4 m,5.1 m,5.1 m,6.4 m,6.0 m,6.0 m,6.0 m(6層、7層結構層高分別為6.5 m,5.5 m)。結構總高度為40 m。

根據《建筑結構可靠性設計統一標準》[1],結構設計使用年限為50 a,建筑結構安全等級為二級,結構重要性系數為γ0=1.0。

結構位移計算采用100年一遇的基本風壓w0=0.35 kN/m2,承載力計算時按基本風壓的1.0倍采用,地面粗糙度類別為C類,體型系數取1.3,結構阻尼比采用5%[2]。

根據《建筑工程抗震設防分類標準》[3],抗震設防類別屬重點設防類。根據《建筑抗震設計規范》[4],抗震設防烈度為6度,設計基本地震加速度值為0.05g,設計地震分組為第1組。根據地勘報告[5],場地類別為Ⅱ類。

2 結構體系

裙房采用鋼筋混凝土框架結構(局部帶支撐)。各條連廊設置分縫斷開,分縫處采用限位滑動支座只傳遞豎向力給另一結構單元,如圖4所示。平面尺寸約為225 m×185 m,高寬比X=0.18,Y=0.22。結構整體分析模型如圖5所示,主要豎向構件的截面尺寸沿豎向變化如表1所示。

表1 豎向構件截面尺寸 mm

采用現澆鋼筋混凝土梁板樓蓋,其中地下3層、地下2層、地下1層樓面為無梁樓蓋,板厚一般為300 mm或400 mm;地下室頂板采用梁板結構,板厚一般為180 mm,2層—4層板厚為120 mm,200 mm(覆土及消防車行走區域),5層板厚為150 mm,200 mm(覆土及消防車行走區域),裙樓屋面(7層)板厚一般為150 mm。局部板跨度較大者相應加厚。

梁截面尺寸一般為:框架梁300 mm×550 mm,300 mm×800 mm,300 mm×1 000 mm,次梁200 mm×500 mm,250 mm×700 mm等。

3 基礎設計

根據上部結構受力需要及地質條件,斜坡上的裙房柱下為旋挖灌注樁,持力層均為中風化泥灰巖,樁端阻力特征值為5.4 MPa;其他裙房墻柱下為擴展基礎,持力層均為中風化泥灰巖,地基承載力特征值為3 MPa。

正負零標高相當于絕對標高1 058 m,地下室抗浮設計水位根據地勘報告取絕對標高1 050.5 m,地下室底板結構面相對標高為-17.5 m。塔樓范圍不需抗浮,非塔樓區域采用抗拔樁抗浮,抗拔樁直徑為800 mm,抗拔承載力特征值為1 000 kN(進入中風化泥灰巖不少于3.0 m)。

非核心筒范圍底板厚度為800 mm,柱下根據實際受力局部加厚。

4 結構超限情況及抗震性能目標

本工程塔樓超限[6]情況如表2所示。

表2 工程超限情況

根據《高層建筑混凝土結構技術規程》[7](簡稱高規)第3.11節,結構抗震性能目標選為C級,多遇地震、設防烈度地震、預估的罕遇地震作用下所對應的結構抗震性能水準、層間位移角限值及結構構件性能目標如表3所示。根據《高規》第3.7.5條規定,框架結構薄弱部位的層間彈塑性位移角限值為1/50,本工程從嚴要求,提高結構的層間彈塑性位移角限值至1/100。

表3 抗震性能目標

5 結構分析

5.1 小震彈性分析

采用YJK結構分析軟件進行小震彈性分析,并與PKPM結構分析軟件得到的計算結果進行對比分析,結果如表4所示,可見兩個程序整體指標分析結果接近,各項指標均滿足規范要求,說明結構分析模型能較準確反映結構的實際受力情況,分析結果合理有效。

表4 YJK,PKPM 軟件主要計算結果

根據《高規》4.3.4條規定,采用彈性時程分析法進行多遇地震下的補充驗算。按建筑場地類別和設計地震分組選取5條實際地震記錄和2條人工模擬的加速度時程曲線,計算結果見表5。結果顯示,時程曲線選取合適,結構反應平均值與CQC法基本持平,滿足規范要求。

表5 彈性時程分析計算結果

5.2 中震等效彈性分析

采取YJK進行中震等效彈性計算,具體參數為:αmax=0.12,Tg=0.35 s,周期折減系數取為1,中梁剛度放大系數取為1.5,連梁剛度折減系數取為0.5,結構阻尼比取為5%。結果表明,底層框架柱、錯層柱、穿層柱、轉換柱和轉換梁滿足中震抗剪彈性、壓彎不屈服的C級性能目標要求;一般框架柱滿足中震抗剪彈性、壓彎不屈服的C級性能目標要求;所有框架梁已達到中震抗剪不屈服的C級性能目標要求。按等效彈性計算的中震作用下結構相關指標見表6,滿足規程要求。

