高宇斌

(廈門上城建筑設(shè)計有限公司 福建廈門 361012)

1 工程概況

該項目位于廈門市海滄區(qū)海滄大橋南側(cè)，該建筑物由1棟高層酒店、1棟高層辦公樓、1棟多層配套用房、裙樓、一層地下室及一座連廊組成。本次超限審查為高層酒店(即1#樓)(圖1)，建筑體型簡潔，一側(cè)山墻逐層收進。地上28層，地下一層，標準層平面尺寸為60.75m×24m，建筑高寬比為5。底部4層層高分別為6.6m、5.6m、6.6m及5m，第五層為機電轉(zhuǎn)換層，層高僅2.15m，6～26層層高均為3.8m，27～28層高均為4.5m，樓梯間及屋頂機房部分層高5m，且樓梯間及屋頂機房部分所占面積超標準層面積的30%，故結(jié)構(gòu)計算高度為樓梯間及屋頂機房屋面標高，則建筑高度為119.75m(樓梯間及屋頂機房屋面標高)+0.15(室內(nèi)外高差)=119.9m。根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查要點》，該工程存在3項不規(guī)則，屬于超限高層結(jié)構(gòu)。

圖1 建筑效果圖

工程設(shè)計使用年限為50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，抗震設(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防烈度為7度(0.15g)，場地類別為II類，設(shè)計地震分組為第二組，地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為甲級，地面粗糙度類別為A類，荷載取值及其他相關(guān)設(shè)計參數(shù)按照國家現(xiàn)行規(guī)范執(zhí)行。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)體系

該工程一至四層為大開間使用空間，二層建筑功能需要局部挑空，根據(jù)建筑功能需求，結(jié)構(gòu)體系選擇框架剪力墻結(jié)構(gòu)形式，剪力墻布置在樓梯電梯部位及不影響建筑使用功能的位置，框架抗震等級為二級，剪力墻抗震等級為二級。典型結(jié)構(gòu)平面圖如圖2所示。

圖2 典型結(jié)構(gòu)平面圖

2.2 基礎(chǔ)設(shè)計

酒店主樓下設(shè)置一層地下室，主樓范圍內(nèi)采用沖孔灌注樁基礎(chǔ)，樁基承臺面標高為1.900(黃)(典型地質(zhì)剖面詳圖3)，沖孔灌注樁以中風(fēng)化花崗巖及碎塊狀強風(fēng)化花崗巖作為樁基持力層。樁徑1200mm,樁長約20m～30m，樁端進入中風(fēng)化花崗巖層不小于1m，進入碎塊狀強風(fēng)化花崗巖層不小于3m，沖孔灌注樁做后注漿處理。單樁豎向抗壓承載力特征值為10 000kN。為消除主樓和純地下室之間沉降差，在主樓和純地下室之間設(shè)置沉降后澆帶，后澆帶需在主樓結(jié)構(gòu)封頂且沉降穩(wěn)定后方可封閉。

圖3 典型地質(zhì)剖面

2.3 超限情況

該工程設(shè)計中存在的超限情況：

(1)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，在考慮偶然偏心影響的地震作用下，樓層豎向構(gòu)件的最大水平位移和層間位移大于該樓層平均值的1.2倍。

(2)局部穿層柱、墻，由于建筑2層開大洞導(dǎo)致局部柱、墻為穿層柱、墻(圖4)。

圖4 建筑二層局部平面布置圖

(3)個別豎向構(gòu)件的轉(zhuǎn)換，由于建筑立面收進，1-11軸交1-C軸框架柱在六層樓面轉(zhuǎn)換。7層～19層此梁上柱為建筑立面收進后角柱。設(shè)計時，利用四層及五層二層做斜撐轉(zhuǎn)換，既解決了角柱無法落至基礎(chǔ)的問題，又對建筑功能無影響，如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)換部位詳圖

綜合考慮建筑高度、規(guī)則性、抗震設(shè)防類別、設(shè)防烈度、場地條件等按《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ3-2010)[2]第3.11條，設(shè)定結(jié)構(gòu)抗震性能目標為C級，對結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件的性能化要求如表1所示。

表1 關(guān)鍵構(gòu)件性能目標

2.4 超限審查專家組意見及設(shè)計中采取的措施

2.4.1專家組意見

(1)酒店主樓三層樓板以下，1-7軸右側(cè)(含1-7軸)豎向構(gòu)件抗震等級提高一級，穿層柱及穿層墻按中震彈性進行復(fù)核，對穿層墻進行穩(wěn)定性驗算。

