某V形稀柱大跨梁式轉(zhuǎn)換高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張佳偉，蔣軍，鄭佳鋒，劉啟良

（中機(jī)中聯(lián)工程有限公司，重慶 400000）

1 工程概況

某展覽中心項(xiàng)目，由中間農(nóng)場和周邊3 個(gè)展覽中心A、B、C 構(gòu)成，農(nóng)場和展覽中心通過兩個(gè)連廊連通，單層地下室為一整體。 展覽中心A 有南、 北兩棟塔樓， 兩棟塔樓高度分別為32.6 m 和27.5 m，屬大跨度轉(zhuǎn)換超限結(jié)構(gòu)[1-3]。展覽中心B 和C為多層結(jié)構(gòu)。 展覽中心建筑效果圖見圖1。

圖1 展覽中心建筑效果圖

本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期和設(shè)計(jì)使用年限均為50 年，結(jié)構(gòu)安全性等級為一級，結(jié)構(gòu)嵌固端設(shè)在地下室頂板。

抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類， 抗震設(shè)防烈度為6 度（0.05g），場地分組為第一組，建筑場地類別為Ⅲ類，特征周期0.45 s。本文以展覽中心A 為研究和分析對象。

2 結(jié)構(gòu)體系

2.1 結(jié)構(gòu)方案

2.1.1 塔樓主體結(jié)構(gòu)

展覽中心A 區(qū)主體結(jié)構(gòu)采用鋼框架（少量支撐）結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力體系。 考慮建筑功能分布，利用兩側(cè)塔樓豎向交通核布置鋼支撐，其他位置布置框架柱提供抗側(cè)力剛度。 結(jié)構(gòu)計(jì)算三維模型見圖2。

圖2 結(jié)構(gòu)計(jì)算三維模型

2.1.2 V 形斜柱大跨鋼梁轉(zhuǎn)換

主體結(jié)構(gòu)首層除交通核豎向構(gòu)件可落地至地下室外，其他位置在首層采用V 形斜柱轉(zhuǎn)換以實(shí)現(xiàn)建筑造型需求， 斜柱構(gòu)件為矩形鋼管混凝土柱[4]，截面尺寸為1 000 mm×2 000 mm×50 mm；轉(zhuǎn)換梁最大跨度為18 m，采用箱形截面，截面尺寸為800 mm×1 800 mm×50 mm， 此方案可有效加強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體及構(gòu)件抗扭能力。 首層轉(zhuǎn)換層俯視圖見圖3。

圖3 首層轉(zhuǎn)換層俯視簡圖

2.1.3 主要構(gòu)件信息

主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸見表1，主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件材質(zhì)見表2[5-6]。

表1 主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸mm

表2 主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件材質(zhì)

2.2 嵌固端分析

本項(xiàng)目地上結(jié)構(gòu)由中間農(nóng)場和展覽中心3 個(gè)分區(qū)組成，地下室為一整體，地下室頂板標(biāo)高為-1.5 m。 考慮主樓及相鄰兩跨范圍的地下室內(nèi)構(gòu)件的有效剛度， 地下一層與首層側(cè)向剛度比大于2，地下室頂板可作為上部結(jié)構(gòu)嵌固端。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析

3.1 小震反應(yīng)譜分析

3.1.1 周期與振型

分別采用SATWE 和MIDAS GEN 兩種三維空間結(jié)構(gòu)分析程序進(jìn)行計(jì)算比較，按振型分解反應(yīng)譜法（CQC）進(jìn)行分析計(jì)算，以驗(yàn)證結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果的一致性和準(zhǔn)確性，計(jì)算主要參數(shù)如表3 所示。

兩種軟件計(jì)算結(jié)果見表4。 根據(jù)計(jì)算結(jié)果，兩種軟件計(jì)算結(jié)果中周期比均滿足規(guī)范要求，且振型方向一致，各指標(biāo)誤差均在5%以內(nèi)，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)小震計(jì)算結(jié)果的合理性[7]。

表4 小震周期分析結(jié)果

3.1.2 結(jié)構(gòu)位移

兩種軟件的計(jì)算結(jié)果基本一致；SATWE 計(jì)算出的最大層間位移角為：X 向地震：1/1 108 （2 塔第6 層），Y 向地震：1/1 039（2 塔第6 層），X 向風(fēng)載：1/1 607（2 塔第7 層），Y 向風(fēng)載：1/1 469（2 塔第7 層），均滿足JGJ 99—2015《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[8]第3.5.2 的要求（1/250），結(jié)構(gòu)體系所提供的抗側(cè)剛度能保證結(jié)構(gòu)正常工作并滿足正常使用要求。

3.1.3 剛度比

據(jù)GB 50011—2010 《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(2016 年版)[9]（以下簡稱《抗規(guī)》）第3.4.3 條結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則的樓層側(cè)向剛度比要求 （樓層與其相鄰上層的側(cè)向剛度比值不宜小于0.7，與相鄰上部3 層剛度平均值的比值不宜小于0.8）， 兩軟件分析結(jié)果見表5。

表5 剛度比對比表

由表5 可知，兩軟件計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求，并且結(jié)果具有較高的一致性體現(xiàn)。

