張繼合

(山東省建筑設(shè)計研究院有限公司，山東 濟南 250001)

1 工程概況

本工程為商業(yè)綜合體項目，包括辦公、商業(yè)、影院、餐飲等功能，設(shè)有4棟高層及附帶的3層裙房，主樓和裙房由地下5層車庫整體連接，地上商業(yè)裙房與各主樓之間均設(shè)防震縫分開，其中4號樓總建筑面積為53 671 m2，主要功能為商務(wù)辦公，地上44層，地下5層，建筑高度自室外地坪起算為150 m。4號樓地上長53.6 m，寬度23 m，高寬比6.5>6，地下1層層高4.9 m，地下2層3.6 m，地下3層～5層均為3.5 m，首層及2層層高均為4.5 m，3層4.42 m,4層3.3 m，第14層為避難層，層高3.5 m，第29層為避難層，層高4.0 m，其余層高均為3.30 m；首層設(shè)挑高大堂，高度9 m，樓座四角轉(zhuǎn)角處均設(shè)轉(zhuǎn)角窗，建筑效果圖見圖1，建筑標(biāo)準(zhǔn)層平面圖見圖2。

本項目安全等級二級，結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限50 a，基本風(fēng)壓0.45 kN/m2，標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類?？拐鹪O(shè)防烈度7度，設(shè)計基本地震加速度0.10g，設(shè)計地震分組為第三組，場地土類別為Ⅱ類，場地特征周期Tg=0.45 s。

本工程采用的地震動參數(shù)[1]見表1。

表1 地震動參數(shù)

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

本項目裙房結(jié)構(gòu)布置不規(guī)則，且存在大跨、開大洞等結(jié)構(gòu)抗震不利項，為避免結(jié)構(gòu)帶來復(fù)雜影響，綜合考慮后，地上4號主樓與裙房設(shè)縫脫開，地下室不設(shè)縫，因4號樓以商務(wù)辦公為主，房間內(nèi)不能露柱子，結(jié)合建筑功能，主體結(jié)構(gòu)選用了鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)形式。剪力墻結(jié)構(gòu)是由縱橫向剪力墻和平面樓板所組成的空間結(jié)構(gòu)體系，其變形特點為彎曲型變形，它具有剛度大、位移小、抗震性能好的特點，對于本工程而言，剪力墻可均勻布置，能實現(xiàn)上下連續(xù)布置，滿足室內(nèi)不露柱子的要求，因此剪力墻結(jié)構(gòu)體系是比較適合的結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)布置圖見圖3。

嵌固端的選取需要綜合考慮開洞、頂板局部高差等，取-2層頂板及-1層頂分別作為嵌固部位，進行包絡(luò)設(shè)計，底部加強區(qū)高度從-4.950 m(-2層頂板標(biāo)高處)至17.080 m(5層樓板標(biāo)高處)。地下剪力墻墻厚一般為300 mm～500 mm，地上底部加強區(qū)范圍內(nèi)剪力墻厚度300 mm～400 mm，裙房內(nèi)少數(shù)受偏拉墻肢墻厚為500 mm；以上各層墻體厚度逐漸變?yōu)?00 mm～300 mm。局部剪力墻偏拉驗算超限處設(shè)型鋼，個別位置支撐框架梁的剪力墻連梁內(nèi)設(shè)型鋼，混凝土強度等級由底部C60往上各層逐漸變?yōu)镃35。

為保證結(jié)構(gòu)足夠的延性，結(jié)構(gòu)剛度和強度不發(fā)生突變，在底部加強區(qū)以上設(shè)置過渡層，過渡層是B級高度的建筑物中在約束邊緣構(gòu)件層與構(gòu)造邊緣構(gòu)件層之間設(shè)置的層間過渡層，一般1層～2層即可。