(2)二層樓板大開洞，本層樓板及上一層樓板均應(yīng)加強，整體分析計算時采用彈性樓板。

(3)電梯井邊筒剪力墻沒有樓板相連，應(yīng)采取措施增加平面外剛度，并應(yīng)做穩(wěn)定性驗算。

(4)扭轉(zhuǎn)位移比偏大，應(yīng)采取加大結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)剛度措施。

(5)斜撐按中震抗剪彈性、抗彎彈性進行復(fù)核。

(6)斜撐底部的框架梁，應(yīng)能承受斜撐產(chǎn)生的全部拉力。

2.4.2設(shè)計中采取的措施

(1)按專家意見進行設(shè)計。

(2)二層及三層樓板板厚加厚至150mm，并采用雙層雙向拉通配筋，拉通鋼筋的配筋率不小于0.3%，整體分析計算時采用彈性樓板,同時對樓板進行有限元應(yīng)力補充分析。

(3)電梯井邊筒，采用剪力墻圍合形成剛度較大的筒體，并進行穩(wěn)定性驗算。

(4)加大邊框梁截面，增加邊框梁剛度，減少扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

(5)斜撐按中震抗剪彈性、抗彎彈性復(fù)核，斜撐內(nèi)設(shè)置型鋼，設(shè)計中對斜撐及與斜撐相連的轉(zhuǎn)換柱、與斜撐相連的四層樓面框架梁均設(shè)置型鋼，并進行性能化設(shè)計。與斜撐相連的轉(zhuǎn)換柱型鋼設(shè)置至六層樓面。與轉(zhuǎn)換構(gòu)件相連的樓板按彈性板進行設(shè)計，樓板板厚加厚至150mm并采用雙層雙向拉通配筋，拉通鋼筋的配筋率不小于0.3%。

(6)斜撐底部的框架梁按小震進行設(shè)計，梁內(nèi)型鋼承擔(dān)中震彈性下斜桿產(chǎn)生的全部拉力。

(7)斜撐轉(zhuǎn)換部位涉及三層樓面，從設(shè)計機理上來說三層樓面共同作用，每層與斜撐相連的框架梁均會產(chǎn)生水平力，設(shè)計中對此3層與斜撐相連的樓板進行彈性樓板定義。查其內(nèi)力結(jié)果表明，斜撐底部(4層)框架梁內(nèi)力最大。為此超限審查中提出應(yīng)按計算結(jié)果與中震下斜撐軸力在底部產(chǎn)生的水平分量進行包絡(luò)設(shè)計，拉力全部由型鋼混凝土梁內(nèi)型鋼承擔(dān)。比較結(jié)果表明，斜撐在中震下產(chǎn)生的拉力(全部由型鋼承擔(dān))較大，其內(nèi)力結(jié)果及設(shè)置型鋼截面如表2所示，與斜撐相連的框架梁均按轉(zhuǎn)換梁進行設(shè)計。

表2 斜撐內(nèi)力結(jié)果及型鋼截面

斜撐底部框梁截面尺寸為1000×1000，斜撐中震下產(chǎn)生的水平分量(拉力)=max{16 019cos48.32,21 371cos58.15}=11 277kN，設(shè)置BH600×450×34×34(Q345)。

(8)關(guān)鍵部位節(jié)點處理。該工程中關(guān)鍵節(jié)點部位根據(jù)節(jié)點內(nèi)力和構(gòu)造要求分別進行了加強處理，如圖6～圖7所示，對于型鋼混凝土柱、型鋼混凝土梁及型鋼混凝土斜撐連接節(jié)點處設(shè)置加勁肋，型鋼翼緣設(shè)置栓釘，對于節(jié)點區(qū)域要求在工廠連接，焊縫等級不低于二級，斜撐及斜撐與框架柱節(jié)點設(shè)計如圖6所示。

圖6 斜撐根部連接詳圖

斜撐頂部處節(jié)點設(shè)計如圖7所示。

圖7 斜撐頂部連接詳圖

3 結(jié)構(gòu)計算分析

該工程選用SATWE軟件、PMSAP軟件進行彈性分析對比，并考慮偶然偏心、雙向地震作用、扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)以及施工模擬加載的影響。

