黃暉

福建廈門（361001）

以歐華大廈為例分析超限高層建筑設(shè)計(jì)方法

黃暉

福建廈門（361001）

城市化發(fā)展過(guò)程中，超限高層建筑物以不同結(jié)構(gòu)形式出現(xiàn)，不僅建筑造型奇特，而且設(shè)計(jì)質(zhì)量要求在不斷提高。作為架構(gòu)建筑鋼鐵之軀的結(jié)構(gòu)專業(yè)，如何能更好的把握建筑專業(yè)的脈搏。這里結(jié)合某超限高層建筑物-歐華大廈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，詳細(xì)介紹結(jié)構(gòu)超限高層設(shè)計(jì)的過(guò)程，包括超限判定、計(jì)算分析和構(gòu)造措施等，以期為類似工程設(shè)計(jì)提供參考。

超限高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；超限認(rèn)定；計(jì)算分析

0 引言

近年來(lái)出現(xiàn)了越來(lái)越多的超限高層建筑。為了規(guī)范超限高層建筑設(shè)計(jì),建設(shè)部于2010年7月頒布了《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》[1]。按照此管理規(guī)定，在對(duì)超限高層建筑物進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，除了遵循有關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范之外，還要對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的技術(shù)實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)和超限程度進(jìn)行合理控制。通過(guò)采取抗震設(shè)防措施，提升建筑的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

1 工程概況

本工程項(xiàng)目總占地面積與總建筑面積分別為0.323萬(wàn)m2與1.613萬(wàn)m2,建筑分地上與地下兩層，地上與地下建筑面積分別為0.29萬(wàn)m2與1.323萬(wàn)m2，地上18層，總建筑高度56.9 m，地下層高4.7 m,一層裙房高度6 m，二層裙房高度3.9 m，標(biāo)準(zhǔn)層高度2.9 m（效果及三層平面圖見(jiàn)圖1)。塔樓高寬比與長(zhǎng)寬比分別為3.58與2.85。建筑抗震設(shè)防類別與結(jié)構(gòu)安全等級(jí)分別為丙類、二級(jí)?？拐鹪O(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.05 g。設(shè)計(jì)地震分組：第一組,場(chǎng)地類別Ⅲ類，特征周期Tg=0.45sec，建筑類別調(diào)整后用于結(jié)構(gòu)抗震驗(yàn)算烈度為6度，建筑結(jié)構(gòu)的阻尼比取5%。本樓采用框架、剪力墻結(jié)構(gòu)體系，嵌固端取為地下室頂板，框架抗震等級(jí)四級(jí)、剪力墻三級(jí)，50年一遇的基本風(fēng)壓0.35 kN/m2,地面粗糙度B類。

2 超限認(rèn)定

在認(rèn)定本工程超限情況時(shí)，本文主要結(jié)合建設(shè)部《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》（建質(zhì)【2010】109號(hào)）簡(jiǎn)稱《技術(shù)要點(diǎn)》進(jìn)行初步判斷，具體超限情況如下[2]：

工程18層開(kāi)洞面積≥30%，屬于樓板不連續(xù)（見(jiàn)圖2）。

工程最大扭轉(zhuǎn)位移比在SATWE和PMSAP中分別為1.20和1.24，二者均＞1.2，屬于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。

按照本建設(shè)功能布局需求，大廈裙房結(jié)構(gòu)無(wú)條件設(shè)縫，且塔樓與裙房的Y向質(zhì)心偏心距與X向底盤分別為10.69 m和36.7 m，且偏心29.1%，因此本工程經(jīng)評(píng)定屬于塔樓偏置較大（見(jiàn)圖3）。以上超限情況匯總與表1、表2。

圖1 建筑效果及平面圖

圖2 樓板不連續(xù)

圖3 塔樓偏置

表1 建筑結(jié)構(gòu)一般規(guī)則性超限檢查

表2 建筑結(jié)構(gòu)嚴(yán)重規(guī)則性超限檢查

3 計(jì)算分析

本工程的抗震設(shè)防類別和結(jié)構(gòu)安全等級(jí)分別設(shè)計(jì)為丙類、二級(jí)?？拐鹪O(shè)防烈度為6度，場(chǎng)地土類型為Ⅲ類結(jié)構(gòu)的阻尼比在多遇地震作用下的彈性分析時(shí)取0.05，水平地震影響系數(shù)最大值為0.04。罕遇地震(大震)影響系數(shù)最大值為0.28，地震作用同時(shí)考慮雙向地震作用和偶然偏心的不利影響。分別采用考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)的振型分解反應(yīng)譜法及彈性動(dòng)力時(shí)程分析法計(jì)算結(jié)構(gòu)響應(yīng)，并選用較多的振型以充分考慮高階振型的影響。各振型貢獻(xiàn)按CQC組合，豎向力按模擬施工加荷方式計(jì)算。模型分析選取振型數(shù)目為21個(gè)。針對(duì)本工程的超限情況，擬進(jìn)行多遇地震作用下整體分析和罕遇地震下靜力彈塑性推覆驗(yàn)算，具體計(jì)算措施如下：

