朱 振 吳居洋

（廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司）

1 工程概況

廣州市軌道交通十一號(hào)線赤沙車輛段項(xiàng)目地址現(xiàn)狀為地鐵八號(hào)線赤沙車輛基地，本項(xiàng)目為拆除現(xiàn)有車輛基地后重建，新建的赤沙車輛段為雙層（其中地下一層、地面一層），車輛段設(shè)上蓋開發(fā)。項(xiàng)目北側(cè)為黃埔涌，東側(cè)為華南快速，南側(cè)為赤沙涌。見圖1、圖2。

圖1 建筑效果圖

圖2 上蓋開發(fā)總面

本文主要介紹10#辦公樓，結(jié)構(gòu)總高度80.0m，裙房2 層，地下室1 層，裙樓頂面標(biāo)高16.1m，裙房以上14層，共17 層。由于負(fù)一層及首層為地鐵列車停車場(chǎng)，結(jié)合列車軌道，塔樓剪力墻及框架柱均需進(jìn)行轉(zhuǎn)換。根據(jù)建筑功能要求及結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，轉(zhuǎn)換形式采用梁式轉(zhuǎn)換，建筑高度等級(jí)和抗震等級(jí)均按部分框支剪力墻來定義。轉(zhuǎn)換層設(shè)置在結(jié)構(gòu)第三層（民用車庫頂板）。地震荷載及風(fēng)荷載產(chǎn)生的水平剪力主要由框支柱、框架柱承擔(dān)，塔樓傾覆彎矩主要由框支框架承擔(dān)。見圖3、圖4。

圖3 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)布置圖

圖4 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)布置圖

本項(xiàng)目轉(zhuǎn)換層以下為框架結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換層以上為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)層雙向均為36.9m。受塔樓平面限制，需在電梯間、樓梯間周邊布?jí)?，形成筒體效應(yīng)，對(duì)筒內(nèi)樓板加強(qiáng)。同時(shí)，對(duì)核心筒進(jìn)行弱化，不致承受過大地震力，以免對(duì)核心筒下轉(zhuǎn)換柱造成較大不利影響?？蛑е孛鏋?900mm×2500mm，底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻厚300～500mm，混凝土強(qiáng)度C60；上部樓層墻厚逐步優(yōu)化到200mm、混凝土強(qiáng)度C30。

本工程抗震設(shè)防烈度7 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.1g，場(chǎng)地類別Ⅱ類，設(shè)計(jì)地震分組第一組，特征周期0.35s。修正后的基本風(fēng)壓0.5kN/m2，體型系數(shù)1.4，地面粗糙度類別B 類。

2 設(shè)計(jì)對(duì)策

本工程屬全框支剪力墻結(jié)構(gòu)，屬于《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]和《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）[2]暫未列入的其他高層建筑結(jié)構(gòu)。同時(shí)塔樓存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、剛度突變、構(gòu)件間斷、承載力突變四項(xiàng)一般不規(guī)則情況。

針對(duì)本工程超限情況，采取了以下計(jì)算手段及加強(qiáng)措施：

⑴采用兩個(gè)不同的彈性分析程序YJK 系列軟件與ETABS 軟件進(jìn)行分析對(duì)比，互相校核結(jié)果，確保結(jié)構(gòu)整體計(jì)算指標(biāo)準(zhǔn)確可靠；

⑵采用彈性時(shí)程分析法進(jìn)行多遇地震下補(bǔ)充計(jì)算，輸入2 組人工波和5 組天然波，結(jié)構(gòu)地震效應(yīng)取多組時(shí)程曲線的平均值與振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的較大值；

⑶按照《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）的性能執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行性能設(shè)計(jì)，根據(jù)抗震中不同構(gòu)件的重要性及其作用，將構(gòu)件分為關(guān)鍵構(gòu)件、普通構(gòu)件和耗能構(gòu)件，并按C 級(jí)性能目標(biāo)（框支框架及相關(guān)范圍為B 級(jí)）分別對(duì)其在不同強(qiáng)度地震作用下進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果采取相應(yīng)的加強(qiáng)措施；

⑷應(yīng)用PKPM-SAUSAG 軟件進(jìn)行罕遇地震作用下的動(dòng)力彈塑性分析。

3 性能目標(biāo)

根據(jù)本工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件重要性及可靠性要求，定義框支框架為關(guān)鍵構(gòu)件，其余豎向構(gòu)件為普通豎向構(gòu)件，框架梁及連梁為耗能構(gòu)件[3-4]。

根據(jù)本工程的抗震設(shè)防類別、設(shè)防烈度、結(jié)構(gòu)類型、超限情況和不規(guī)則性，按照《高規(guī)》第3.11 節(jié)的相關(guān)內(nèi)容，設(shè)定本結(jié)構(gòu)的抗震性能目標(biāo)為性能C（框支框架及相關(guān)范圍為B 級(jí)），具體不同地震水準(zhǔn)下的結(jié)構(gòu)、構(gòu)件性能水準(zhǔn)詳見表1 及表2。

表1 抗震性能目標(biāo)

