李小龍

(廈門合立道工程設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司 福建廈門 361004)

1 工程概況

莆田涵江水韻城位于涵江老城區(qū)核心地段，項(xiàng)目地上4層，局部5層，地下3層，建筑高度32.2 m，總建筑面積84 013.69 m2。結(jié)構(gòu)型式為框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)高度31.7m。地下室三層層高3.6m, 地下室二層層高4.9m，地下一層層高6.3m；地面建筑一層層高5.7m，二～四層層高5.2m，五層層高10.4m，五層夾層層高5.2m(效果圖見圖1，剖面圖見圖2)。

圖1 建筑效果圖

圖2 建筑剖面圖

該項(xiàng)目設(shè)防類別為乙類，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限50年。所在地區(qū)的抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.10g，設(shè)計(jì)地震分組第三組，場(chǎng)地類別Ⅱ類，結(jié)構(gòu)阻尼比5%。50年一遇的基本風(fēng)壓0.7kN/m2，地面粗糙度B類。

2 結(jié)構(gòu)體系及設(shè)計(jì)難點(diǎn)

2.1 結(jié)構(gòu)體系

主樓采用框架體系，結(jié)合現(xiàn)有建筑平面布置條件，為滿足建筑功能要求，考慮主體結(jié)構(gòu)不設(shè)縫，最大長(zhǎng)度約178m。建筑中庭、通廊區(qū)域存在跨度15m～24m較大跨度結(jié)構(gòu)，中庭走廊懸挑長(zhǎng)度為3m～7m，上述區(qū)域均采用鋼筋混凝土梁。樓面結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土梁板樓面體系，樓層板厚度110mm～120mm。五層屋面大跨度框架采用型鋼混凝土梁、柱結(jié)構(gòu)，典型平面圖如圖3所示。

圖3 建筑平面圖

2.2 設(shè)計(jì)難點(diǎn)

依據(jù)住建部建質(zhì)〔2015〕67號(hào)文件《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》，經(jīng)判斷，該工程存在如下設(shè)計(jì)難點(diǎn)：

(1)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則：主樓三、四層在Y+偶然偏心規(guī)定水平力作用下扭轉(zhuǎn)位移比最大值達(dá)1.41、1.47，具有較多樓層扭轉(zhuǎn)位移比大于1.4，屬扭轉(zhuǎn)偏大情況。

(2)凹凸不規(guī)則：平面凹進(jìn)尺寸為相應(yīng)投影方向總尺寸66%。

(3)樓板不連續(xù)：標(biāo)準(zhǔn)層有效樓板寬度為樓板典型寬度的38%。

(4)尺寸突變：五層與四層交接處縮進(jìn)63%。

(5)五層影院存在10.4m穿層柱。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析、抗震設(shè)計(jì)及措施

3.1 多遇地震作用整體計(jì)算分析

采用考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)的振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行多遇地震整體結(jié)構(gòu)計(jì)算，選用較多振型以充分考慮高階振型的影響，并考慮偶然偏心和雙向地震等不利因素。

采用YJK和MIDAS2種不同軟件分別計(jì)算，兩者結(jié)果基本吻合，相關(guān)指標(biāo)均滿足相關(guān)規(guī)范要求。扭轉(zhuǎn)位移比計(jì)算結(jié)果，除三、四層角柱計(jì)算值超過1.4，余均滿足不大于1.4規(guī)范要求。具體計(jì)算結(jié)果如表1所示。

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010)[1]5.1.2條，該工程還需采用彈性時(shí)程分析法進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算。根據(jù)場(chǎng)地性質(zhì)，選擇2條天然地震波及1條人工波在滿足統(tǒng)計(jì)意義相符的前提下進(jìn)行分析(圖4)。計(jì)算結(jié)果如圖5及表2所示。