3.1.4 受剪承載力之比

根據(jù)《抗規(guī)》第3.4.3 條結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則的樓層受剪承載力要求 （抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的層間受剪承載力不小于相鄰上一層的80%）。 兩軟件對比結(jié)果除1 層作為轉(zhuǎn)換層兩軟件統(tǒng)計(jì)結(jié)果稍有出入外，其他樓層結(jié)果均一致，并均能滿足規(guī)范要求。

3.1.5 傾覆力矩分配

根據(jù)SATWE 計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)傾覆力矩分配情況， 框架柱和支撐兩抗側(cè)力構(gòu)件中， 框架柱承受的地震傾覆力矩約占結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的90%， 結(jié)構(gòu)整體計(jì)算按照鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)是可靠合理的。

3.2 小震彈性時(shí)程分析

計(jì)算選用PKPM 軟件提供的符合規(guī)范要求的兩條天然波和一條人工波進(jìn)行小震彈性時(shí)程補(bǔ)充分析。 圖4 為選用的3 條地震波與規(guī)范反應(yīng)譜對比。

圖4 地震波反應(yīng)譜和規(guī)范反應(yīng)譜對比

彈性時(shí)程分析結(jié)果結(jié)構(gòu)顯示各層位移指標(biāo)均滿足要求，各層位移角均小于1/250。 每條時(shí)程曲線計(jì)算的底部剪力在規(guī)范允許區(qū)間內(nèi)， 均不小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算的65%，且不大于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算的135%； 平均值不小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算的80%， 且不大于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算的120%，滿足規(guī)范要求；并將時(shí)程分析結(jié)果作為CQC 設(shè)計(jì)依據(jù)。

4 大震彈塑性分析

采用PKPM EPDA 軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行大震彈塑性動力時(shí)程分析計(jì)算， 選取符合規(guī)范要求的2 條天然波（TH032TG045、TH3TG045）和一條人工波（RH1TG045）。 圖5 為選用的3 條地震波反應(yīng)譜曲線與規(guī)范反應(yīng)譜對比。

圖5 地震波反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜對比

計(jì)算大震作用下3 條地震波的彈塑性基底剪力Vp， 并與小震彈性基底剪力Ve進(jìn)行對比， 計(jì)算結(jié)果顯示：X向和Y向大震彈塑性基底剪力與小震彈性基底剪力的比值Vp/Ve最大值分別為3.66 和3.78； 主體結(jié)構(gòu)最大層間位移角均小于規(guī)范限值1/50，滿足性能目標(biāo)要求；主體結(jié)構(gòu)基本無損傷，抗震性能良好。

5 結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施

1）根據(jù)《抗規(guī)》8.1.3 規(guī)定，本工程抗震等級為無抗震等級，將主體鋼結(jié)構(gòu)抗震等級提高至四級， 轉(zhuǎn)換斜柱抗震等級再提高一級至三級，以確保豎向關(guān)鍵構(gòu)件有充足的抗震安全冗余度。

2）加強(qiáng)首層轉(zhuǎn)換層抗震構(gòu)造措施，轉(zhuǎn)換斜柱采用鋼管混凝土，轉(zhuǎn)換梁采用方鋼管。

3）樓板不連續(xù)區(qū)域和平面凹進(jìn)區(qū)域，樓板厚度150 mm，樓板鋼筋采用雙層雙向拉通布置， 并按彈性板計(jì)算復(fù)核樓板配筋，配筋率不小于0.25%。

4）地下室頂板及轉(zhuǎn)換層樓板板厚取200 mm，采用雙層雙向配筋，并控制配筋率不小于0.30%；普通樓板板厚為150 mm，采用雙層雙向配筋，并控制配筋率不小于0.20%。

6 結(jié)論

1）本工程采用鋼框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)最大高度為37.7 m，主要存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、樓板不連續(xù)、塔樓偏置等情況，定義為特殊類高層建筑。 采用了性能化的抗震設(shè)計(jì)方法，根據(jù)建筑物的重要性選用C 級性能目標(biāo)，分別按性能水準(zhǔn)“1、3、4”驗(yàn)算結(jié)構(gòu)在多遇地震、設(shè)防烈度地震、預(yù)估罕遇地震作用下的構(gòu)件承載能力。

通過計(jì)算分析結(jié)果表明： 本工程能夠滿足設(shè)定的C 級抗震性能目標(biāo)，滿足“小震（多遇地震）不壞、中震可修、大震不倒”的設(shè)計(jì)要求。

2）采用不同兩種有限元程序進(jìn)行結(jié)構(gòu)多遇地震下的彈性計(jì)算，其結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，且各項(xiàng)指標(biāo)誤差均在允許范圍內(nèi)。

3）多遇地震下采用彈性時(shí)程反應(yīng)譜法進(jìn)行補(bǔ)充分析，根據(jù)剪力分析結(jié)果對各個(gè)樓層剪力進(jìn)行放大， 進(jìn)一步保證結(jié)構(gòu)安全性。

4）大震彈塑性分析結(jié)果表明，主體結(jié)構(gòu)最大層間位移角均小于規(guī)范限值1/50，主體結(jié)構(gòu)基本無損傷，滿足預(yù)設(shè)性能目標(biāo)要求。