朱 振,楊衛(wèi)杰
(1、廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 廣州 510620;2、廣州市設(shè)計(jì)院 廣州 510620)
近年來(lái),連體結(jié)構(gòu)因其特殊的建筑效果,應(yīng)用越來(lái)越廣泛。連體與塔樓之間的連接方式分為剛性連接和柔性連接2種[1]。柔性連接是指連體一端與塔樓之間鉸接,另一端設(shè)滑動(dòng)支座,連體可以跟隨一側(cè)塔樓作一定的水平移動(dòng),從而釋放水平力;或者連體兩端均設(shè)滑動(dòng)支座,與之相連的塔樓獨(dú)立工作;此2種情況下,連體結(jié)構(gòu)均受力較?。?]。但柔性連接時(shí)連體在強(qiáng)地震作用下,滑動(dòng)位移較大,連接體容易滑落或與主體結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞[3]。剛性連接由于將兩側(cè)塔樓連成整體,剛度較大,可以較好地協(xié)調(diào)受力和變形,保證結(jié)構(gòu)安全性,但受力也較為復(fù)雜[4]。
某高層住宅樓位于廣州市荔灣區(qū),地上建筑面積約29 700 m2,地下建筑面積約4 000 m2。地下3層為整體地下室,地上30 層,結(jié)構(gòu)總高98.4 m,在24~30 層處做連體結(jié)構(gòu),連體跨度約11.2 m。工程效果如圖1所示。
圖1 結(jié)構(gòu)效果及YJK模型Fig.1 Structure Effect and YJK Model
由于本工程連體跨度11.2 m,綜合考慮建筑物使用功能及后期維修養(yǎng)護(hù)等,最終采用剛性連接方案。標(biāo)準(zhǔn)層和連體層平面布置如圖2~圖3所示。
圖2 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置Fig.2 Standard Floor Structure Plan
圖3 連體層結(jié)構(gòu)平面布置Fig.3 Floor Plan of Connected Layer Structure
本項(xiàng)目為剪力墻結(jié)構(gòu)體系,標(biāo)準(zhǔn)層單塔長(zhǎng)向約36 m,Y向約21 m,連體層長(zhǎng)向約83 m。為了不使兩主軸方向側(cè)向剛度相差過(guò)大,剪力墻墻肢盡量沿Y向布置,并在電梯間、樓梯間周邊布?jí)?,形成筒體效應(yīng),對(duì)筒內(nèi)樓板加強(qiáng)。負(fù)3層到首層剪力墻厚350 mm、混凝土強(qiáng)度C55;上部樓層逐步優(yōu)化到厚200 mm、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0.35 s。修正后的基本風(fēng)壓0.5 kN/m2,體型系數(shù)1.4,地面粗糙度類別B類,兩側(cè)塔樓均為剪力墻結(jié)構(gòu)。
由于本結(jié)構(gòu)屬于體型復(fù)雜結(jié)構(gòu),根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程:JGJ 3—2010》[5]應(yīng)至少采用2 種不同力學(xué)計(jì)算模型的軟件進(jìn)行整體計(jì)算,本文選取了Midas Gen 和YJK 軟件進(jìn)行對(duì)比分析。對(duì)連體區(qū)域樓板按彈性板6考慮,進(jìn)行樓板應(yīng)力分析。
采用YJK 軟件計(jì)算結(jié)構(gòu)在恒載、活載、風(fēng)荷載和小震作用下的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性,具體指標(biāo)如表1所示??梢钥闯觯Y(jié)構(gòu)一階振型為Y向平動(dòng),二階振型為X向平動(dòng),與結(jié)構(gòu)剛度分布一致;三階振型表現(xiàn)為扭轉(zhuǎn),扭轉(zhuǎn)因子1.00,結(jié)構(gòu)具有較好的抗扭剛度,周期比為0.85。在相同輸入?yún)?shù)下,Midas Gen 和YJK 軟 件 的 分 析 結(jié)果如表1所示。
表1 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性Tab.1 Structural Dynamic Characteristics
經(jīng)2 種不同軟件的對(duì)比分析,結(jié)構(gòu)相關(guān)指標(biāo)均能滿足文獻(xiàn)[5]要求。地震作用下,X向結(jié)構(gòu)最大層間位移角為1/1 462(17層1塔),最大位移比為1.07(模型4層1塔);Y向結(jié)構(gòu)最大層間位移角為1/1 413(22層1 塔),最大位移比為1.20(模型4 層1 塔);此外補(bǔ)充計(jì)算了沿兩翼方向的地震作用并考慮最不利地震方向,得到X向最大層間位移角1/1 417(地震方向34°),Y向最大層間位移角1/1 376(地震方向56°)。
風(fēng)荷載作用下,X向結(jié)構(gòu)最大層間位移角為1/3 260(15 層1 塔),最大位移比為1.19(模型5 層1 塔);Y向結(jié)構(gòu)最大層間位移角為1/1 043(18層1塔),最大位移比為1.04(模型33層1塔)。
地震作用下X向剛重比為3.88、Y向剛重比為4.02;風(fēng)荷載作用下X向剛重比為4.08、Y向剛重比為3.77,剛重比均大于文獻(xiàn)[5]5.4.1 條規(guī)定的1.4 和2.7,滿足整體穩(wěn)定的要求,計(jì)算時(shí)可以不考慮P-△效應(yīng)。