表1 結(jié)構(gòu)分析主要結(jié)果對(duì)比

圖4 規(guī)范譜與地震波平均譜對(duì)比圖

(a)層間位移角

(b)樓層剪力圖5 時(shí)程分析計(jì)算結(jié)果

表2 時(shí)程分析計(jì)算結(jié)果

從結(jié)果可知，每條時(shí)程曲線計(jì)算所得底部剪力值、3條時(shí)程曲線計(jì)算所得底部剪力平均值，大于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果65%、80%，3條時(shí)程曲線計(jì)算結(jié)果，包絡(luò)值均小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果；時(shí)程曲線X向及Y向?qū)娱g位移角計(jì)算結(jié)果，包絡(luò)值均小于規(guī)范1/550的要求。因此，時(shí)程分析結(jié)果可滿足規(guī)范要求。

3.2 罕遇地震作用整體計(jì)算分析

對(duì)于罕遇地震，采用靜力彈塑性分析方法。根據(jù)PUSHOVER計(jì)算結(jié)果，罕遇地震需求譜曲線與結(jié)構(gòu)能力譜曲線在兩個(gè)主軸方向上均有交點(diǎn)，X向最大層間位移角為1/176(加載步49)，Y向?yàn)?/183(加載步37)，可滿足規(guī)范1/50限值要求，具體計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

對(duì)于塑性鉸發(fā)展規(guī)律，在X向罕遇地震作用下，整體結(jié)構(gòu)并未出鉸，仍保持彈性狀態(tài)；在Y向罕遇地震作用下，塑性鉸首先出現(xiàn)在框架梁上，隨著推覆的進(jìn)行，框架梁出鉸程度逐漸加大，達(dá)到性能點(diǎn)時(shí)，塑性鉸主要集中在框架梁上，但分布范圍較小，個(gè)別框架柱也出現(xiàn)一定的塑性鉸(圖7)，其部位應(yīng)相應(yīng)加強(qiáng)配筋。

總體而言，全樓框架柱基本未出現(xiàn)塑性鉸，其中大跨度、長(zhǎng)懸臂框架梁、柱仍保持彈性工作階段，整體結(jié)構(gòu)出鉸順序及位置合理。

(a)X向推覆結(jié)果

(b)Y向推覆結(jié)果圖6 靜力彈塑性計(jì)算結(jié)果

圖7 Y向罕遇地震塑性鉸分布范圍

3.3 復(fù)雜樓板應(yīng)力分析

該工程由于建筑功能，整體平面存在深凹進(jìn)及較大范圍的樓板開洞(圖8)，導(dǎo)致樓板之間的相互連接較為薄弱，樓板不連續(xù)情況顯著；同時(shí)，五層與四層交接處，存在一定的立面體型縮進(jìn)，當(dāng)上部地震作用往下傳遞到下部結(jié)構(gòu)時(shí)，樓板將承擔(dān)較大的面內(nèi)應(yīng)力。

鑒于上述部位的平立面不規(guī)則性，可能造成樓板受力復(fù)雜，產(chǎn)生較大應(yīng)力集中。對(duì)此，采用符合樓板平面剛度變化的模型，針對(duì)上述部位進(jìn)行地震工況樓板應(yīng)力分析，運(yùn)用MIDAS-GEN軟件進(jìn)行多遇、設(shè)防地震作用樓板應(yīng)力計(jì)算。

圖8 樓板不連續(xù)情況

計(jì)算結(jié)果表明，在多遇地震工況下，樓板未出現(xiàn)較大范圍的應(yīng)力集中現(xiàn)象。在x向多遇地震工況下，樓板應(yīng)力分布情況較為均勻；在y向多遇地震工況下，應(yīng)力較大部位則主要集中于中庭通廊部位的洞邊樓板及建筑平面中間區(qū)域樓板。這主要是由于建筑平面兩側(cè)剛度有所差異，中間區(qū)域樓板需承擔(dān)兩側(cè)框架的變形協(xié)調(diào)任務(wù)。整體而言，X、Y向樓板拉應(yīng)力最大值均不超過2N/mm2，小于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，樓板不開裂，局部應(yīng)力較大部位可采用加大板厚、加強(qiáng)配筋等措施。在設(shè)防地震(中震)工況下，樓板應(yīng)力有所增加，局部超過樓板混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的部位，根據(jù)應(yīng)力計(jì)算值加強(qiáng)配筋，保證樓板拉應(yīng)力計(jì)算值不大于所配的鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。典型計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

