尚世仲

(華東建筑設(shè)計研究院有限公司，上海 200083)

1 工程概況

本工程的建筑使用功能是旅游觀光塔，模仿火箭發(fā)射塔進行設(shè)計。地上由1個發(fā)射塔和1個火箭模型，共兩個單體組成，總建筑面積約為8 000 m2，有1層地下室，地上14層，主要屋面高度約為75 m。

建筑效果圖見圖1。

抗震設(shè)防烈度為7度(0.15g)，設(shè)計地震分組為第三組，場地類別為Ⅱ類?？拐鹪O(shè)防類別為丙類，設(shè)計使用年限為50年。

2 結(jié)構(gòu)方案

“火箭”單體由6根鋼圓管格構(gòu)柱組成，“火箭”結(jié)構(gòu)從基礎(chǔ)起與“發(fā)射塔”主體結(jié)構(gòu)同步至14層標高，筒體結(jié)構(gòu)分別于第2層,4層,6層,8層,10層處設(shè)置檢修連廊，采用鋼結(jié)構(gòu)。

“火箭”筒體分別在第12層,13層,14層穿各層大懸挑結(jié)構(gòu)，其第12層～14層與懸挑部分在結(jié)構(gòu)上采用6套粘滯阻尼器進行弱連接，目的是豎向“脫開”以釋放豎向力和位移，但在水平面內(nèi)可傳遞兩者樓層間水平作用力。結(jié)構(gòu)平面布置圖見圖2，發(fā)射塔結(jié)構(gòu)立面示意圖見圖3，大懸挑樓層三維示意圖見圖4。

3 結(jié)構(gòu)超限情況

3.1 結(jié)構(gòu)超限判別

根據(jù)DB51/T 5058—2014四川省抗震設(shè)防超限高層建筑工程界定標準[1]、《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點》(建質(zhì)[2015]67號)[2]、JGJ 3—2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[3]的有關(guān)規(guī)定，本工程結(jié)構(gòu)超限情況如下：扭轉(zhuǎn)不規(guī)則：考慮偶然偏心影響的規(guī)定水平地震力作用下，扭轉(zhuǎn)位移比為1.32，大于1.2。豎向不規(guī)則：12層～14層外挑14.3 m>4 m，6層尺寸收進：8.6 m/25.06 m=34.3%>25%，且收進處25.55 m/75.75 m=33.7%>20%。其他不規(guī)則：局部穿層柱。

故本工程屬于具有三項一般不規(guī)則的超限高層建筑。

3.2 結(jié)構(gòu)主要加強措施

1)針對豎向收進處的加強措施。6層豎向收進處及相關(guān)上下2層樓板設(shè)置為180 mm；6層豎向收進處及上下2層的相關(guān)豎向構(gòu)件抗震等級提高一級。2)針對大懸挑樓層的加強措施。12層～14層大懸挑處桁架鋼梁、鋼支撐的抗震等級提高一級；12層～14層與大懸挑相連接的框架柱抗震等級提高一級；12層～14層大懸挑樓層核心筒外筒抗震等級提高一級。3)針對樓板的加強措施。12層～14層樓板存在局部缺失，按彈性板分析設(shè)計，樓板配置雙層雙向鋼筋配筋率不小于0.25%；控制小震下樓板應(yīng)力不超過混凝土受拉強度標準值不小于2.01 MPa，中震下樓板鋼筋不屈服；驗算樓板大震下受力分析確保罕遇地震作用下仍能有效傳遞水平剪力。4)針對核心筒加強的措施。嚴格控制軸壓比及剪壓比，底部加強區(qū)(結(jié)構(gòu)2層～3層)豎向分布筋配筋率提高至0.5%，過渡層(4層板面～7層板面)豎向分布筋配筋率提高至0.45%；核心筒框架抗震等級由二級抗震等級提高一級，核心筒外墻四角的墻肢約束邊緣構(gòu)件通高設(shè)置，剪力墻軸壓比大于0.3的墻肢均設(shè)置約束邊緣構(gòu)件；核心筒部位大于1.0ftk受拉墻肢設(shè)置構(gòu)造型鋼，并對稱布置，對于受拉大于1.0ftk墻肢抗震構(gòu)造等級調(diào)整為特一級。

4 多遇地震結(jié)構(gòu)計算分析

本工程采用SATWE(PKPM 2010版V3.1)和ETABS 2016兩個程序進行多遇地震作用下的抗震性能分析，主要計算結(jié)果見表1，可滿足多遇地震作用下的抗震性能目標要求。

采用彈性時程分析作為振型分解反應(yīng)譜法的補充分析，地震作用效應(yīng)采用振型分解反應(yīng)譜與七組地震波時程分析的較大值進行包絡(luò)設(shè)計。

彈性時程分析結(jié)果顯示，所選七條地震記錄滿足規(guī)范的選波要求，七條波計算得到的X向最大層間位移角為1/1 246，Y向最大層間位移角為1/1 231,均符合現(xiàn)行規(guī)范的要求。時程分析與反應(yīng)譜分析的結(jié)果比較接近，并取兩者包絡(luò)值進行施工圖設(shè)計。

5 結(jié)構(gòu)專項分析

5.1 剛重比限值修正

表1 小震反應(yīng)譜主要計算結(jié)果

結(jié)構(gòu)的剛重比是與結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定及P—Δ效應(yīng)密切相關(guān)的參數(shù)，根據(jù)JGJ 3—2010高規(guī)的第5.4節(jié)有關(guān)規(guī)定，為滿足結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性，剪力墻結(jié)構(gòu)、框架—剪力墻結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足式(1)；當滿足式(2)時，可不考慮重力二階效應(yīng)的不利影響。

(1)

