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        廣西某高層綜合樓結(jié)構(gòu)受力分析與加強(qiáng)措施

        2023-02-28 03:37:12覃龍壽
        廣東土木與建筑 2023年1期
        關(guān)鍵詞:裙房跨度樓板

        覃龍壽

        (廣西華藍(lán)工程管理有限公司 南寧 530011)

        0 引言

        隨著經(jīng)濟(jì)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展,我國(guó)建筑行業(yè)呈現(xiàn)出良好的發(fā)展趨勢(shì),框架剪力墻結(jié)構(gòu)在建筑工程施工中得到了廣泛的運(yùn)用[1],這種結(jié)構(gòu)模式不僅保留了框架結(jié)構(gòu)空間布置靈活、使用方便的優(yōu)點(diǎn),還具有剪力墻抗側(cè)剛度大、抗震性能好的優(yōu)點(diǎn),因此在建筑工程中充分發(fā)揮了作用[2-3]。而在結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)理念中,規(guī)則的結(jié)構(gòu)布置和均勻的剛度、質(zhì)量分布在工程中往往會(huì)被優(yōu)先考慮采用,但是實(shí)際的建筑物無論是平面還是立面往往存在著不規(guī)則和突變[4-5]。已有的研究表明,比起規(guī)則結(jié)構(gòu),不規(guī)則結(jié)構(gòu)在類似設(shè)計(jì)條件下的抗震設(shè)計(jì)需要考慮更大的地震響應(yīng)[6-7],尤其是在高層及超高層建筑中,必須高度重視框架和剪力墻的變形協(xié)調(diào)性,在框架和剪力墻結(jié)構(gòu)中尋求受力平衡點(diǎn)[8-9],從而形成穩(wěn)定可靠的框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系,優(yōu)化整體結(jié)構(gòu)的抗震性能,保證建筑的正常使用。

        1 工程概況

        廣西某技術(shù)業(yè)務(wù)綜合樓是廣西“十三五”計(jì)劃建設(shè)的重大公益性文化工程,也是廣西壯族自治區(qū)統(tǒng)籌推進(jìn)的重大建設(shè)項(xiàng)目。在拆除項(xiàng)目原有直播樓、職工俱樂部樓、綜合辦公樓共3棟建筑舊址的基礎(chǔ)上,新建一棟技術(shù)業(yè)務(wù)綜合樓,不僅完善了原項(xiàng)目自身基礎(chǔ)設(shè)施的需要,還推動(dòng)了傳統(tǒng)媒體與新媒體融合發(fā)展,貫徹國(guó)家“一帶一路”戰(zhàn)略布局,推進(jìn)中國(guó)-東盟自由貿(mào)易區(qū)建設(shè)、實(shí)施“睦鄰、安鄰、富鄰”周邊外交戰(zhàn)略的迫切需要,是一棟面向未來發(fā)展的綜合性工程,其綜合樓效果如圖1所示。

        本項(xiàng)目總規(guī)劃用地面積約14 806 m2。建筑面積約50 000 m2,其中地上建筑面積約38 000 m2,地下建筑面積約12 000 m2。建筑高度為99.6 m,地上層數(shù)為21 層,其中1~4 層為裙房,設(shè)多個(gè)中大型演播廳和錄音棚;5~21 層為辦公用房;地下設(shè)2 層地下室,地下室埋深9 m,為車庫、設(shè)備及配套用房。

        本工程設(shè)計(jì)使用年限為50年,結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí),抗震設(shè)防類別為乙類,抗震設(shè)防烈度為7 度(0.1g),設(shè)計(jì)分組為第一組,場(chǎng)地類別為Ⅱ類,特征周期為0.35 s,基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)。地面粗糙度C 類,基本風(fēng)壓為0.35 kN/m2。

