帶裙房超限高層公寓結構設計探析

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摘要:結合某帶裙房超限高層公寓結構抗震設計和分析，并根據相應的超限情況提出性能設計目標及加強措施。

關鍵詞:超限;伸臂桁架;性能目標

1工程概況

該工程為某地塊1號樓項目。項目位于城市主干道交匯處，緊鄰城市地鐵線。主樓采用鋼管混凝土框架結構體系，設置兩個加強層;裙房采用鋼管混凝土框架－鋼支撐體系。主樓與裙房連為一體。由于裙樓存在較多不規(guī)則，且主樓與裙房偏心距較大，引起整體結構超限。主樓及裙房均為地下4層，結構地面標高為－17.710m;地上部分，主樓為32層，高度為149.96m;裙房為5層，高度為27.36m。－4～－2層主要功能為車庫;－1～5層主要功能為商業(yè)，局部4～5層為影院;主樓6層及以上為公寓，其中11層、23層為避難層。裙房鋼管柱伸至地下一層，主樓鋼管柱伸至基礎。建筑物總高為149.96m。該工程安全等級為二級，結構重要性系數為1.0。超高層建筑效果如圖1所示。

2地基與基礎設計

該項目主樓樓層較多，豎向構件底部荷載較大，根據太原市類似工程的設計經驗，主樓核心筒采用鋼筋混凝土后壓漿灌注樁－筏板基礎，主樓及裙房框架柱采用樁－承臺基礎。該工程主體核心筒區(qū)域下滿布后壓漿灌注樁，樁長為46.0m，樁徑為800mm，樁端持力層為第8層粉質黏土層，抗壓承載力特征值≮6000kN;框架柱采用柱下布樁，樁長為46.0m，樁徑為800mm，樁端持力層為第8層粉質黏土層，抗壓承載力特征值≮6000kN。裙房樁長為20.0m，樁徑為700mm，樁端持力層在地面下第6層粉質黏土層，抗壓承載力特征值≮3000kN。

3結構超限情況

根據《山西省抗震設防超限高層建筑工程界定規(guī)定》對不規(guī)則建筑的規(guī)定，該工程超限情況有:相鄰層質心相差20%、五層開洞面積為55%、設置2個加強層抗剪承載力突變、裙房北側及中庭存在穿層柱、局部鋼梁外挑超4m。針對上述超限情況，該工程從結構體系的選擇、抗震等級的確定、設計內力調整、增強重要構件的延性(軸壓比和剪壓比控制、材料選取、設置邊緣構件、型鋼混凝土構件)等方面采取了相應的加強措施。

3.1結構體系選擇

主樓采用鋼管混凝土框架結構體系，即鋼筋混凝土核心筒與伸臂桁架混合，裙房采用鋼管混凝土框架－鋼支撐體系。鋼筋混凝土核心筒和支撐承擔大部分地震荷載產生的水平側力，而剪力墻洞口連梁的設置既起著調節(jié)和保證剪力墻側向剛度的作用，同時在遭受強烈地震時，多數連梁在墻肢屈服之前首先屈服，發(fā)揮其塑性變形能力，耗散地震能量，有效減輕主體結構構件的損壞。為增加結構整體剛度，在23層及頂層沿東西方向設置五道整層高的伸臂桁架。

3.2對底部裙樓偏置引起的扭轉位移比過大所采取的措施

(1)在裙房及主樓西北角設置五道鋼支撐，來減小質心剛心偏置引起的扭轉位移比偏大的情況。(2)小震下控制裙房柱軸壓比＜0.6，以增加結構延性。

3.3對底部裙樓部分樓板開大洞的驗算及構造加強措施

(1)增加構件的性能設計，裙房開大洞四周柱性能目標定為中震彈性。(2)由于4層頂樓板開有大洞口，局部樓板缺失面積達到55%，為如實反映該層樓板的空間工作特性，防止其因承擔過多的水平剪力和變形，在樓板薄弱處較早的進入塑性變形甚至破壞狀態(tài)，造成結構的安全隱患，對樓板計算采用符合其受力的彈性樓板模型進行驗算，并根據中震不屈下樓板的應力圖進行設計，選定該層樓板厚度為150mm、混凝土強度等級為C35、14@150雙層雙向配筋，以適當提高其抗拉承載力和抗拉剛度。

3.4增強核心筒延性的措施

為改善混凝土核心筒的延性，采取了以下措施:(1)核心筒底部加強部位墻肢內設置型鋼，鋼梁與核心筒連接部位全高設置型鋼，墻體軸壓比控制在0.45范圍內。(2)核心筒、加強層及其上下各一層柱按特一級構造。(3)底部加強區(qū)及加強層剪力墻墻體配筋率提高至0.6%;底部加強區(qū)剪力墻邊緣構件體積配箍率提高20%。(4)中震作用下，拉力由全截面承擔。(5)加強層及其相鄰上下層核心筒墻肢應按底部加強區(qū)部位要求設置并設置約束邊緣構件。(6)水平結構體系與措施。框架梁及次梁采用H型鋼梁，以利于減輕結構自重。為加強結構整體性，核心筒內采用現澆鋼筋混凝土樓板，板厚為150mm，核心筒外采用鋼筋桁架樓承板，板厚為110mm。對開洞部位樓板進行中震應力分析，加厚樓板加強其配筋。(7)加強層結構體系與措施。為增加加強層的整體性，加強層及上一層核心筒內、外均采用現澆鋼筋混凝土樓板，板厚為200mm，采用雙層雙向配筋，配筋按照中震不屈下樓板受力配筋，以適當提高其抗拉承載力和抗拉剛度，協調柱與核心筒變形和傳遞水平力，提高抗側及抗扭剛度。