由于雙塔形成連體結(jié)構(gòu)后,結(jié)構(gòu)長(zhǎng)寬比較大(≈4),為保證結(jié)構(gòu)兩主軸方向側(cè)向剛度相對(duì)均勻,剪力墻布置時(shí)盡量沿Y向布置[6-7]。且質(zhì)心和剛心基本重合,結(jié)構(gòu)具有良好的抗側(cè)剛度和抗扭剛度。結(jié)構(gòu)在地震作用的前三階振型如圖4所示。
圖4 結(jié)構(gòu)前三階振型Fig.4 First Three Modes of the Structure
根據(jù)文獻(xiàn)[5]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0.30~0.45 s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0.30~0.35 s的人工模擬的時(shí)程曲線[8]。
按建筑場(chǎng)地類別和設(shè)計(jì)地震分組選用不少于5組實(shí)際強(qiáng)震記錄和2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:GB 50011—2010》[9]表5.1.2-2采用。彈性時(shí)程分析時(shí),每條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力不小于振型分解反應(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)底部剪力的平均值不小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的80%。
7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2所示。
圖5 規(guī)范譜與反應(yīng)譜對(duì)比Fig.5 Comparison of Gauge Spectrum and Response Spectrum
表2 彈性時(shí)程分析計(jì)算結(jié)果Tab.2 Elastic Time History Analysis and Calculation Results
通過(guò)有限元方法對(duì)連體區(qū)域及相關(guān)范圍進(jìn)行樓板應(yīng)力分析,以保證結(jié)構(gòu)在小震下保持彈性狀態(tài),本工程對(duì)大震作用補(bǔ)充計(jì)算,以保證連體結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下不失效[10]。結(jié)果如圖6~圖7所示。
圖6 小震下第26層(標(biāo)準(zhǔn)層11層)樓板應(yīng)力等值線Fig.6 Floor Stress Contour of the 26th Floor(11th floor of the standard floor)under a Small Earthquake (N/mm2)
圖7 大震下第26層(標(biāo)準(zhǔn)層11層)樓板應(yīng)力等值線Fig.7 Floor Stress Contour of the 26th Floor(11th floor of the standard floor)under a Major Earthquake (N/mm2)
根據(jù)計(jì)算結(jié)果,在小震作用下,除部分應(yīng)力集中區(qū)域外,樓板拉應(yīng)力均小于C30 混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.43 MPa。在罕遇地震作用下樓板除部分應(yīng)力集中區(qū)域外,樓板拉應(yīng)力均小于C30 混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.01 MPa,對(duì)局部薄弱部位樓板進(jìn)行配筋加強(qiáng)。
⑴為協(xié)調(diào)兩側(cè)塔樓變形,加大連接體區(qū)域及相鄰一跨板厚至150 mm,板配筋雙層雙向。
⑵連接體區(qū)域X方向框架梁延伸一跨至塔樓范圍內(nèi),并對(duì)通長(zhǎng)筋加強(qiáng)。
⑶加大與X方向連接體框架梁相連的短墻肢厚度至400~600 mm,對(duì)此墻肢按柱建模計(jì)算配筋。與連接體相連的其余墻肢厚度不小于250 mm。
⑷按文獻(xiàn)[5]對(duì)連接體及與連接體相連的結(jié)構(gòu)構(gòu)件在連接體高度范圍及上、下層,抗震等級(jí)提高一級(jí)。
通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件布置和連體區(qū)域等采取的加強(qiáng)措施,將《超限高層建筑工程設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》附件1 表2 的不規(guī)則項(xiàng)控制在了2 項(xiàng)以內(nèi),具體為樓板不連續(xù)和構(gòu)件間斷(連體類)。
連體結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜,應(yīng)根據(jù)連體跨度、兩側(cè)塔樓高度及結(jié)構(gòu)形式等選取合適的連接形式。采取剛性連接時(shí),結(jié)構(gòu)整體性較好,但由于連接體同時(shí)也承擔(dān)了約束兩側(cè)塔樓變形和受力的作用,對(duì)連接體及相連區(qū)域梁板整體性應(yīng)著重加強(qiáng)。