圖9 典型樓板應(yīng)力分布圖(四層Y向多遇地震)

3.4 扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、豎向體型收進(jìn)分析

3.4.1扭轉(zhuǎn)不規(guī)則分析

該項(xiàng)目前期試算過程中，發(fā)現(xiàn)在Y+偶然偏心規(guī)定水平力作用下，建筑平面左側(cè)角點(diǎn)存在扭轉(zhuǎn)位移比達(dá)1.6以上的情況。經(jīng)分析，這主要是由于建筑平面形狀不規(guī)則，平面中部存在較大深凹進(jìn)，平面相對(duì)過于狹長(zhǎng)，平面兩側(cè)協(xié)調(diào)變形能力較差。另一方面，由于平面左側(cè)存在局部五層，該范圍地震作用往下傳遞到下部結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)引起相關(guān)范圍地震作用增大。正是在上述因素共同作用下，出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)位移比過大的情況。

鑒于上述因素，在滿足軸壓比、梁寬、建筑功能等前提下，通過調(diào)整抗側(cè)力構(gòu)件布置，以及建筑平面左右兩側(cè)區(qū)域框架截面，以盡量降低平面兩側(cè)的剛度差異，提高整體抗扭剛度，并滿足周期比要求，且控制主樓最大扭轉(zhuǎn)位移比小于1.5(最大為1.47)。另外，采用分塊剛性力學(xué)模型進(jìn)行扭轉(zhuǎn)位移比計(jì)算，對(duì)扭轉(zhuǎn)較大部，位采用局部?jī)?nèi)力增大系數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)加強(qiáng)(圖10)。

圖10 加強(qiáng)局部?jī)?nèi)力增大系數(shù)設(shè)計(jì)

3.4.2豎向體型收進(jìn)分析

該工程因局部五層影院功能的需要，與四層交接處存在豎向體型縮進(jìn)問題。一方面，這將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)高階振型明顯(圖11)，引起結(jié)構(gòu)頂部較為顯著的鞭梢效應(yīng)。另一方面，豎向體型收進(jìn)部位，上部結(jié)構(gòu)的地震作用需通過樓板傳遞到下部結(jié)構(gòu)，因此樓板承擔(dān)很大的面內(nèi)應(yīng)力，從而形成薄弱部位。

圖11 振型計(jì)算結(jié)果

針對(duì)上述問題，該工程利用振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算地震作用時(shí)，采用考慮荷載相關(guān)的RIZ向量法，取24個(gè)振型數(shù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算表明，X、Y向平動(dòng)振型參與質(zhì)量系數(shù)均達(dá)到98.77%，已充分考慮高階振型的影響。另一方面，該項(xiàng)目在計(jì)算地震作用時(shí)，已通過彈性時(shí)程分析補(bǔ)充包絡(luò)驗(yàn)算。除此之外，通過振型的分析判斷對(duì)比，可知該工程高階振型對(duì)整體影響并不明顯。

至于體型收進(jìn)交接部位樓板，設(shè)計(jì)過程對(duì)其進(jìn)行板厚與配筋加強(qiáng)。通過前述的樓板應(yīng)力分析表明，在X、Y向多遇地震作用下，交接處樓板最大主應(yīng)力基本不超過1Ma；在設(shè)防地震作用下，則基本不超過2Ma；均小于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，具有足夠的安全儲(chǔ)備。個(gè)別應(yīng)力較大區(qū)域，采取進(jìn)一步的加強(qiáng)措施。

3.5 大跨框架結(jié)構(gòu)、穿層柱計(jì)算

由于建筑要求，五層影院頂板處形成大跨框架結(jié)構(gòu)，且其上方為露天屋面，具有覆土及冷卻塔等荷載作用，荷載效應(yīng)較大。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，在相關(guān)部位采用型鋼混凝土梁、柱作為主要受力構(gòu)件，利用該組合構(gòu)件高強(qiáng)度、高剛度的特點(diǎn)，以保證大跨度框架具有較高的承載能力及穩(wěn)定性，同時(shí)能有效降低梁高，兼顧建筑使用功能要求。

