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        北京某大底盤多塔超限結(jié)構(gòu)抗震分析及研究

        2022-07-01 09:35:12
        廣東土木與建筑 2022年6期
        關(guān)鍵詞:塔樓底盤樓板

        劉 昭

        (北京城建設(shè)計發(fā)展集團股份有限公司 北京 100034)

        1 工程概況

        某車輛段上蓋綜合開發(fā)項目位于北京市朝陽區(qū),總占地面積約13.7 公頃,由蓋上和蓋下兩部分組成,蓋上為住宅開發(fā)預(yù)留,蓋下為運用庫、組合庫、蓋上住宅的小汽車停車庫及商業(yè)預(yù)留組成;運用庫及組合庫的主要功能為地鐵列車的停車、列檢以及維修等。本文重點分析組合車庫及蓋上預(yù)留結(jié)構(gòu)。

        組合庫總長×總寬=195 m×96 m,其通過變形縫與運用庫脫開,首層包含不落輪鏇庫、綜合維修車間、調(diào)機車庫、工程車庫、特種車維保檢測庫、配套用房等,層高9.8 m,其中綜合維修車間、特種車維保檢測庫為首層~二層通高空間并設(shè)置橋式天車;二層為小汽車庫及商業(yè)預(yù)留空間,層高4.5 m;二層頂覆土2.0 m 作為蓋上住宅的室外場地;蓋上預(yù)留2 棟住宅,共6 層,標(biāo)準(zhǔn)層層高3.6 m,建筑高度為37.9 m。

        組合庫采用框架結(jié)構(gòu),不設(shè)變形縫,由于軌道限制,蓋上預(yù)留的2 棟6 層框架結(jié)構(gòu)住宅柱子無法直接落地,因此在二層頂通過梁托柱進行轉(zhuǎn)換,形成大底盤雙塔的框架結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)平面及剖面布置如圖1所示。

        圖1 結(jié)構(gòu)布置Fig.1 Structural Layout (m)

        結(jié)構(gòu)底盤的主要梁柱尺寸中,轉(zhuǎn)換柱及塔樓相關(guān)范圍柱主要采用2 500 mm×1 500 mm,1 700 mm×1 500 mm,1 500 mm×1 100 mm 的SRC 柱,其余柱主要采用1 500 mm×1 500 mm,1 200 mm×1 100 mm的RC柱;轉(zhuǎn)換梁主要采用1 200 mm×3 200 mm,1 300 mm×1 500 mm 的SRC 梁,其余框梁主要采用800 mm×1 200 mm,1 000 mm×1 200 mm 的RC 梁。塔樓的主要梁柱尺寸,柱主要采用800 mm×1 000 mm,600 mm×1 500 mm的SRC柱,梁采用600 mm×800 mm的RC梁。

        本結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50 年,安全等級為二級,結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.0,抗震設(shè)防烈度為8 度,設(shè)計基本地震加速度值為0.20g,設(shè)計地震分組為第二組,場地類別為Ⅲ類,抗震設(shè)防類別為丙類,水平向地震動參數(shù)按《建筑抗震設(shè)計規(guī)范:GB 50011—2010》[1]取值。

        2 結(jié)構(gòu)超限情況

        根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點》[2],本工程為框架結(jié)構(gòu),建筑高度為38 m,不存在高度超限,但仍存在平面及豎向超限情況,具體如下:

        ⑴扭轉(zhuǎn)不規(guī)則:考慮偶然偏心后結(jié)構(gòu)的Y向最大位移比為1.28,大于1.2。

        ⑵樓板不連續(xù):首層頂板X向、Y向的有效寬度分別為11.1%,40.0%,有效寬度小于50%。

        ⑶剛度突變:結(jié)構(gòu)首層層高較高,首層X向、Y向與二層側(cè)向剛度比分別為0.54、0.55,剛度比大于0.5小于0.7。

        ⑷多塔且塔樓偏置:本結(jié)構(gòu)為大底盤雙塔,塔樓Y向質(zhì)心偏心距約為底盤相應(yīng)邊長的26%,大于20%。

        ⑸豎向構(gòu)件間斷:蓋上住宅的柱子在二層頂處通過梁托柱轉(zhuǎn)換。

        ⑹局部不規(guī)則:首層Y向存在穿層柱,二層頂板在蓋上住宅范圍內(nèi)存在2 m高的錯層。

        因此本工程屬于高度不超限、規(guī)則性超限的特別不規(guī)則高層建筑。

        3 結(jié)構(gòu)計算及分析

        考慮到本工程為預(yù)留工程,為增加預(yù)留方案后期調(diào)整的可能性,計算時按照增加一層考慮。

        3.1 多遇地震下反應(yīng)譜計算

        本工程體型復(fù)雜,采用PKPM、ETABS兩個軟件進行了整體反應(yīng)譜計算[1],并進行相互驗證,結(jié)構(gòu)計算模型如圖2所示。

        圖2 結(jié)構(gòu)計算模型Fig.2 Structural Model

        經(jīng)過計算分析,兩個軟件的主要計算結(jié)果如表1所示,兩個軟件的樓層剪力對比如圖3所示。

        圖3 結(jié)構(gòu)地震下的樓層剪力Fig.3 The Story Shear of Structure

        表1 結(jié)構(gòu)反應(yīng)譜主要計算結(jié)果Tab.1 The Main Results of the Structural Response Spectrum