表2 各性能水準(zhǔn)結(jié)構(gòu)預(yù)期的震后性能狀況

4 小震計(jì)算

本結(jié)構(gòu)屬于體型復(fù)雜結(jié)構(gòu)，根據(jù)文獻(xiàn)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3-2010）應(yīng)至少采用兩種不同力學(xué)計(jì)算模型的軟件進(jìn)行整體計(jì)算，本工程選取了YJK和ETABS 軟件進(jìn)行對(duì)比分析。對(duì)比分析結(jié)果如表3 所示。

表3 各性能水準(zhǔn)結(jié)構(gòu)預(yù)期的震后性能狀況

YJK 及ETABS 軟件的計(jì)算結(jié)果在結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性、地震作用、結(jié)構(gòu)總體位移等方面指標(biāo)均比較接近，符合現(xiàn)行規(guī)范的要求，表明結(jié)果合理可信。

5 彈性時(shí)程分析

根據(jù)《高規(guī)》4.3.4 條采用彈性時(shí)程分析法進(jìn)行多遇地震下的補(bǔ)充計(jì)算。按照符合II 類場(chǎng)地以及設(shè)計(jì)地震分組第一組對(duì)應(yīng)的特征周期Tg=0.35 的原則進(jìn)行選取，為使多組時(shí)程曲線的平均地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應(yīng)譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計(jì)意義上相符，局部選取地震波的特征周期在0.28～0.39s 之間。人工模擬的加速度時(shí)程曲線采用YJK 軟件自帶或生成的特征周期為0.30～0.35s 的人工模擬的時(shí)程曲線[5]。

按建筑場(chǎng)地類別和設(shè)計(jì)地震分組，選用不少于五組實(shí)際強(qiáng)震記錄和兩組人工模擬的加速度時(shí)程曲線，計(jì)算結(jié)果取時(shí)程法的平均值和振型分解反應(yīng)譜法的較大值，多組時(shí)程曲線的平均地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應(yīng)譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計(jì)意義上相符，其加速度時(shí)程的最大值按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》表5.1.2-2 采用。

表5 大震等效彈性主要計(jì)算結(jié)果匯總

七條波的多遇地震時(shí)程分析與規(guī)范反應(yīng)譜的對(duì)比結(jié)果如圖5 和表4 所示。

圖5 規(guī)范譜與反應(yīng)譜對(duì)比圖

由表4 分析可知，每條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力均大于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的65%，多條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值大于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的80%，滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》5.1.2 條要求。同時(shí)，根據(jù)時(shí)程分析與反應(yīng)譜法得到的剪力沿樓層分布的情況，時(shí)程分析得到的剪力平均值在上部部分樓層大于反應(yīng)譜法的結(jié)果，擬對(duì)這些樓層相應(yīng)的反應(yīng)譜法計(jì)算剪力進(jìn)行放大，放大系數(shù)為1.034。

表4 彈性時(shí)程分析計(jì)算結(jié)果

6 罕遇地震分析

6.1 等效彈性分析

采用YJK 進(jìn)行大震等效彈性分析，依據(jù)國標(biāo)《高規(guī)》第3.11.3 條的相關(guān)公式進(jìn)行豎向構(gòu)件彈性大震下的受剪截面驗(yàn)算。大震下框支框架及相關(guān)范圍需達(dá)到第3 性能水準(zhǔn)，其余部分達(dá)到第4 性能水準(zhǔn)，通過兩個(gè)計(jì)算模型分別計(jì)算實(shí)現(xiàn)。等效彈性計(jì)算時(shí)，阻尼比取6%，連梁剛度折減系數(shù)取0.3。

通過大震等效彈性分析得出：框支柱、轉(zhuǎn)換梁能夠滿足受剪彈性，壓彎不屈服性能要求；轉(zhuǎn)換層上部樓層剪力墻能夠滿足抗剪截面要求。

6.2 動(dòng)力彈塑性分析

本工程為復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)高度最大為80.0m（7 度區(qū)，全框支剪力墻結(jié)構(gòu)），屬規(guī)范未規(guī)定的其他高層建筑，根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（DBJ 15-92-2013） 第 5.1.15 條 規(guī) 定， 本 工 程 采 用PKPM-SAUSAGE 軟件進(jìn)行了罕遇地震（即大震）作用下的動(dòng)力彈塑性分析。地震波選取符合規(guī)范條件的2 組天然波和1 組人工波[6-7]，采用雙向地震輸入，主方向和次方向加速度峰值的比值為1.00:0.85。

各模型彈塑性最大剪力為CQC 法基底剪力的3.12～4.31 倍之間，平均值X 方向?yàn)?.08 倍，Y 方向?yàn)?.68 倍，基本處于3～5 之間，滿足要求。層間位移角：各方向模型大震彈塑性層間位移角最大值如表6 所示，大震彈塑性最大層間位移角在1/282～1/160 之間，滿足1/125 限制要求，轉(zhuǎn)換層的x 向?qū)娱g位移角在1/567～1/460 之間，轉(zhuǎn)換層的y 向?qū)娱g位移角在1/732～1/401 之間，轉(zhuǎn)換構(gòu)件基本處在彈性階段。