(2)

上述剛重比計算限值是基于建筑體型和荷載均勻分布的假定得出的，僅適用于較規(guī)則的高層建筑。

對于體型復(fù)雜的高層建筑，如頂部連體、頂部大懸挑或體型沿豎向收進結(jié)構(gòu)，其重力荷載沿高度分布差異較大，如按式(1)及式(2)控制，則不能反映出結(jié)構(gòu)的實際情況；對于本工程的頂部大懸挑結(jié)構(gòu)，即使剛重比滿足《高規(guī)》的規(guī)定，結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定可能也無法得到保證。因此需要對《高規(guī)》剛重比限值進行修正。

根據(jù)文獻[4]，控制結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的剛重比限值表達式為：

(3)

彈性計算時可不考慮重力二階效應(yīng)的剛重比限值為：

(4)

其中樓層豎向荷載分布系數(shù)：

(5)

經(jīng)計算本工程β=0.365，代入式(3)，得到剛重比限值為1.48>1.4；代入式(4)，得到剛重比限值2.96>2.7。

由此可知修正后的剛重比限值均比《高規(guī)》的要求有所提高；又因為本工程大懸挑部分采用了鋼結(jié)構(gòu)，自重較輕，因而整體結(jié)構(gòu)的重量沿豎向分布的不均勻程度并不顯著。

SATWE軟件分別計算了地震作用和風(fēng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)剛重比，見表2。

表2 結(jié)構(gòu)剛重比計算值

結(jié)構(gòu)剛重比計算值均遠大于限值，結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性滿足要求，且在彈性計算時可以不考慮重力二階效應(yīng)的影響。

5.2 大懸挑結(jié)構(gòu)舒適度計算

本工程大懸挑樓層采用鋼桁架結(jié)構(gòu)，樓蓋豎向剛度相對偏弱，在滿足結(jié)構(gòu)強度、撓度要求的前提下，進一步對人行激勵下的舒適度問題進行詳細分析。

采用SATWE進行整體結(jié)構(gòu)模態(tài)計算，懸挑結(jié)構(gòu)豎向振動的振型為第4振型，頻率為3.04 Hz；采用ETABS計算時，豎向振動為第5振型，頻率為3.826 Hz，兩個軟件計算的樓蓋振動頻率均略大于3 Hz，滿足《高規(guī)》3.7.7要求。但因其懸挑跨度較大，為進一步了解其舒適度情況，本工程采用時程分析法計算了懸挑部位樓蓋豎向振動在人行激勵下的響應(yīng)情況。

12層～14層大懸挑部位的使用功能為觀光展覽，均可能出現(xiàn)人員密集的情況，本次計算取人群密度為1人/m2，分析工況為各樓層人群激勵同時作用。

單人連續(xù)步行激勵荷載按式(6)確定[5]。

(6)

其中，G為單個人行自重,取質(zhì)量為70 kg/人;αi為動力因子，α1=0.4+0.25(fs-2)，α2=α3=0.1;fs為步行頻率，取懸挑結(jié)構(gòu)自頻率3.04 Hz；φi為相位角，φ1=0，φ2=φ3=π/2。

單人連續(xù)步行激勵荷載函數(shù)曲線見圖5。

當行人密度較大時，行人前后間距很小，行人已不能自由的按本人意愿和習(xí)慣行走，故人群對樓蓋的作用并非按照人數(shù)簡單疊加，本次計算參考文獻，人群荷載的折減系數(shù)(同步概率ps)取為0.2。

采用ETABS軟件時程分析法進行樓蓋結(jié)構(gòu)的舒適度分析，結(jié)構(gòu)阻尼比取0.02。12層～14層大懸挑樓蓋加速度計算結(jié)果如表3所示，可知加速度最大值出現(xiàn)在12層，為0.128 m/s2，小于規(guī)范限定值，結(jié)構(gòu)豎向振動舒適度可滿足要求。

表3 大懸挑結(jié)構(gòu)樓蓋加速度最大值

6 結(jié)語

本工程由發(fā)射塔結(jié)構(gòu)與火箭模型結(jié)構(gòu)兩個單體組成，二者在使用功能上是有聯(lián)系的，但因其結(jié)構(gòu)剛度和質(zhì)量相差較大，故二者之間的關(guān)系處理是設(shè)計的關(guān)鍵點。如將兩個單體的地上結(jié)構(gòu)通過抗震縫徹底分開，雖容易估計其地震作用和采取抗震措施，但火箭模型自身側(cè)向剛度較弱，需要耗費更多的材料，且支撐的設(shè)置會對建筑外立面造成不利影響。另外在地震作用下，抗震縫兩側(cè)的結(jié)構(gòu)可能會發(fā)生碰撞損壞的風(fēng)險。

經(jīng)綜合比較，考慮發(fā)射塔和火箭模型之間采用弱連接，發(fā)射塔為火箭模型提供側(cè)向支撐，通過構(gòu)造處理實現(xiàn)僅傳遞水平力，不傳遞豎向力，以避免大懸挑結(jié)構(gòu)對火箭模型在豎向上的不利影響。既節(jié)省了材料，又提高了結(jié)構(gòu)安全度，同時也有利于建筑使用。

經(jīng)判別，結(jié)構(gòu)存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、豎向較大外挑、尺寸收進及局部穿層柱，共3項一般不規(guī)則項目，針對這些不規(guī)則采取了相應(yīng)的加強措施，提高了結(jié)構(gòu)的抗震性能。

考慮到豎向荷載不均勻分布的影響，對結(jié)構(gòu)剛重比限值進行了修正。對于大懸挑樓蓋豎向舒適度進行了專項分析，計算結(jié)果表明均可達到預(yù)期的性能目標。