3.1 主要截面和材料

從結(jié)構(gòu)整體分析出發(fā)，對結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件進行設(shè)計分析，構(gòu)件尺寸如表3所示。

表3 主要構(gòu)件尺寸

混凝土等級如表4所示。

表4 混凝土等級

3.2 多遇地震作用下彈性分析

多遇地震下選用SATWE軟件、PMSAP軟件進行彈性分析對比，分析結(jié)果如表5所示。

表5 多遇地震下選用SATWE軟件、PMSAP軟件進行彈性分析對比

由計算結(jié)果可得，結(jié)構(gòu)自振周期、剪重比、地震及風(fēng)荷載作用下的最大層間位移角和位移比等參數(shù)，均滿足高規(guī)及抗規(guī)的要求，同時分析結(jié)果較接近，整體結(jié)構(gòu)自振特性良好，結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。

3.3 中震設(shè)計

中震作用計算，采用基于彈性反應(yīng)譜CQC法的SATWE軟件按中震彈性計算。中震彈性計算，不計入內(nèi)力調(diào)整系數(shù)，計入抗震承載力調(diào)整系數(shù)，計入荷載和地震作用分項系數(shù)，構(gòu)件材料強度采用設(shè)計值。

3.4 框架-剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計

該工程采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系，根據(jù)SATWE軟件計算結(jié)果，框架在規(guī)定水平力作用下結(jié)構(gòu)底層框架部分承受的地震傾覆力矩與結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的比值，X向為23%，Y向為11.33%應(yīng)按框架剪力墻結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。其框架剪力按《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(以下簡稱《高規(guī)》)第8.1.4條進行調(diào)整。

3.5 整體穩(wěn)定性和抗傾覆驗算

該工程建筑高寬比5，根據(jù)計算結(jié)果基底無零應(yīng)力區(qū)，滿足要求。X向結(jié)構(gòu)剛重比EJd/GH2=5.84，Y向結(jié)構(gòu)剛重比EJd/GH2=5.52，滿足《高規(guī)》第5.4.4條整體穩(wěn)定性驗算，且可以不考慮重力二階效應(yīng)。

3.6 彈性時程分析

該工程選取2條天然波和1條人工波，根據(jù)計算規(guī)范譜與地震波譜對比圖及最大樓層剪力曲線，如圖8～圖9所示，0度和90度基底剪力及與CQC比值如表6所示。

圖8 規(guī)范譜與地震波譜對比圖

圖9 最大樓層剪力曲線圖注：該工程彈性時程分析時，每條時程曲線計算所得結(jié)構(gòu)底部剪力均不小于振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的65%,且計算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值不小于振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的80%。

表6 0度和90度基底剪力及與CQC比值

根據(jù)圖8～圖9及表6可以得出，時程分析滿足多條時程分析曲線計算所得的結(jié)構(gòu)基底剪力的平均值不小于振型分解反應(yīng)譜法結(jié)果的80%，每條時程曲線計算所得的結(jié)構(gòu)基底剪力不小于振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的65%。所選時程曲線滿足高規(guī)及抗規(guī)要求。

該工程選取三組時程曲線進行計算，結(jié)構(gòu)地震作用效應(yīng)取時程分析法計算結(jié)果的包絡(luò)值與振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的較大值。在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，根據(jù)時程分析結(jié)果，對21層～31層結(jié)構(gòu)地震力進行放大，放大系數(shù)根據(jù)結(jié)果取1.1。

4 結(jié)語

在該超限結(jié)構(gòu)設(shè)計中，根據(jù)抗震設(shè)計原則及建筑特點，首先選用合適的結(jié)構(gòu)體系及合理布置豎向構(gòu)件并做優(yōu)化，使之具有良好的結(jié)構(gòu)性能?？拐鹪O(shè)計中采用性能化設(shè)計方法，除保證結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下完全處于彈性階段外，還補充了主要構(gòu)件在設(shè)防烈度地震作用下的性能要求。計算結(jié)果表明，基本滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》及《高規(guī)》的有關(guān)要求，結(jié)構(gòu)不規(guī)則程度得到了基本有效的控制。同時，通過各階段的計算程序分析結(jié)果，對關(guān)鍵和重要構(gòu)件采用型鋼混凝土柱、型鋼混凝土斜撐及型鋼混凝土梁，在構(gòu)造方面采取了可靠的措施。該工程已通過超限審查，現(xiàn)已竣工。