        綜上:兩個軟件計算所得的周期比均小于0.9,且前三階周期值基本吻合;計算得到的最大層間位移角均小于1∕550[1],且基本吻合,滿足文獻[1]要求;由樓層剪力圖可得,PKPM 和ETABS 計算得到的每層剪力基本相同,X、Y方向剪重比均滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程:JGJ 3—2010》[3]第4.3.12條要求。

        由PKPM計算所得最大位移比為1.28,屬于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則結(jié)構(gòu);首層與二層側(cè)向剛度的比值X、Y分別為0.54、0.55,首層屬于軟弱層,二層與住宅層的剛度比X、Y向分別為7.00、3.72;樓層層間抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的受剪承載力均大于上一層受剪承載力的80%,不存在薄弱層。

        3.2 多遇地震下彈性時程分析

        本工程為大底盤多塔超限高層結(jié)構(gòu),根據(jù)文獻[3]第4.3.4 條中第2、3 款和第5.1.13 條規(guī)定,需進行彈性時程分析多遇地震下的補充計算。

        選取多遇地震下的2 條天然波和1 條人工波進行彈性時程分析,最大加速度峰值按規(guī)范取70.0 gal,規(guī)范反應(yīng)譜與時程反應(yīng)譜對比如圖4所示。

        圖4 多遇地震下主方向地震波反應(yīng)譜對比Fig.4 Comparison of Response Spectrum in Main Direction under Frequent Earthquakes

        所選每條地震波底部剪力均不小于反應(yīng)譜結(jié)果的65%且不大于135%;計算所得的基底剪力的包絡(luò)值X、Y向分別為166 600 kN、167 800 kN,約為反應(yīng)譜方法的104%、88%,滿足文獻[1]的規(guī)定。

        經(jīng)計算,時程分析下結(jié)構(gòu)X、Y向的最大層間位移角包絡(luò)值均滿足文獻[1]的規(guī)定,即X、Y向最大位移角包絡(luò)值均發(fā)生在5 層,X向為1∕694,Y向為1∕586;結(jié)構(gòu)每層地震剪力放大系數(shù)取時程分析法的樓層剪力包絡(luò)值與反應(yīng)譜法的比值,結(jié)構(gòu)每層的地震剪力放大系數(shù)如表2 所示,時程分析法得到的部分樓層剪力略大于反應(yīng)譜法,在施工圖設(shè)計階段將反應(yīng)譜法的地震剪力按照此表進行比列放大。

        表2 結(jié)構(gòu)多波包絡(luò)值與反應(yīng)譜法結(jié)果對比Tab.2 Comparison of Structural Multiwave Envelope Values and Response Spectrum Results

        3.3 結(jié)構(gòu)性能化驗算

        本工程為特別不規(guī)則結(jié)構(gòu),應(yīng)對結(jié)構(gòu)進行抗震性能分析[3],采用C級性能目標(biāo),指定關(guān)鍵部位的抗震性能目標(biāo),如表3所示。

        表3 結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的抗震性能目標(biāo)Tab.3 Seismic Performance Targets for Critical Parts of the Structure

        采用PKPM 進行結(jié)構(gòu)的性能化驗算,關(guān)鍵構(gòu)件(塔樓及外側(cè)一跨柱及轉(zhuǎn)換梁)均采用型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu),經(jīng)驗算,關(guān)鍵構(gòu)件的計算配筋及剪壓比均滿足中震彈性抗彎、抗剪承載力以及大震不屈服抗彎、抗剪承載力的性能目標(biāo)。

        3.4 罕遇地震下結(jié)構(gòu)彈塑性分析

        為深入分析結(jié)構(gòu)在大震下的整體反應(yīng),找出結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的薄弱部位,本工程采用PKPM-SAUSAGE對結(jié)構(gòu)進 彈塑性時程分析,選取罕遇地震下的2 條天 條人工波進行彈性時程分析,規(guī)范反應(yīng)譜與時程反應(yīng)譜對比如圖5所示。

        圖5 罕遇地震下主方向地震波反應(yīng)譜對比Fig.5 Comparison of Response Spectrum in Main Direction under Rare Earthquakes