4上部結構設計

4.1地震作用結構抗震基本參數

根據GB50223—2008《建筑工程抗震設防分類標準》規(guī)定，結構抗震設防類別:1～5層為乙類;6至頂層為丙類。結構分析和設計參數見表1。

4.2結構體系

該項目主體結構總高度為149.96m。基于建筑與結構綜合考慮，采用鋼管混凝土框架(鋼筋混凝土核心筒與伸臂桁架混合)結構體系;裙房采用鋼管混凝土框架－鋼支撐體系。

4.3結構抗震性能目標

參考JGJ3—2010《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》3.11節(jié)條文說明中的舉例及相關說明，綜合考慮該工程結構的安全性和經濟性，將該工程抗震性能目標定義為C級。根據結構構件的重要性將整體結構構件分為三大類:(1)結構構件(關鍵構件):底部加強區(qū)(1～5層)、加強層(23層及32層)及其相鄰層的核心筒墻;伸臂桁架、與伸臂桁架相連的框架柱;全樓角柱;五層樓板開大洞四周框架柱。(2)結構構件(普通構件):非底部加強區(qū)及非加強層核心筒墻、除角柱以外的框架柱。(3)結構構件(耗能構件):框架梁、連梁及裙房支撐。

4.4結構彈性分析結果

結構計算模型如圖2所示，其結構彈性分析結果見表2。X、Y方向的振型參與質量為95.73%及96.07%(PKPM結果)，92.62%及93.77%(MIDAS結果)滿足JGJ3中90%的要求。第一扭轉振型周期與第一平動周期的比值為0.76(PKPM結果)和0.75(MIDAS結果)，小于JGJ3中的限值0.85。

4.5大震彈塑性時程分析

該工程共選擇了兩組天然波和一組人工波共三組地震波來進行結構的罕遇地震彈塑性時程分析。計算軟件采用由廣州建研數力建筑科技有限公司開發(fā)的新一代“GPU+CPU”高性能結構動力彈塑性計算軟件PKPM-SAUSAGE(PKPMSeismicAnalysisUsage)。結構塑性損傷情況如下:(1)結構外框架型鋼梁中最大塑性應變?yōu)?.0023，屬于輕度破壞，塑性應變區(qū)域主要集中在底部和中部。加強層支撐未出現塑性應變。其余部位未見明顯塑性應變。(2)外框架鋼管混凝土柱未出現受壓破壞。(3)鋼管混凝土柱中鋼材沒有發(fā)生塑性應變，結構整體具有較大的安全儲備。

4.6伸臂桁架典型節(jié)點分析

采用ABAQUS6.11進行三維幾何實體建模與有限元計算，如圖3和圖4所示。分析，考慮了多遇地震、中震彈性和罕遇地震三種工況組合。計算結果表明:(1)所有荷載組合作用下節(jié)點區(qū)域的鋼板應力均小于Q390的屈服應力，處于彈性工作狀態(tài)，滿足設計要求。(2)豎向荷載作用下最大應力為38.89MPa，發(fā)生在節(jié)點板與箱型斜腹桿翼緣連接處，小于Q390的屈服應力。(3)多遇地震組合作用下，最大應力為130.1MPa，發(fā)生在支撐與鋼梁翼緣連接根部，小于Q390的屈服應力。(4)中震不屈作用下，最大應力為291.7MPa，發(fā)生在節(jié)點板與箱型斜腹桿翼緣連接處，小于Q390的屈服應力。(5)罕遇地震組合作用下，最大應力為378.5MPa，發(fā)生在支撐與鋼梁翼緣連接根部，小于Q390的屈服應力。

5結語

綜上所述，該工程雖然存在裙房與主樓相鄰層質心相差20%、五層開洞面積55%、設置2個加強層抗剪承載力突變、裙房北側及中庭存在穿層柱、局部鋼梁外挑超4m等超限情況，但通過結構的合理布置調整和對關鍵構件的加強，可以滿足JGJ3—2010《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》中“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設防要求和該工程的抗震性能目標要求。通過對結構薄弱部位采取合理的加強和構造措施，該工程的結構安全性能得到保證，并能滿足建筑物的使用要求。

參考文獻:

［1］GB50011—2010，建筑抗震設計規(guī)范(附條文說明)(2016年版)［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010．

［2］JGJ3—2010，高層建筑混凝土結構技術規(guī)程［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2011．

作者:鄭慧敏 單位:太原市建筑設計研究院