轉(zhuǎn)角窗雖然保證了建筑通透效果，但是大大削弱了結(jié)構(gòu)的抗扭剛度，從結(jié)構(gòu)角度考慮，建筑物的四角宜設(shè)置剛度大的豎向構(gòu)件，避免建筑物扭轉(zhuǎn)，因無法實現(xiàn)四角設(shè)剪力墻，故需加強轉(zhuǎn)角窗周邊豎向構(gòu)件的連接，在轉(zhuǎn)角處樓板內(nèi)設(shè)暗梁并控制樓板在大震下的拉應(yīng)力，保證樓板對轉(zhuǎn)角墻肢的協(xié)調(diào)作用，轉(zhuǎn)角處剪力墻全高采用約束邊緣構(gòu)件。

3 超限判斷及關(guān)鍵構(gòu)件抗震性能設(shè)計

3.1 超限判斷

4號樓高度接近JGJ 3—2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[2]B級最大適用高度150 m。按現(xiàn)行《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點》[3]的有關(guān)規(guī)定，此建筑屬于高度超限建筑，從結(jié)構(gòu)的平面不規(guī)則性以及豎向不規(guī)則性等方面進一步判斷如下：

1)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，在考慮偶然偏心影響的地震作用下，樓層最大彈性水平位移(或?qū)娱g位移)大于該樓層兩端彈性水平位移(或?qū)娱g位移)平均值的1.2倍，X向最大位移比為1.11(第1層),Y向最大位移比為1.35(第2層),存在該項不規(guī)則。

2)局部錯層，首層樓板高差600 mm，錯層處高差大于梁高，屬于超限的其他不規(guī)則項。

3)2層大堂處挑高9 m，形成穿層剪力墻，屬于超限的其他不規(guī)則項。

3.2 確定抗震性能目標(biāo)

根據(jù)本工程超限特點，針對結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則，局部錯層、穿層墻，采取性能化設(shè)計，參照《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第3章要求，抗震性能目標(biāo)擬選C級(底部加強區(qū)以上部位抗震性能目標(biāo)略低于C級)，相應(yīng)的性能水準(zhǔn)見表2，結(jié)合彈性分析、彈塑性分析及局部位置的專項分析結(jié)果，對關(guān)鍵部位采取更進一步的加強措施[4]。

表2 抗震設(shè)防性能目標(biāo)

3.3 確定抗震等級

標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類，根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》表3.9.4剪力墻結(jié)構(gòu)，抗震等級為一級。

標(biāo)準(zhǔn)層主樓四角設(shè)角窗，端山墻抗震構(gòu)造措施提高至特一級；對應(yīng)首層大堂處二層樓板開大洞，局部剪力墻抗震等級提高至特一級，抗震等級如表3所示。

表3 抗震等級劃分表

3.4 重點加強措施

1)抗震設(shè)計時，為保證剪力墻底部出現(xiàn)塑性鉸后具有足夠大的延性，應(yīng)對可能出現(xiàn)塑性鉸的部位加強抗震措施，包括提高其抗剪破壞能力，設(shè)置約束邊緣構(gòu)件等。本工程底部加強區(qū)高度取至4層屋面頂板位置，考慮到底部加強部位的重要性，其邊緣構(gòu)件高度上延至軸壓比小于0.2處。

2)大堂處局部穿層剪力墻，層高9 m，墻厚400 mm，截面高度3 050 mm，墻的無肢長度較大，針對此墻體穩(wěn)定性驗算，滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》附錄D.0.1的要求。

3)轉(zhuǎn)角窗的設(shè)置削弱了結(jié)構(gòu)的抗扭剛度，因角窗兩側(cè)均為一字墻，且角窗處均為雙向懸挑梁，需要從結(jié)構(gòu)計算及構(gòu)造措施方面采取加強措施。端開間樓板是保證墻肢穩(wěn)定的連接構(gòu)件，為此，控制樓板在大震下的拉應(yīng)力，計算表明，地震工況下最大拉應(yīng)力3.0 MPa，在轉(zhuǎn)角窗兩墻肢邊緣處設(shè)與板厚相同的斜向暗梁。挑梁根梁頂配筋率按特一級要求，箍筋按特一級框架梁的配箍率配筋，同時要求腰筋配筋率不小于0.2%bhw，梁轉(zhuǎn)角處鋼筋采用機械連接。針對轉(zhuǎn)角梁進行抗震性能化設(shè)計，控制中震下抗剪彈性，抗彎不屈服，大震下抗剪截面滿足要求。支撐挑梁的墻肢無翼墻，全高采用約束邊緣構(gòu)件。