        所選每條地震波底部剪力均不小于反應(yīng)譜結(jié)果的65%且不大于135%;平均基底剪力不小于反應(yīng)譜結(jié)果的80%且不大于120%。

        所選地震波均為三向波,地震波輸入時按照主方向∶次方向∶豎向=1∶0.85∶0.65[1,3],為較真實的反應(yīng)結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的表現(xiàn),進行彈塑性時程分析的構(gòu)件配筋取結(jié)構(gòu)性能化的配筋,計算結(jié)果取3 條波的包絡(luò)值,最終時刻結(jié)構(gòu)的整體損傷情況如圖6、圖7 所示,樓板的損傷情況如圖8所示。

        圖6 罕遇地震下結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)Fig.6 Structure Performance Level under Rare Earthquake

        圖7 結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)統(tǒng)計Fig.7 Structure Performance Level

        圖8 大底盤樓板損傷包絡(luò)圖Fig.8 Damage Envelope of Large Chassis Floor

        綜上:X向和Y向的層間位移角最大值分別為1∕65 和1∕56,小于文獻[1]限值1∕50;大震下總等效附加阻尼比介于1.2%~1.6%之間;框架總體上處于輕微~輕度損壞狀態(tài);框架梁出鉸較多,底盤大部分處于輕微~輕度損壞狀態(tài),塔樓大部分處于輕度~中度損壞狀態(tài);框架柱出現(xiàn)塑性鉸,底盤大部分處于輕微~輕度損壞狀態(tài),塔樓大部分處于輕度~中度損壞狀態(tài);轉(zhuǎn)換梁、轉(zhuǎn)換柱及周邊一跨范圍框架柱,性能水平處于輕微~輕度損傷狀態(tài);首層及二層樓板損傷水平處于輕微~輕度損傷狀態(tài)。

        總體上而言,結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的彈塑性反應(yīng)及破壞機制符合結(jié)構(gòu)抗震工程的設(shè)計理念,滿足預(yù)期的性能目標(biāo)要求,并且具有較好的承載力儲備[4]。

        4 超限結(jié)構(gòu)抗震加強措施

        針對本結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的不規(guī)則項采取的抗震加強措施如下:

        ⑴針對扭轉(zhuǎn)不規(guī)則采取的措施:考慮偶然偏心下,結(jié)構(gòu)的位移比不大于1.4;考慮雙向地震。⑵針對首層出現(xiàn)樓板不連續(xù)采取的措施:樓板厚度取200 mm,雙層雙向配筋,單層配筋率不小于0.25%;對樓板進行了彈塑性分析,損傷水平處于輕微~輕度損傷狀態(tài)[5-9]。⑶針對首層出現(xiàn)的剛度突變采取的措施:對首層的地震力進行放大,放大系數(shù)取1.25;對樓座及其周邊一跨范圍內(nèi)的豎向構(gòu)件進行性能化設(shè)計。⑷針對多塔采取的措施:二層頂板樓座周邊一跨的樓板厚度加至350 mm 厚;塔樓及蓋下塔樓范圍按照多塔、單塔進行包絡(luò)設(shè)計,并滿足相應(yīng)的性能目標(biāo)。⑸針對豎向構(gòu)件間斷采取的措施:二層定義為轉(zhuǎn)換層,地震力放大1.25 倍;轉(zhuǎn)換梁及轉(zhuǎn)換柱均采用延性較好的型鋼混凝土構(gòu)件,并進行性能化設(shè)計。⑹針對錯層采取的措施:錯層兩側(cè)梁支座內(nèi)、外均設(shè)置加腋[10]。⑺針對Y向穿層柱采取的措施:參照相鄰相同截面柱對穿層柱Y向地震力標(biāo)準(zhǔn)值進行調(diào)整,保證穿層柱調(diào)整后的地震力標(biāo)準(zhǔn)值不小于普通柱地震力標(biāo)準(zhǔn)值;將穿層柱的抗震構(gòu)造措施抗震等級由一級提高至特一級。

        5 結(jié)語

        本工程屬于車輛段上蓋開發(fā)類項目,此類項目常因蓋下工藝、軌道等功能需求導(dǎo)致蓋下跨度大、首層層高高、分縫困難,從而出現(xiàn)豎向構(gòu)件間斷、大底盤多塔、剛度突變、樓板不連續(xù)以及穿層柱等情況,造成結(jié)構(gòu)超限。

        本工程采用兩個軟件計算驗證,消除了模型的差異化,并進行了彈性時程以及彈塑性時程分析,對關(guān)鍵構(gòu)件采用抗震性能化的設(shè)計方法,針對出現(xiàn)的不規(guī)則項均提出了多項抗震加強措施。結(jié)果表明結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能,能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的性能目標(biāo)要求。

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