        2 結(jié)構(gòu)體系

        結(jié)構(gòu)根據(jù)建筑功能需要,采取框架-剪力墻結(jié)構(gòu)形式,框架、剪力墻的抗震等級(jí)為一級(jí),設(shè)計(jì)中嚴(yán)格控制了剪力墻的數(shù)量,能為建筑平面布置提供較大的使用空間,從而達(dá)到空間大、實(shí)用、美觀、大方、堅(jiān)固的現(xiàn)代建筑宗旨。以簡(jiǎn)潔的框架造型規(guī)整立面,開窗規(guī)整,從不同角度仰望都是整齊劃一,端莊祥和。

        本工程剪力墻主要布置在主樓樓梯、電梯核心筒位置,從而形成良好的抗側(cè)力性能,建筑布置又較靈活的結(jié)構(gòu)體系,在這種結(jié)構(gòu)體系中,框架和剪力墻協(xié)同工作變形協(xié)調(diào),形成了彎剪變形,從而減小了結(jié)構(gòu)的層間相對(duì)位移比和頂點(diǎn)位移比,使結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度得到了提高;框-剪結(jié)構(gòu)在水平荷載下,大部分地震剪力由剪力墻承擔(dān),框架柱截面尺寸可以做得不必過大而節(jié)約使用空間。根據(jù)建筑功能需求,在裙樓1~4 層設(shè)置大型多功能綜合演播廳,導(dǎo)致裙房屋面為30.8 m的大跨度梁,如圖2?所示;大跨度梁采用鋼筋混凝土框架梁,梁截面為800 mm×2 400 mm,相連柱子截面為1 500 mm×1 500 mm、1 200 mm×1 500 mm。5~21層為辦公、廣播用房,標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置如圖2?所示,樓層主要構(gòu)件尺寸如表1所示。

        圖2 裙房頂結(jié)構(gòu)布置Fig.2 Podium Roof Structure Layout

        表1 樓層主要構(gòu)件尺寸Tab.1 Main Omponent Size of Storey

        3 結(jié)構(gòu)超限情況及相應(yīng)加強(qiáng)措施

        根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范:GB 50011—2010》[10]、《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程:JGJ 3—2010》[11](簡(jiǎn)稱《高規(guī)》)以及超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》(建質(zhì)[2015]67 號(hào))的相關(guān)規(guī)定,本工程存在平面、立面不規(guī)則在內(nèi)的4項(xiàng)不規(guī)則,屬于特別不規(guī)則超限高層建筑。具體超限情況如下:

        ⑴扭轉(zhuǎn)不規(guī)則,在考慮偶然偏心影響的地震作用下,樓層豎向構(gòu)件的最大水平位移和層間位移大于該層平均值的1.2倍。X向最大位移比為1.37(5層)。

        ⑵樓板不連續(xù),2~4層為演播大廳,樓板不連續(xù),開洞面積大于30%。

        ⑶塔樓偏置,主裙樓間不設(shè)縫,導(dǎo)致上部主樓與大底盤的質(zhì)心偏心距大于底盤相應(yīng)邊長(zhǎng)20%。

        ⑷主樓底部存在多個(gè)10 m高的穿層柱。

        針對(duì)以上4項(xiàng)不規(guī)則,設(shè)計(jì)中采取如下加強(qiáng)措施:

        ⑴針對(duì)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則,按性能目標(biāo)C級(jí)進(jìn)行抗震性能設(shè)計(jì),取雙向地震及單向地震計(jì)入偶然偏心進(jìn)行計(jì)算。

        ⑵對(duì)樓板不連續(xù)、大開洞區(qū)域?qū)е碌谋∪踹B接部位,采取加厚樓板為150 mm 并雙層雙向拉通配筋。采用Midas 軟件對(duì)大開洞部位進(jìn)行地震下的應(yīng)力分析,尋找薄弱部位并對(duì)其進(jìn)一步加強(qiáng),根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果加大配筋,并控制鋼筋應(yīng)力。

        ⑶將第1~6 層體型收進(jìn)部位的塔樓周邊柱抗震等級(jí)提高為特一級(jí),柱子采用全高加密構(gòu)造措施,為增強(qiáng)大底盤范圍的剪力墻和框架柱的抗震性能,剪力墻身的水平和豎向分布筋的最小配筋率提高到0.50%,框架柱縱筋配筋設(shè)計(jì)時(shí)按放大1.1倍考慮。