針對(duì)五層局部穿層柱，建模按分層模型和輸入實(shí)際長(zhǎng)度的穿層模型進(jìn)行計(jì)算，取二者計(jì)算結(jié)果包絡(luò)值進(jìn)行設(shè)計(jì)，并按該層其余非穿層框架柱承受地震剪力平均值的1.2倍進(jìn)行復(fù)核加強(qiáng)，同時(shí)對(duì)穿層柱進(jìn)行穩(wěn)定驗(yàn)算。

3.6 超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力分析

該工程主體不設(shè)縫，建筑平面最大長(zhǎng)度約178m，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010-2010)[2]第8.1.1條，現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)伸縮縫最大間距為55m，該工程已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過規(guī)范限值，屬超長(zhǎng)規(guī)模結(jié)構(gòu)，而結(jié)構(gòu)超長(zhǎng)引起的主要問題是溫度作用。為此，該項(xiàng)目采用三維空間分析程序Midas-GEN計(jì)算溫度作用下的樓板應(yīng)力。同時(shí)，考慮莆田市基本氣溫最高35°，最低5°，計(jì)算按初始溫度20℃，分兩工況升溫15°、降溫15°分別輸入。考慮溫度荷載引起的應(yīng)力與約束相關(guān)，溫度應(yīng)力最大發(fā)生在地上首層，因此取二層樓板作為典型樓板進(jìn)行分析，結(jié)果如圖12所示。

圖12 樓板應(yīng)力分析計(jì)算結(jié)果(降溫15°工況)

計(jì)算結(jié)果表明，降溫工況下，整體拉應(yīng)力較大區(qū)域分布在建筑平面中部樓板，達(dá)2N/mm2左右；對(duì)于應(yīng)力較大的個(gè)別部位，如樓板平面頸部、洞邊、凹角，通過增加板厚、加大通長(zhǎng)鋼筋來控制。若假定溫度應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值為2N/mm2，在不考慮混凝土抗拉強(qiáng)度，僅由板筋承擔(dān)時(shí)，則每米寬度內(nèi)折算板筋為1.4×2×110×1000/360=855mm2，考慮板頂板底雙層雙向配筋，則跨中板面所需通長(zhǎng)鋼筋不小于855/2=427mm2；考慮溫度作用組合系數(shù)0.6，則支座及板底跨中處所需附加鋼筋面積為427×0.6=256mm2。

另外，考慮溫度工況會(huì)使梁、柱產(chǎn)生一定的附加內(nèi)力，設(shè)計(jì)采用YJK計(jì)算升降溫工況組合進(jìn)行配筋。

針對(duì)結(jié)構(gòu)超長(zhǎng)問題，除采取相應(yīng)設(shè)計(jì)手段之外，還要求施工單位作好超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的施工方案，通過相應(yīng)的技術(shù)管理手段，確?；炷翝仓氖┕べ|(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

大型綜合體建筑，由于中庭大開洞等建筑平面功能特點(diǎn)，往往容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)體系同時(shí)存在平面不規(guī)則、豎向不規(guī)則、平面超長(zhǎng)、大跨度長(zhǎng)懸挑構(gòu)件等諸多設(shè)計(jì)難點(diǎn)。針對(duì)樓蓋結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，可進(jìn)行多遇、設(shè)防地震樓板應(yīng)力分析，對(duì)可能出現(xiàn)的薄弱部位采取相應(yīng)的設(shè)計(jì)加強(qiáng)措施；對(duì)于大跨度長(zhǎng)懸臂結(jié)構(gòu)，可采用型鋼混凝土梁、柱等適宜的結(jié)構(gòu)形式以迎合建筑大空間需求；對(duì)于超長(zhǎng)平面樓蓋，除設(shè)計(jì)中考慮溫度作用采取相應(yīng)配筋加強(qiáng)措施之外，還需在施工過程中作好超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的施工組織方案(如材料配比使用、澆筑溫控措施、后續(xù)養(yǎng)護(hù)手段等)?？偠灾笮途C合體建筑，需綜合周全的設(shè)計(jì)方案及精細(xì)施工能力，方可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜建筑的精細(xì)化設(shè)計(jì)。