4)支撐框架梁的連梁除滿足性能化指標(biāo)要求外，尚采取以下加強措施：

a.保證連梁的足夠抗扭能力，配置腰筋，直徑不小于16 mm。

b.連梁內(nèi)設(shè)型鋼，保證連梁足夠的延性。

5)首層樓板錯層處增加斜向加腋，提高錯層處剪力墻的抗震等級至特一級；加大錯層處剪力墻的配筋率，水平和豎向鋼筋的配筋率不小于0.50%。

6)本工程進行中震雙向水平地震作用下受拉驗算,計算結(jié)果表明地下2層至地上4層部分剪力墻墻肢在地震作用下出現(xiàn)拉力，1層墻肢拉力較-1層拉力稍大，受拉墻肢大多數(shù)位于南北側(cè)縱向短墻肢處及裙房邊緣墻肢處，墻肢名義拉應(yīng)力均未超過2倍混凝土抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值，僅有局部較少的拉力超過混凝土抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值，故對該區(qū)域墻肢的抗震構(gòu)造措施提高至特一級，端部短墻肢按柱單元模型與墻單元計算結(jié)構(gòu)取包絡(luò)。

4 多遇地震下彈性分析

4.1 計算軟件和主要計算參數(shù)

采用YJK-建筑結(jié)構(gòu)計算軟件(V1.9.3.2版)和Midas-Gen(V780)軟件進行結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下的整體計算分析,相互校驗分析結(jié)果是否可靠；水平地震作用計算時采用考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)振動影響的振型分解法，并考慮偶然偏心和雙向地震的影響?；炷寥葜?6 kN/m3，連梁剛度折減系數(shù)0.75，梁剛度增大系數(shù)按GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(2015年版)[5]中5.2.4條采用，框架梁梁端負(fù)彎矩調(diào)幅系數(shù)0.85，梁內(nèi)力增大系數(shù)1.0，梁扭矩折減系數(shù)0.4，周期折減系數(shù)0.90。反應(yīng)譜按GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范(2016年版)第5.1.5條采用，多遇地震作用下的水平地震影響系數(shù)最大值為0.08。計算樓層位移比時按強制剛性樓板假定，其他整體參數(shù)按非強制剛性板假定。風(fēng)荷載根據(jù)GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[6]8.3.2條考慮風(fēng)力相互干擾的群體效應(yīng)，對于矩形平面，取順風(fēng)向風(fēng)荷載相互干擾系數(shù)為1.1，且考慮橫向風(fēng)振的影響，并進行30°,60°,120°,210°多角度風(fēng)荷載計算分析。整體結(jié)構(gòu)計算模型如圖4所示。

4.2 主要結(jié)構(gòu)計算結(jié)果

采用YJK和Midas-Gen對結(jié)構(gòu)進行動力特性分析，計算振型數(shù)為60個，其中前4階振型列表主要計算結(jié)果匯總于表4中。

表4 周期計算結(jié)果

YJK及Midas-Gen第一振型為沿著Y向平動，第二振型為沿著X向平動，第三振型為扭轉(zhuǎn)，振型圖如圖5,圖6所示。

結(jié)構(gòu)總質(zhì)量、總剪力、最大層間位移角采用兩種軟件計算，計算結(jié)果列于表5。

表5 總質(zhì)量、總剪力、最大層間位移角計算結(jié)果

從以上兩表格可以看出，YJK和Midas-Gen計算結(jié)果均差別不大，可以說明兩種軟件的計算結(jié)果均可采納。兩種計算軟件在主要振型上分析結(jié)果接近，且平動與扭轉(zhuǎn)周期的比值均滿足規(guī)范要求。各層剪重比調(diào)整后滿足規(guī)范要求。兩種軟件計算所得各樓層地震剪力相當(dāng)，結(jié)構(gòu)計算結(jié)果準(zhǔn)確可信。