采用SATWE及PMSAP兩種不同力學(xué)模型的三維空間分析程序進(jìn)行本工程總體建筑結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移比分析計(jì)算。

通過(guò)彈性動(dòng)力時(shí)程分析法對(duì)多遇地震條件下的建筑結(jié)構(gòu)總體荷載進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算。

通過(guò)pushover方法對(duì)罕遇地震條件下建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算分析。

3.1 多遇地震作用下計(jì)算分析

1）采用SATWE和PMSAP計(jì)算分析本項(xiàng)目采用SATWE和PMSAP兩種不同程序分別計(jì)算，兩種程序從計(jì)算結(jié)果來(lái)看總體較為接近，剪重比、周期比、層間位移角等指標(biāo)均滿足相關(guān)規(guī)范要求，扭轉(zhuǎn)位移比除裙房局部角柱計(jì)算值超過(guò)1.2，其余均滿足規(guī)范不大于1.2的要求。主要計(jì)算對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 結(jié)構(gòu)分析主要結(jié)果對(duì)比（小震作用）

表4 時(shí)程分析與時(shí)程分析結(jié)果對(duì)比表

2）彈性時(shí)程分析計(jì)算

采用彈性時(shí)程分析法進(jìn)行多遇地震作用下的補(bǔ)充計(jì)算，地震波由中國(guó)建筑科學(xué)研究院工程抗震研究所提供。在彈性分析時(shí)主要選?、纛悎?chǎng)地上的人工地震波RH1-AP、TH4TG090及實(shí)測(cè)地震波TH1TG090，規(guī)范要求設(shè)防烈度7度（0.10 g）時(shí)，多遇地震時(shí)程分析采用加速度時(shí)程曲線的最大值為35 cm/S2，在時(shí)程分析過(guò)程中阻尼比和步長(zhǎng)分別取0.05和0.02 s，取地面運(yùn)動(dòng)最大加速度為18 gal，然后對(duì)七組地震波進(jìn)行了計(jì)算分析，具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3及表4。

從結(jié)果來(lái)看，每條時(shí)程曲線計(jì)算所得的結(jié)果底部剪力大于振型分解反應(yīng)譜法結(jié)果的65%，小于振型分解反應(yīng)譜法結(jié)果的135%。多條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)果底部剪力大于振型分解反應(yīng)譜法結(jié)果的80%。因此，SATWE和PMSAP的振型反應(yīng)譜計(jì)算多遇水平地震作用，分析結(jié)果基本吻合，指標(biāo)能夠滿足基本設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

圖4 時(shí)程分析計(jì)算結(jié)果

3.2 罕遇地震作用下計(jì)算分析

本工程還進(jìn)行罕遇地震下整體結(jié)構(gòu)彈塑性變形驗(yàn)算。運(yùn)用PUSHOVER程序?qū)Y(jié)構(gòu)罕遇地震作用下靜力彈塑性推覆計(jì)算，結(jié)果表明：在兩個(gè)計(jì)算方向上，結(jié)構(gòu)能力譜曲線與罕遇地震的需求均有交點(diǎn)，罕遇地震作用下最不利層間位移角為1/394（加載步67.6），滿足規(guī)范1/100的限值要求，具體見(jiàn)圖4。

圖5 PUSHOVER計(jì)算結(jié)果

4 針對(duì)超限的構(gòu)造措施

針對(duì)建筑物塔樓偏置，適當(dāng)加大裙房塔樓另一側(cè)柱截面以及框架梁面積，平衡整體剛度。

將建筑物裙房外圍框架柱抗震等級(jí)提高一級(jí)，箍筋全高加密，減小結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)與扭轉(zhuǎn)位移比。

適當(dāng)提高該建筑裙房部分X向框架梁與樓板的配筋率，提升建筑結(jié)構(gòu)抗扭性能，裙房屋面雙層雙向配筋，板厚增加至120 mm。

因該建筑部分樓層樓板不連續(xù)，因此對(duì)于大洞區(qū)域的周邊板塊，板厚增加至120 mm，并采取雙層雙向配筋，從而提高樓板配筋率。

5 結(jié)語(yǔ)

以某工程為例，詳細(xì)闡明了超限結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程。首先，應(yīng)明確超限結(jié)構(gòu)類型，以此判定結(jié)果展開(kāi)下一步工作。其次，采用至少兩個(gè)分析模型進(jìn)行多遇地震下整體結(jié)構(gòu)分析，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析，并判明薄弱部位。再則，選取多組地震波進(jìn)行彈性時(shí)程分析法，對(duì)其進(jìn)行多遇地震作用下的補(bǔ)充計(jì)算，必要時(shí)還應(yīng)補(bǔ)充罕遇地震作用下整體計(jì)算分析，采取適當(dāng)措施加強(qiáng)結(jié)構(gòu)薄弱部位。

[1]王奇,張根俞,張路.鄂爾多斯東方大廈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].建筑結(jié)構(gòu),2013,43（1）：52-56.

[2]樓夢(mèng)麟,楊明玨.地震動(dòng)擺動(dòng)分量對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)的影響[J].結(jié)構(gòu)工程師,2014,30（1）：86-92.