        ⑷穿層柱按照中震抗剪彈性、受彎不屈服進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)。

        4 結(jié)構(gòu)主要計(jì)算分析

        4.1 結(jié)構(gòu)整體彈性分析

        主體結(jié)構(gòu)主要采用YJK 進(jìn)行整體計(jì)算,采用MIDAS Gen進(jìn)行對(duì)比分析,以確保分析的準(zhǔn)確性。在結(jié)構(gòu)分析中,采用三維的桿單元模擬梁柱、其中YJK 采用殼單元模擬剪力墻,MIDAS Gen 采用墻單元模擬剪力墻。兩個(gè)不同軟件分析的整體模型的計(jì)算結(jié)果如表2~表4所示。

        表4 地震作用下主體結(jié)構(gòu)剪力、剪重比及傾覆力矩結(jié)構(gòu)比較對(duì)比Tab.4 Comparison and Comparison of Shear Force,Shear-weight Ratio and Overturning Moment Structure of Main Structure under Earthquake Action

        由表2 可知,兩種計(jì)算軟件得出的周期非常接近,說明模型及計(jì)算結(jié)果合理且有效,計(jì)算模型符合結(jié)構(gòu)實(shí)際工作狀況,可以作為設(shè)計(jì)的依據(jù)。

        表2 主體結(jié)構(gòu)前6階周期計(jì)算結(jié)果對(duì)比Tab.2 Comparison of the Calculation Results of the First 6-order Period of the Main Structure

        根據(jù)《高規(guī)》第3.7.3條,樓層層間最大位移角不宜大于1/800。由表3 可知,地震作用下位移角、位移比均滿足《高規(guī)》要求,結(jié)構(gòu)的剛度合理,能有效抵抗水平地震作用。

        表3 地震作用下主體結(jié)構(gòu)位移結(jié)果對(duì)比Tab.3 Comparison of Displacement Results of Main Structure under Earthquake

        根據(jù)文《高規(guī)》第4.3.12 條,7 度(0.10g)下基本周期小于3.5 s 的結(jié)構(gòu)樓層最小地震剪力系數(shù)為1.6%。由表4 可知,本工程兩種軟件計(jì)算的各樓層最小剪重比均大于1.6%,剪重比均滿足《高規(guī)》要求。

        綜上,YJK 和MIDAS Gen 計(jì)算出的剪力和傾覆彎矩基本一致,相互驗(yàn)證了計(jì)算模型的準(zhǔn)確性。

        4.2 彈性時(shí)程分析

        根據(jù)《高規(guī)》第4.3.4條規(guī)定,本結(jié)構(gòu)應(yīng)采用彈性時(shí)程分析方法進(jìn)行多遇地震下的補(bǔ)充計(jì)算。計(jì)算分析時(shí)選用2 條天然波及1 條人工模擬的加速度時(shí)程曲線,時(shí)程分析計(jì)算的底部剪力與陣型反應(yīng)譜(CQC)分析計(jì)算出的地基剪力對(duì)比如表5所示。

        表5 時(shí)程分析法與CQC法計(jì)算結(jié)果對(duì)比Tab.5 Comparison of Calculation Results between Time History Analysis Method and CQC Method

        由表5的結(jié)果可知:?jiǎn)螚l波得到的基底剪力都不小于反應(yīng)譜結(jié)果的65%,3條波的平均基底剪力不小于反應(yīng)譜結(jié)果的80%,單條波得到的基底剪力都不大于反應(yīng)譜結(jié)果的135%,3條波的平均基底剪力不大于反應(yīng)譜結(jié)果的120%,說明地震波的選取滿足《高規(guī)》要求。

        4.3 樓板薄弱層應(yīng)力分析

        樓板應(yīng)力分析主要針對(duì)有較大開洞的樓層,通過樓板應(yīng)力分析圖可以直觀的看到結(jié)構(gòu)樓面系統(tǒng)中應(yīng)力較大及相對(duì)薄弱的部位,為樓板采取加強(qiáng)措施提供圖形和數(shù)據(jù)的依據(jù)。

