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        三亞某酒店裙房超限高層建筑抗震性能設(shè)計

        2020-11-19 07:30:06劉中原張龍生陳志堅
        廣東土木與建筑 2020年11期
        關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)分析

        劉中原,張龍生,陳志堅

        (廣州市設(shè)計院 廣州510620)

        1 工程概況[1]

        某酒店位于海南省三亞市,包括酒店塔樓和南北裙房,建筑效果如圖1所示。

        圖1 建筑效果Fig.1 Architectural Renderings

        南北裙房結(jié)構(gòu)高度均為57.1 m,平面尺寸分別為19.5 m×111.5 m和19.5 m×84.5 m,長寬比分別為5.7和4.3,高寬比均為2.9。南北裙房的平面形狀基本為“L”形,如圖2所示。

        裙房地面以下2層,地面以上12層。B1、B1M、L1層的層高分別為4.5 m、5.5 m、11.4 m,L2~L5、L6、L7~L10、L11、L12層的層高分別為3.6 m、4.0 m、3.6 m、4.9 m、6.7 m,其對應(yīng)的建筑功能分別是:設(shè)備/庫房/停車場、辦公/設(shè)備/餐廳、景觀/餐廳,L2~L12均為酒店客房。頂部建筑層高6.7 m,按結(jié)構(gòu)梁板計算層高4.3 m,頂部有2.4 m 高的架空板和泳池,是屋頂花園和室外泳池。鋼筋全部采用HRB400,混凝土強度等級:梁和板 均 為C35,其 中L2 的 轉(zhuǎn) 換 梁 使 用C60;B1~L1、L2~L7、L8~L12 的 柱 和 剪 力 墻 分 別 選 用C60、C50、C40。B1~L12 樓層的主要構(gòu)件截面如下:框架梁:400×700、400×800、400×900、400×1 200、1 000×2 800(內(nèi)嵌工字鋼2 000×400×30×25);次梁:300×700、300×1 200、300×1 500;剪力墻400、600;柱:800×800、900×900、1 000×2 600(框支柱)。

        圖2 項目位置Fig.2 Project Location

        根據(jù)擬建場地的地勘報告[2],酒店南北裙房基礎(chǔ)形式采用“樁+防水板”的基礎(chǔ)形式,基樁采用沖孔灌注樁,以粘土層作為持力層,單樁承載力特征值為6 500 kN。

        2 設(shè)計參數(shù)

        風(fēng)荷載的設(shè)計參數(shù)為:50年使用年限,二級安全等級,基本風(fēng)壓為0.85 kN/m2,A類場地,體型系數(shù)為1.5。

        地震作用設(shè)計參數(shù)為:Ⅲ類場地,地震分組為第一組,設(shè)防烈度為6度(0.05 gal),特征周期值為0.45 s,抗震地段為一般。

        3 結(jié)構(gòu)體系、超限類型和程度、抗震性能目標(biāo)[3-5]

        本項目為酒店加裙房建筑,結(jié)構(gòu)體系選擇部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)。其中L2 層為結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層,以上為框架剪力墻結(jié)構(gòu),以下部分墻體落地以保證結(jié)構(gòu)的受力性能。L6 層為結(jié)構(gòu)收進部位,L6 層以上為框架剪力墻結(jié)構(gòu),L2 層~L6 層為兩跨框架剪力墻結(jié)構(gòu)。根據(jù)計算分析、建筑平面和立面分析,發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)存在5項不規(guī)則項,如表1所示。

        經(jīng)評審設(shè)定為C 級抗震性能目標(biāo),三大目標(biāo)構(gòu)件必須滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程:JGJ 3-2010》[4]的性能水準(zhǔn)。

        表1 超限類型Tab.1 Structural Characteristic Beyond Code Limit

        圖3 北、南裙房模型計算方向Fig.3 North and South Podium Model Used for Calculation

        4 結(jié)構(gòu)整體計算分析

        4.1 小震彈性分析[6]

        本項目采用ETABS和SATWE軟件對比計算分析。

        由于酒店北裙房、南裙房平面均呈“L”形且“L”形的兩肢夾角為60°,計算方案選取如圖3 所示。由于酒店北裙房、南裙房均為風(fēng)荷載控制,因此需補充計算“最大地震作用方向”旋轉(zhuǎn)至“水平向”時風(fēng)荷載對塔樓的影響。

        小震情況下,采用2款軟件進行結(jié)構(gòu)彈性計算分析并對比結(jié)果。阻尼比參數(shù)取0.05,使用振型分解反應(yīng)譜法,振型數(shù)取36,北、南裙房附加地震相應(yīng)角度分別為31° ,71° ,127° 和-36.4°,-60°,30°。

        計算數(shù)據(jù)和結(jié)果如表2所示。

        表2 彈性結(jié)果分析Tab.2 Comparison of SATWE and ETABS Results

        根據(jù)計算結(jié)果,結(jié)論如下:

        ⑴剪力墻、框架的配筋均在合理范圍,結(jié)構(gòu)周期及位移、基底剪力等均符合文獻[4]要求,剪重比及層間位移角等指標(biāo)均在文獻[4]限值內(nèi),結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面設(shè)計滿足要求,結(jié)構(gòu)體系的選擇較為合理;

        ⑵ETABS與SATWE兩者計算結(jié)果的誤差在可忽略范圍內(nèi),故計算分析模型合理且符合實際工作情況。

        4.2 彈性時程分析

        進行彈性時程分析時,選?、箢悎龅厣? 組天然波以及1 組人工波進行分析[6,7],南、北塔分別選取的天然波如圖4 所示。選取的地震波時長在40 s 左右,地震波按照主次兩個方向輸入(加速度比值最大值為1∶0.85),最大地震加速度為0.225 m/s2。

        圖4 地震波示意圖Fig.4 Diagram of Seismic Waves

        時程分析結(jié)果如圖5~圖8所示。

        ⑴選取的每條地震波滿足文獻[4]要求,有效。

        ⑵規(guī)范反應(yīng)譜計算得出的結(jié)構(gòu)整體數(shù)據(jù)小于彈性時程分析得出的包絡(luò)值。對比北裙房底部剪力發(fā)現(xiàn),X向時程曲線結(jié)果均小于反應(yīng)譜法結(jié)果,而Y向計算包絡(luò)值為其結(jié)果的1.15倍。因此設(shè)計時,北裙房擬對X向不放大,而Y向地震力采取1.15的放大系數(shù)。南裙房X向、Y向地震力采取放大系數(shù)分別為1.12和1.20。

        4.3 靜力彈塑性分析

        為了了解結(jié)構(gòu)的塑性鉸形成的部位,采用軟件進行了彈塑性靜力推覆分析(罕遇地震),驗算結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力及彈塑性變形規(guī)律[5]。

        4.3.1 計算結(jié)果及分析(以酒店北裙房為例)

        ⑴分析得到結(jié)構(gòu)X、Y方向的基底剪力,將其與彈性振型分解法分析結(jié)果進行對比,如表3所示。

        圖5 規(guī)范反應(yīng)譜與時程地震波的對比(北裙房)Fig.5 Comparison of Time-history Response Spectrum and Normative Design Spectrum(North Podium)

        由表3可看出,2種分析方法得到的結(jié)果相當(dāng)。

        ⑵側(cè)向推覆力作用下結(jié)構(gòu)能力譜與需求譜的關(guān)系

        由圖9可知,X向和Y向分別在第23步、第22步加載時,兩個譜曲線(能力及需求)相交,對應(yīng)位置的最大彈塑性層間位移角分別為X向1/341(<1/120)和Y向1/276(<1/120),之后能力譜曲線大于需求譜,表明在罕遇地震下結(jié)構(gòu)的層間位彈塑性移角均小于1/120。

        圖6 北裙房彈性時程分析曲線Fig.6 Time-history Results of North Podium

        圖7 規(guī)范反應(yīng)譜與時程地震波的對比(南裙房)Fig.7 Comparison of Time-history Response Spectrum and Normative Design Spectrum(South Podium)

        圖8 南裙房彈性時程分析曲線Fig.8 Time-history Results of South Podium

        表3 基底剪力比較Tab.3 Data of the Base Shear Force

        ⑶側(cè)向推覆力作用下結(jié)構(gòu)塑性鉸分布規(guī)律

        由圖10可知:在罕遇地震性能點位置,2層、3層的X向受壓側(cè)和受拉側(cè)墻肢出現(xiàn)局部開裂,但未有塑性鉸出現(xiàn)在同樓層位置的框架梁和框支柱構(gòu)件中。同時整體的框架柱,只有一根柱柱端出現(xiàn)塑,其余均未出現(xiàn);在3層的Y向受壓側(cè)、受拉側(cè)墻肢出現(xiàn)了局部開裂,同樓層的框架梁柱及框支柱均未出現(xiàn)顯著的塑性鉸。

        綜上結(jié)果分析表明:

        ⑴在設(shè)防地震下框支柱工作在彈性狀態(tài),底部加強部位墻體除個別墻肢出現(xiàn)了一定的計算開裂,其余墻體全部工作在彈性狀態(tài)。

        ⑵當(dāng)對應(yīng)基底剪力值達到性能點時,塑性狀態(tài)未明顯出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件及豎向構(gòu)件,說明結(jié)構(gòu)正常工作,滿足抗倒塌的抗震性能目標(biāo)。

        圖9 結(jié)構(gòu)譜關(guān)系(能力與需求)Fig.9 Structure Spectrum(Capability and Demand)