表6 中震作用下的相關指標

5.3 大震等效彈性分析

采取YJK進行大震等效彈性計算,具體參數為:αmax=0.28,Tg=0.40 s,周期折減系數取為1,中梁剛度放大系數取為1,連梁剛度折減系數取為0.3,結構阻尼比取為5.5%。結果表明,底層框架柱、錯層柱、穿層柱、轉換柱和轉換梁滿足大震抗剪不屈服、壓彎不屈服的C級性能目標要求;一般框架柱剪壓比滿足要求,即抗剪截面驗算滿足C級性能目標要求;所有框架梁剪壓比滿足要求,即抗剪截面驗算滿足C級性能目標要求。按等效彈性計算的大震作用下結構相關指標見表7,滿足規程要求。

表7 大震作用下的相關指標

5.4 大震作用下樓板應力分析

采用YJK分析水平地震作用下樓板的應力。列出部分(6層樓板)分析應力云圖如圖6所示。

計算結果表明:在大震作用下的樓層樓板拉壓應力一般不超過1 MPa,小于混凝土的抗壓、抗拉標準值強度(5層樓板C35,ftk=2.20 MPa,fck=23.4 MPa;其他層樓板C30,ftk=2.01 MPa,fck=20.1 MPa),洞口附近的局部樓板存在應力集中現象,通過雙層雙向拉通板筋、加大板筋配筋率等相應措施,可達到大震樓板受拉不屈服的性能目標;剪應力一般不超過0.5 MPa,小于樓板混凝土的抗剪承載力0.7×ftk=1.407 MPa或1.540 MPa。所有樓板在大震作用下能滿足抗剪不屈服、拉壓不屈服的性能目標。

5.5 靜力彈塑性推覆(Pushover)分析

采用YJK——建筑結構分析與設計軟件程序對建筑物在罕遇地震作用下進行靜力彈塑性推覆分析。分兩步進行加載:第一步為施加重力荷載代表值,并在后續施加水平荷載過程中保持恒定。第二步為逐步施加豎向分布模式為倒三角形的水平荷載。所得的性能點處相關指標如表8所示;性能曲線如圖7所示;性能點處結構出鉸情況如圖8所示。

表8 性能點處相關指標

結果表明:

1)最大層間位移角X向為1/340,Y向為1/384,小于C級抗震性能目標的最大層間位移角限值(1/100)。

2)結構底層的剪重比約為小震時的4.81倍～5.01倍,而大震時的最大層間位移角則為小震時的2.91倍～3.85倍,說明在大震時構件損傷導致結構出現了中等剛度退化,結構阻尼有一定的增長。

3)在推覆過程中,在中間層的結構周邊及支撐附近的框架梁首先出現受彎塑性點,然后沿豎向雙向發展,出現更多塑性點。部分支撐附近的框架梁,在推覆過程中出現彎曲中等損傷,均未出現彎曲破壞和受剪破壞。

4)X向、Y向推覆至性能點時,框架柱均未出現彎曲破壞和受剪破壞。

綜上所述,結構在預估的罕遇地震作用下滿足C級性能目標要求。

6 結構加強措施

借鑒其他項目的超限設計經驗[8-10],結合本工程的結構超限情況,采取針對性的結構加強措施如下:

1)加強局部錯層柱及連層柱構造措施,采用箍筋全高加密,增大縱向配筋率的方法進行加強。

2)樓板的加強措施:裙房5層和屋面樓板加厚至150 mm,其余各層樓板厚均不小于120 mm,適當提高樓板的配筋率,采用雙層雙向配筋,同時適當加強平面凹角部位或洞口附近的梁縱筋和梁腰筋,保證水平力在抗側力構件之間的可靠傳遞,提高結構整體性。

7 結論

按照《高規》結構抗震性能設計要求,設定結構抗震性能目標為C級。分別采用建筑結構分析與設計軟件YJK和PKPM進行了小震下的對比計算,消除單一軟件分析的片面性和局限性。進行了小震下的彈性動力時程分析,并和小震下的振型分解反應譜法計算結果進行對比,地震作用效應取兩者規定值的較大值結果。根據規范反應譜,采用YJK軟件進行整體計算,要求構件滿足預定的中震彈性或中震不屈服、大震不屈服的性能目標。采用YJK軟件進行罕遇地震作用下的靜力彈塑性推覆分析,以驗證結構能夠實現“大震不倒”的設防目標及中度損壞的性能目標。本項目可作為類似工程進行抗震設計的參考。