        采用考慮樓板彈性變形的計(jì)算模型進(jìn)行小震、設(shè)防地震下樓板應(yīng)力計(jì)算。二層樓板X向和Y向設(shè)防地震下的應(yīng)力如圖3所示。

        圖3 二層樓板X向和Y向設(shè)防地震下的應(yīng)力圖Fig.3 Stress of the Second Floor Slab under X-directional and Y-directional Seismic Fortification(N/mm2)

        計(jì)算分析表明,薄弱層樓板大部分區(qū)域在設(shè)防地震下正應(yīng)力小于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.20 MPa,對(duì)局部薄弱部位應(yīng)力較大區(qū)域的樓板,按中震應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行配筋雙層雙向配筋加強(qiáng)。

        4.4 罕遇地震動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析

        采用PKPM-SAUSAGE 軟件進(jìn)行罕遇地震下的動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析,結(jié)果表明最大結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角為1/175,剪力墻、框架柱整體塑性程度不高,底部加強(qiáng)區(qū)整體的性能化指標(biāo)為中度、輕度損壞,整體抗震性能良好。

        4.5 裙房大跨度梁受力分析

        依據(jù)建筑功能,裙房首層為多功能綜合演播廳,在演播廳內(nèi)不允許設(shè)置框架柱,使得裙樓1~4 層形成大跨度空間結(jié)構(gòu),裙房屋頂X和Y向大跨度尺寸分別為47.2 m、30.8 m;裙房屋頂為種植屋面,恒載標(biāo)準(zhǔn)值為11 kN/m2,活載標(biāo)準(zhǔn)值為5 kN/m2。

        從結(jié)構(gòu)布置、建筑要求、經(jīng)濟(jì)性考慮,此部位采用單向大跨度主梁+現(xiàn)澆樓板的結(jié)構(gòu)形式(見圖2),主梁截面800 mm × 2 400 mm,相連柱子截面為1 500 mm×1 500 mm、1 200 mm×1500 mm,現(xiàn)澆混凝土樓板厚度為150 mm,梁板混凝土強(qiáng)度為C30。

        對(duì)此部位采用MIDAS 進(jìn)行多遇地震和設(shè)防地震下的補(bǔ)充計(jì)算,并考慮豎向地震作用,分析大跨度梁的受力情況,計(jì)算結(jié)果如表6所示。

        表6 裙房大跨度主梁計(jì)算對(duì)比Tab.6 Calculation and Comparison of Large-span Main Beams in Podium

        由表6分析可知:①在多遇地震作用下,在考慮豎向地震作用后,構(gòu)件彎矩、剪力均有一定的增加。經(jīng)配筋復(fù)核,梁縱筋配筋兩者無明顯差別,梁箍筋配筋比與僅考慮水平地震作用時(shí)增加10%~16%;②在設(shè)防地震作用下,根據(jù)設(shè)定的性能化目標(biāo),大跨度梁需要按中震抗剪彈性、中震抗彎不屈服設(shè)計(jì)。計(jì)算分析表明,設(shè)防地震下的彎矩均小于多遇地震下的計(jì)算彎矩,剪力比多遇地震下的計(jì)算剪力增加10%,能實(shí)現(xiàn)設(shè)定的性能化目標(biāo)。

        5 結(jié)論

        ⑴廣西某技術(shù)業(yè)務(wù)綜合樓結(jié)構(gòu)存在多項(xiàng)不規(guī)則問題,本文對(duì)各種情況采取了相應(yīng)的受力計(jì)算分析和加強(qiáng)措施,確保了結(jié)構(gòu)各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足受力以及《高規(guī)》要求。

        ⑵裙房屋面大跨度梁為關(guān)鍵構(gòu)件,需要按中震抗剪彈性、中震抗彎不屈服設(shè)計(jì),以確保結(jié)構(gòu)安全。

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