4.3 多遇地震作用下彈性時程分析的補充計算

本工程為超限高層建筑，采用彈性時程法對結(jié)構(gòu)進行了多遇地震下的補充計算分析。地震波采用5組實際地震波和2組人工地震波，輸入YJK軟件進行彈性時程分析。典型地震波如圖7所示。

所采用7組地震波時間間隔均為0.02 s，持續(xù)時長分別為48.1 s,47.8 s,22.3 s,55.6 s,38.8 s,31.1 s和31.4 s，均大于結(jié)構(gòu)第一自振周期4.443 s的5倍和15 s。7組地震加速度時程曲線均滿足地震動三要素的要求，即頻譜特性、有效峰值和持續(xù)時間。7組時程波的平均地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應(yīng)譜法所用的地震影響系數(shù)曲線相比，在對應(yīng)于結(jié)構(gòu)主要振型的周期點上相差不大于20%，滿足在統(tǒng)計意義上相符的條件。時程分析結(jié)果表明：多條波平均值與CQC法計算結(jié)果比較，彈性時程計算結(jié)果比CQC大，各層剪力放大系數(shù)為1.01～1.10，YJK軟件直接分層對應(yīng)導(dǎo)入放大系數(shù)進行施工圖設(shè)計。

5 罕遇地震作用下的彈塑性分析

5.1 時程曲線

本工程建筑高度150 m，為B級高度的高層建筑，對其進行彈塑性動力計算分析，以便找出結(jié)構(gòu)薄弱部位，控制整體結(jié)構(gòu)的彈塑性變形，確保結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下不發(fā)生倒塌破壞。本項目采用YJK彈塑性時程分析軟件(YJK-EP)進行分析計算。結(jié)構(gòu)在地震波激勵作用下部分材料進入了塑性狀態(tài)。最大位移角X向1/164，Y向1/135,均滿足規(guī)范限值1/120。

5.2 罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)損傷情況

地震作用下結(jié)構(gòu)的損傷是一個逐漸發(fā)展的過程，首先出現(xiàn)損傷的構(gòu)件將起到消耗地震能量的作用。損傷順序是否合理是結(jié)構(gòu)方案設(shè)計是否合理的一個重要評斷依據(jù)。根據(jù)計算結(jié)果，觀察每組波從起始時刻至終止時刻過程，選取結(jié)構(gòu)最終損傷較嚴(yán)重的人工模擬地震波作用下的損傷情況進行說明。剪力墻受壓損傷情況如圖8所示(個別損傷程度較嚴(yán)重剪力墻損傷情況放大圖如圖9所示)，框架柱損傷情況如圖10所示，框架梁、連梁損傷情況如圖11所示。在完成罕遇地震動力彈塑性分析后，結(jié)構(gòu)仍保持直立，位移角均滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》不大于1/120的限值要求，能夠達到“大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)。

6 結(jié)論

本文從概念設(shè)計到優(yōu)選方案及超限不規(guī)則項的判斷及計算方法等方面進行了論述，可以為后續(xù)類似工程提供有益的參考價值。

1)根據(jù)本工程特點，合理確定抗震性能化目標(biāo)C級，根據(jù)構(gòu)件的重要性合理確定其抗震等級，特別是對于重點部位，采取了對應(yīng)的加強措施，保證結(jié)構(gòu)安全合理。

2)彈性結(jié)構(gòu)計算采取了兩種軟件比較分析，結(jié)果可信。補充了彈性時程計算，選用了5組天然波和2組人工波，結(jié)果合理，有效保證各層地震剪力的合理取值。由罕遇地震作用下的彈塑性分析可知結(jié)構(gòu)具有良好的耗能能力，能夠達到“大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)。