        圖10 側(cè)向推覆力作用下塑性鉸分布Fig.10 Plastic Hinge Distribution under Lateral Force of Push-over Analysis

        5 關(guān)鍵構(gòu)件罕遇地震下的抗震性能驗算

        采用ETABS 進行等效彈性大震下轉(zhuǎn)換梁的有限元分析[6,8],確保其在大震下的抗震性能,分析時轉(zhuǎn)換梁按殼單元進行模擬。酒店北裙房其中一榀典型的轉(zhuǎn)換框架的分析結(jié)果如圖11所示。轉(zhuǎn)換梁截面:B×H=1 000 mm×2 800 mm,內(nèi)嵌工字鋼骨2 000 mm×400 mm×25 mm×30 mm,材質(zhì)為Q345B。

        由圖11可知,在大震組合作用下轉(zhuǎn)換梁最大壓應(yīng)力小于混凝土抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值,且滿足剪壓比控制應(yīng)力要求。由于轉(zhuǎn)換梁采用型鋼混凝土截面形式,為了滿足最大剪應(yīng)力和最大拉應(yīng)力的驗算要求,可通過適量的配筋保證其在大震作用下不屈服。

        圖11 轉(zhuǎn)換梁內(nèi)力分布Fig.11 Internal Force Distribution of Transferred Beam

        6 穿層柱分析

        在北裙房中部建筑2~5 層有穿層柱,如圖12 所示。該柱在東西向連續(xù)3 層無梁拉結(jié),南北向每層有梁拉結(jié),柱尺寸800 mm×800 mm。先給模型加載1.0D+1.0L,然后在柱頂施加單位屈曲力,求得屈曲臨界荷載系數(shù),兩者的乘積就是臨界荷載Ncr。最后根據(jù)歐拉公式求得柱的計算長度系數(shù)為μ=0.26,即該柱的理論計算長度可以是0.26l。在柱設(shè)計時,取計算長度系數(shù)為1.0[9]。

        圖12 穿層柱分析模型Fig.12 Skip-layer Analysis Model

        7 針對超限采取的主要加強措施

        針對本工程存在的不規(guī)則類型和關(guān)鍵技術(shù)問題,在設(shè)計中采取了以下的主要措施:

        7.1 針對超限采取的補充分析手段

        ⑴運用SATWE 和ETABS 兩種程序?qū)φw計算結(jié)果及構(gòu)件設(shè)計的內(nèi)力情況進行對比分析,另外作為補充分析手段,采用彈性動力時程分析;

        ⑵對結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件(如轉(zhuǎn)換梁)進行大震不屈服驗算;

        ⑶運用軟件對結(jié)構(gòu)進行彈塑性推覆分析(罕遇地震作用);

        ⑷對于穿層柱,考慮跨層對其穩(wěn)定計算長度的影響。

        7.2 針對超限采取的加強措施

        ⑴在結(jié)合原來工程建筑重要性及結(jié)構(gòu)安全等級的情況下,提高局部抗震,增加結(jié)構(gòu)構(gòu)件延性能力。如提高框支柱、轉(zhuǎn)換梁及落地剪力墻底部加強區(qū)抗震等級從三級至二級;

        ⑵框支柱、底部加強區(qū)剪力墻和混凝土柱軸壓比分別控制在0.65、0.60、0.75 以內(nèi)[10];

        ⑶對結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件(如轉(zhuǎn)換梁)設(shè)定抗震性能目標(biāo)并進行驗算,保證其在大震下的性能,從而保證結(jié)構(gòu)安全;

        ⑷調(diào)整塔樓的剛度并提高相應(yīng)抗震等級,使結(jié)構(gòu)在體型收進部位及相鄰上下兩個樓層剛度過渡均勻;

        ⑸ 底部加強區(qū)的轉(zhuǎn)換構(gòu)件都增加了預(yù)埋工字形鋼骨等措施,提高延性及其正常使用極限狀態(tài)承載能力;

        ⑹對于穿層柱的縱向受力鋼筋及約束鋼筋進行了加強,與其相連的框架梁也增加延性考慮的配筋,使其符合預(yù)定的抗震性能目標(biāo);

        ⑺在原有鋼骨架的腹板上另焊斜向鋼支撐,防止框支梁發(fā)生斜壓破壞。

        8 結(jié)論

        經(jīng)分析此裙房屬于A 級高度超限建筑,存在5 項不規(guī)則指標(biāo)的框支剪力墻結(jié)構(gòu)。為了更好地了解結(jié)構(gòu)在多遇及罕遇地震情況下的動力特性,采用軟件對比分析的手段,對結(jié)構(gòu)抗震性能從整體到構(gòu)件進行判斷,并針對關(guān)鍵構(gòu)件進行了提高抗震能力或者提高構(gòu)件延性的做法,在滿足抗震性能C 級目標(biāo)的前提下,保證結(jié)構(gòu)安全、合理和可靠。

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