徐曼妮 劉一斌 王海霖

摘 要：某框架結(jié)構(gòu)高度不超限，但存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、凹凸不規(guī)則及尺寸突變不規(guī)則項(xiàng)，同時存在斜柱局部不規(guī)則，屬超限高層。在設(shè)計(jì)中采用抗震性能化設(shè)計(jì)方法，選用適當(dāng)?shù)目拐鹦阅苣繕?biāo)，并對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重力荷載、風(fēng)荷載及溫度作用分析，結(jié)合抗震概念設(shè)計(jì)，采取了適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)措施，保證了結(jié)構(gòu)即安全又經(jīng)濟(jì)。

關(guān)鍵詞：性能化設(shè)計(jì);抗震;超限高層

近年來，隨著建筑使用功能、立面效果的要求提高，復(fù)雜超限高層建筑越來越常見，如何保證這類建筑的安全、經(jīng)濟(jì)成為一個結(jié)構(gòu)工程師必須要面對的課題。對此類結(jié)構(gòu)采用性能化設(shè)計(jì)是一個合理、有效的解決方案，本文以某復(fù)雜超限框架結(jié)構(gòu)為例，說明了超限高層框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的具體過程。

1、工程概況

本項(xiàng)目為一座集商業(yè)展示、會議、辦公、餐飲為一體的建筑物，項(xiàng)目總建筑面積107810平方米，地上建筑面積48467平方米，地下室建筑面積59343平方米，地上七層，地下三層，建筑高度為36.1米，地上最大平面尺寸為124×111米。本項(xiàng)目在外立面設(shè)計(jì)上采用圓弧、曲線等展現(xiàn)出動態(tài)的輪廓效果，裙房外立面采用傾斜式玻璃幕層層收進(jìn)，塔樓在空間上看有四條明顯的縱肋，四角幕墻呈從下到上收進(jìn)的弧形。結(jié)合建筑造型，結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)主要呈弧形，塔樓四角傾斜式幕墻處結(jié)構(gòu)采用斜柱處理。

2、荷載

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012），本工程所在地50年重現(xiàn)期基本風(fēng)壓Wo=0.65 kN/m2，建筑物地面粗糙度類別為B類。50年重現(xiàn)期基本雪壓So=0.45 kN/m2，雪荷載準(zhǔn)永久值系數(shù)分區(qū)為Ⅰ區(qū)?？拐鹪O(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本加速度為0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，特征周期為0.35s，場地類別為Ⅱ類。施工階段溫降工況荷載為 -48℃，溫升工況荷載為40.7℃;使用階段溫降工況荷載為-41℃，溫升工況荷載為22℃。

3、結(jié)構(gòu)超限分析

本工程存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、凹凸不規(guī)則、尺寸突變不規(guī)則項(xiàng)，同時存在斜柱局部不規(guī)則。

根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防管理規(guī)定》（建設(shè)部令第111號）、《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)[2015]67號），本工程屬超限高層。

3.1性能目標(biāo)

針對本工程超限類型，采取了結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計(jì)的措施。結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)按照《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)積水規(guī)程》（JGJ3-2010）第3.11節(jié)內(nèi)容執(zhí)行，綜合考慮結(jié)構(gòu)不規(guī)則項(xiàng)、建筑的功能和規(guī)模，設(shè)定結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)為C級，結(jié)構(gòu)各部位構(gòu)件性能化設(shè)計(jì)的具體要求如表1所示。

3.2分析內(nèi)容

（1）對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重力荷載、多遇地震及風(fēng)荷載計(jì)算，采用YJK和MIDAS兩個軟件相互校核指標(biāo)，確保結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的準(zhǔn)確性。

（2）采用YJK軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體模型和兩塔樓分開的模型（單塔模型）進(jìn)行計(jì)算比較，按二者包絡(luò)設(shè)計(jì)配筋。

（3）采用YJK軟件對跨度較大區(qū)域樓板進(jìn)行舒適度分析，保證樓板舒適度滿足要求。

（4）采用YJK軟件對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度作用下的樓板應(yīng)力分析，發(fā)現(xiàn)溫度作用的薄弱部位。