表6 大震彈塑性時(shí)程分析的基底剪力

結(jié)構(gòu)在3 條地震波動(dòng)力時(shí)程分析下的塑性損傷分布情況基本類似，選3 號(hào)地震波工況為例，分析剪力墻和轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)構(gòu)件鋼筋屈服和混凝土損傷情況，如圖6、圖7 所示。

圖6 X 向作用（最后時(shí)刻）

圖7 Y 向作用（最后時(shí)刻）

由動(dòng)力彈塑性分析結(jié)果可知：

⑴在大震作用下，框支框架及相關(guān)范圍的關(guān)鍵構(gòu)件基本處于輕微損壞狀態(tài)，能滿足性能水準(zhǔn)3 的要求；轉(zhuǎn)換層上部普通豎向構(gòu)件基本處于無損壞～輕度損壞；此結(jié)果表明滿足性能水準(zhǔn)4 的要求。

⑵轉(zhuǎn)換梁基本處于無損壞～輕微損壞；此結(jié)果表明能滿足性能水準(zhǔn)3 的要求。

⑶在大震作用下，轉(zhuǎn)換層以上剪力墻有不同程度的損傷；連梁損傷大于墻體，可見連梁充分發(fā)揮了耗能能力，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)墻肢弱連梁的性能目標(biāo)。

⑷結(jié)構(gòu)裙房頂部樓板基本處于無損壞～輕微損壞；轉(zhuǎn)換層以上一層樓板基本完好，僅局部出現(xiàn)輕微損傷；標(biāo)準(zhǔn)層樓板基本完好，僅局部出現(xiàn)輕微損傷。此結(jié)果表明樓板損傷情況滿足性能水準(zhǔn)4 要求。

綜上分析，結(jié)構(gòu)整體抗震性能良好，與預(yù)期屈服機(jī)制吻合。

7 樓板及轉(zhuǎn)換梁分析

在重力荷載+設(shè)防烈度地震作用標(biāo)準(zhǔn)組合工況下，通過有限元方法對(duì)轉(zhuǎn)換層及上層樓板、標(biāo)準(zhǔn)層樓板進(jìn)行應(yīng)力分析。通過控制樓板板厚和最小配筋率，并在局部應(yīng)力較大處根據(jù)實(shí)際情況加強(qiáng)配筋,可保證裙樓和塔樓樓板可靠傳遞水平力[8-9]。

轉(zhuǎn)換梁在大震目標(biāo)組合作用下，最大拉應(yīng)力為37MPa，最大壓應(yīng)力為39MPa，最大剪應(yīng)力為11MPa，X向配筋云圖需配受拉筋26509mm2，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換梁配筋率為0.7%。轉(zhuǎn)換梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)提高到C50，以滿足轉(zhuǎn)換梁抗剪截面要求；同時(shí)在梁內(nèi)設(shè)置抗剪鋼板，以提高轉(zhuǎn)換梁抗剪承載力[10]。

8 構(gòu)造措施

⑴考慮增加結(jié)構(gòu)底盤安全度，對(duì)框支框架及相關(guān)范圍性能目標(biāo)設(shè)為B 級(jí)。

⑵針對(duì)地鐵功能層（結(jié)構(gòu)首層，模型2 層）剛度突變的措施：①增加首層側(cè)向剛度，彈塑性位移角在罕遇地震下可滿足不大于1/125；②適當(dāng)提高首層墻身及約束邊緣構(gòu)件的最小配筋率，配箍特征值適當(dāng)增大，以提高豎向構(gòu)件延性。

⑶針對(duì)豎向構(gòu)件不連續(xù)的措施：對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件按小震和中震及大震結(jié)果包絡(luò)配筋，對(duì)框支柱及轉(zhuǎn)換梁進(jìn)行應(yīng)力分析并以應(yīng)力校核配筋，加強(qiáng)構(gòu)造措施，達(dá)到小震、中震完全彈性，滿足大震受剪彈性、受彎不屈服的性能目標(biāo)。

⑷框支柱：邊柱、中柱豎向筋配筋率不小于1.6%，角柱豎向筋配筋率不小于1.6%；體積配箍率不小于1.6%。

⑸針對(duì)轉(zhuǎn)換：進(jìn)行轉(zhuǎn)換梁應(yīng)力分析，通過提高轉(zhuǎn)換層混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50、適量的配筋及增加抗剪窄翼緣型鋼，即可滿足轉(zhuǎn)換梁拉應(yīng)力及最大剪應(yīng)力的驗(yàn)算要求，提高抗剪能力并增強(qiáng)延性。

9 結(jié)語

YJK 及ETABS 軟件的計(jì)算結(jié)果基本一致，有效保證了結(jié)構(gòu)計(jì)算的可靠性。本工程著重概念設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)位移符合規(guī)范要求，剪重比適中，結(jié)構(gòu)具有良好的耗能機(jī)制。針對(duì)超出規(guī)范限值的情況已按規(guī)范要求做出相應(yīng)的補(bǔ)充分析和加強(qiáng)構(gòu)造處理，能滿足現(xiàn)行規(guī)范的“小震不壞，中震可修、大震不倒”的抗震設(shè)防要求。