（5）多遇地震時程分析采用YJK進(jìn)行計(jì)算，分析結(jié)構(gòu)在地震波作用下的反應(yīng)，并將樓層剪力與CQC結(jié)果進(jìn)行對比。

（6）采用YJK進(jìn)行中震性能判別，分析結(jié)構(gòu)在設(shè)防地震下的工作情況。通過不同的參數(shù)設(shè)定，分別驗(yàn)算中震不屈服和中震彈性兩種工況，復(fù)核不同構(gòu)件的中震性能水準(zhǔn)，作為調(diào)整構(gòu)件截面、配筋的設(shè)計(jì)依據(jù)。

（7）采用YJK軟件按等效彈性方法計(jì)算指定構(gòu)件是否在大震下滿足抗剪不屈服性能目標(biāo)。

（8）采用YJK-EP進(jìn)行動力彈塑性時程分析，分析結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的薄弱部位、構(gòu)件塑性發(fā)展及破壞順序，驗(yàn)證大震不倒的整體目標(biāo)和各類構(gòu)件的大震性能水準(zhǔn)。

3.3 分析結(jié)果及加強(qiáng)措施

針對本工程超限情況及設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)問題，在設(shè)計(jì)中采取如下補(bǔ)充分析及加強(qiáng)措施，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。

（1）采用YJK和MIDAS進(jìn)行剛性板假定下的整體指標(biāo)對比，互相校核重力荷載、地震作用及風(fēng)荷載下的計(jì)算結(jié)果，確保結(jié)構(gòu)整體計(jì)算指標(biāo)準(zhǔn)確可靠，計(jì)算結(jié)果表明兩個計(jì)算軟件的各項(xiàng)指標(biāo)較為接近，說明模型真實(shí)可靠。結(jié)構(gòu)計(jì)算的周期比為0.877，其它各項(xiàng)指標(biāo)滿足規(guī)范要求。

（2）對結(jié)構(gòu)整體模型和兩塔樓分開的模型（單體模型）進(jìn)行了對比，計(jì)算結(jié)果表明單塔模型計(jì)算的樓層剪力比整體模型小，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時仍偏于安全的按單體模型與整體模型包絡(luò)設(shè)計(jì)。

（3）利用YJK進(jìn)行了小震彈性時程分析，地震波采用五條天然波和二條人工波，對時程分析的樓層平均剪力與CQC法樓層剪力進(jìn)行了比較，各樓層彈性時程計(jì)算結(jié)果均小于CQC法，故配筋設(shè)計(jì)時可僅按CQC法計(jì)算。各條地震波作用下，X、Y向的最大層間位移角分別為1/1306（2F）、1/1377（2F），小于限值1/550，滿足規(guī)范要求。

（4）對斜柱、四層塔樓間裙房柱及多塔收進(jìn)影響的柱采取提高一級抗震等級的措施，提高薄弱位置構(gòu)件的安全性。對特一級框架柱，除按《高規(guī)》3.10.2條采取放大內(nèi)力、提高加密區(qū)配箍特征值（增加0.02）、提高配筋率（中、邊柱≥1.4%，角柱≥1.6%）的措施外，對軸壓比大于0.6的柱，通過在柱的截面中部設(shè)置芯柱（芯柱配筋率不小于柱截面面積的0.8%）來提高其延性。

（5）對結(jié)構(gòu)各構(gòu)件設(shè)定了不同水準(zhǔn)下的性能目標(biāo)?？蚣苤纯怪姓鹂辜魪椥浴⒖箯澆磺O(shè)計(jì)，與斜柱相連框架梁采用中震抗彎、抗剪不屈服設(shè)計(jì);對斜柱、四層塔樓間裙房柱、塔樓與裙房交界處柱（1～5F）采用大震抗剪不屈服設(shè)計(jì)，并控制其大震損傷程度為輕微損壞，所有豎向構(gòu)件均需滿足大震受剪截面控制條件。對需按中震、大震設(shè)計(jì)的構(gòu)件，最終配筋結(jié)果均與小震結(jié)果進(jìn)行包絡(luò)。

（6）考慮到二～五層兩塔樓間樓板受力復(fù)雜，對其樓板加厚至150mm（三層考慮減輕密肋樓蓋自重，板厚取100mm），采用雙層雙向配筋，每層每方向配筋率不小于0.25%，并對其按中震受拉不屈服計(jì)算結(jié)果復(fù)核，同時保證其在罕遇地震作用下抗剪不屈服，以確保水平地震力的有效傳遞。

（7）對跨度較大區(qū)域樓板進(jìn)行了舒適度分析，結(jié)果表明舒適度滿足要求。

（8）對樓板進(jìn)行了溫度應(yīng)力分析，對溫度影響較大的的地方采用加強(qiáng)配筋的方式抵抗溫度應(yīng)力，對溫度應(yīng)力集中的洞口邊樓板采用在板中增設(shè)鋼筋網(wǎng)片處理。

（9）考慮結(jié)構(gòu)體型較復(fù)雜，本工程考慮重力荷載、地震與風(fēng)荷載同時參與組合。

（10）對南北兩側(cè)幕墻鋼構(gòu)架與主體結(jié)構(gòu)之間采用弱連接（上端鉸接、下端滑動），弱化對主體結(jié)構(gòu)的剛度貢獻(xiàn)，達(dá)到減小其參與整體地震、溫度作用的效果，實(shí)現(xiàn)其作為整體結(jié)構(gòu)的附屬構(gòu)件。鋼構(gòu)架強(qiáng)度及穩(wěn)定均滿足要求，對撓度不滿足要求的地方采用起拱處理，對折梁節(jié)點(diǎn)利用ansys軟件進(jìn)行了節(jié)點(diǎn)細(xì)化分析，確保節(jié)點(diǎn)的安全可靠。

3.4 結(jié)論

本工程為框架結(jié)構(gòu)，高度36.1m，高度不超限，但存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、凹凸不規(guī)則及尺寸突變不規(guī)則項(xiàng)，同時存在斜柱局部不規(guī)則，屬超限高層。在設(shè)計(jì)中采用抗震性能化設(shè)計(jì)方法，根據(jù)抗震設(shè)計(jì)原則及本工程特點(diǎn)，對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)分析，主要結(jié)論如下：

（1）通過彈性計(jì)算，結(jié)構(gòu)各項(xiàng)指標(biāo)基本滿足規(guī)范的要求，結(jié)構(gòu)沿豎向剛度變化較均勻，沒有產(chǎn)生薄弱層。同時對斜柱、塔樓與裙房交界處柱等關(guān)鍵構(gòu)件及與斜柱相連框架梁采取了更嚴(yán)格的抗震性能要求，保證了結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。

（2）塔樓裙房間連接樓板要協(xié)調(diào)兩塔的振動，受力復(fù)雜，對此進(jìn)行了相應(yīng)的加強(qiáng)，并進(jìn)行了詳細(xì)的應(yīng)力分析，保證樓板中震受拉不屈服，大震抗剪不屈服，確保地震作用下能有效傳遞水平力。

（3）大震下，結(jié)構(gòu)層間位移角滿足規(guī)范要求，實(shí)現(xiàn)“大震不倒”，結(jié)構(gòu)大部分構(gòu)件只出現(xiàn)輕微損壞，并且損傷部位主要在框架梁上，結(jié)構(gòu)形成抗震性能較好的“梁鉸”破壞機(jī)制，具有較強(qiáng)的耗能能力和內(nèi)力重分部能力。

綜上所述，本結(jié)構(gòu)除能滿足豎向荷載和風(fēng)荷載作用下的有關(guān)指標(biāo)外，抗震性能目標(biāo)滿足C級的要求，設(shè)計(jì)合理有效，安全可行。

4、結(jié)束語

本文以某超限高層框架結(jié)構(gòu)為例，介紹了結(jié)構(gòu)超限類型，并針對結(jié)構(gòu)超限特點(diǎn)采取了諸多補(bǔ)充分析及加強(qiáng)措施，保證了結(jié)構(gòu)即安全又經(jīng)濟(jì)，可供此類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時參考。

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