超限高層商業(yè)樓的結(jié)構(gòu)設(shè)計分析論文
隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，商業(yè)建筑迎來了蓬勃發(fā)展的時期。在建筑功能不斷集成的過程中，出現(xiàn)了一系列的結(jié)構(gòu)問題：體量大、體型復(fù)雜、大跨、開洞等，因此現(xiàn)代商業(yè)建筑對結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求越來越高。本文將結(jié)合工程實例，總結(jié)超限高層商業(yè)建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，為此類項目的設(shè)計提供參考。
1 工程概況
某工程由 1 棟 6 層商業(yè)樓，4 棟超高層住宅樓，1 棟 59 層超高層辦公樓組成。本文以 6 層商業(yè)樓為例，分析總結(jié)超限高層商業(yè)建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。結(jié)合 6 層商業(yè)樓的建筑功能和結(jié)構(gòu)平面布置的特點，設(shè)兩道防震縫將其分為 A、B、C 三個區(qū)，分區(qū)后僅 A 區(qū)屬超限高層，故本文主要介紹商業(yè)樓 A 區(qū)，下文所提商業(yè)樓均指商業(yè)樓 A 區(qū)。
本工程所在地區(qū)基本設(shè)防烈度為 6 度，設(shè)計基本地震加速度為0. 05g,設(shè)計地震分組為第一組，建筑場地類別為Ⅱ類，場地特征周期，多遇地震為 0. 35s,罕遇地震為 0. 40s.商業(yè) A 區(qū)結(jié)構(gòu)單元抗震設(shè)防類別為重點設(shè)防類，應(yīng)按高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度提高一度的要求加強其抗震措施，故商業(yè)樓框架抗震等級應(yīng)為 2 級。多遇地震計算時結(jié)構(gòu)阻尼比取 0. 05,風振計算時結(jié)構(gòu)阻尼比取 0. 02.
2 基礎(chǔ)設(shè)計
商業(yè)樓基礎(chǔ)設(shè)計等級為甲級，采用樁加防水板基礎(chǔ)。根據(jù)前期試樁檢測報告結(jié)論，采用Φ700 鉆孔灌注樁，抗壓兼抗拔樁。基礎(chǔ)埋深12. 1m,遠大于建筑結(jié)構(gòu)高度的 1/18.經(jīng)復(fù)核，風荷載及水平地震作用下基底均不出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū)，可滿足高層建筑結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定要求。
3 地下車庫設(shè)計
地下車庫采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)，局部增加的剪力墻，主要有兩個作用：一是為了使得地下 1 層與地上 1 層的剪切剛度比大于 2,滿足正負零作為地上單體嵌固端的要求，二是為了更好地保證室內(nèi)外高差處水平力的傳遞。商業(yè)樓室內(nèi)及室外相關(guān)范圍內(nèi)，正負零零層采用梁板式結(jié)構(gòu)，板厚 180 ~250,雙層雙向配筋，且配筋率不小于 0. 25%.
4 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計
（1）超限情況的判定
根據(jù)“住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部關(guān)于印發(fā)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點》的通知（建質(zhì)〔2010〕109 號）”,對商業(yè)樓的超限情況判定如下：商業(yè)樓結(jié)構(gòu)高度 29. 2m,采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，屬于 A 級高度高層建筑，高度不超限。商業(yè)樓3 層以上豎向構(gòu)件縮進大于 25%,屬尺寸突變（立面收進）；商業(yè)樓地上樓層存在多處樓板有效寬度小于 50%,開洞面積大于30%的情況；④商業(yè)樓3 層和4層之間質(zhì)心相差達 18m,大于相應(yīng)邊長的 15%,同時，考慮偏心扭轉(zhuǎn)位移比大于 1. 2,小于 1. 4.
綜合以上分析，商業(yè)樓屬于超限高層建筑。
�。�2）上部結(jié)構(gòu)計算分析
在小震作用下，全部結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)，構(gòu)件承載力和變形應(yīng)該滿足規(guī)范的相關(guān)要求。根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ 3 -2010 第 5. 1. 12 條的要求，本工程采用 SATWE 與 PMSAP 兩種不同分析軟件分別進行了整體內(nèi)力及位移計算，兩種軟件的計算結(jié)果基本一致，結(jié)構(gòu)體系滿足承載力、穩(wěn)定性和正常使用的要求。樓層最大位層間移角小于 1/550,滿足 JGJ 3 - 2010 第 3. 7. 3 的要求；在剛性樓板假定下，慮偶然偏心影響的規(guī)定水平地震力作用下，豎向構(gòu)件的最大水平位移和層間位移與該樓層平均值的比值均小于 1. 4.
根據(jù)建筑抗震設(shè)計規(guī)范 GB50011 - 2010 第 5. 1. 2 條，對不規(guī)則建筑應(yīng)采用時程分析進行多遇地震下的`補充計算。本工程所選的三條波為 TH2TG035、TH4TG035、RH4TG035,每條時程曲線計算得到的結(jié)構(gòu)底部剪力均大于 CQC 法的 65%,三組時程曲線計算得到的底部剪力平均值大于 CQC 法計算得到的底部剪力的 80%,故所選三條波滿足規(guī)范要求。時程分析的結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)體系無明顯薄弱層，時程分析法包絡(luò)值較 CQC 法計算結(jié)果小，故結(jié)構(gòu)的小震彈性設(shè)計由 CQC 法計算結(jié)果控制。
根據(jù)高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程 JGJ 3 -2010 第 5. 1. 13 條的要求，對商業(yè)樓采用彈塑性靜力分析方法進行了補充計算。兩個方向罕遇地震下性能點最大層間位移角均小于 1/50,小于規(guī)范彈塑性位移角限值，因此宏觀上商業(yè)樓所用結(jié)構(gòu)體系能保證大震不倒的設(shè)計要求。
在通過二階段設(shè)計實現(xiàn)三個水準的基本設(shè)防目標以外，針對本工程的具體情況，提出了以下抗震性能化目標：設(shè)防地震作用下，中庭連廊等薄弱處樓板內(nèi)雙層雙向鋼筋不屈服；設(shè)防地震作用下，懸挑梁根部框架柱及大跨梁兩端相連框架柱斜截面抗剪按彈性設(shè)計，正截面抗彎按不屈服設(shè)計；PMSAP 樓板應(yīng)力分析結(jié)果表明，中庭連廊根部、平面凹口陰角位置一般為應(yīng)力集地區(qū)域，在多遇地震作用下，樓板主拉應(yīng)力不大于混凝土抗拉強度標準值，樓板不會開裂，在設(shè)防地震作用下，應(yīng)力集中位置樓板主拉應(yīng)力略大于混凝土抗拉強度標準值，但適當加大樓板配筋，即可滿足樓板內(nèi)鋼筋不屈服。
在設(shè)防地震作用下，利用 SATWE 進行彈性設(shè)計和不屈服設(shè)計，分別校核懸挑梁根部框架柱及大跨梁兩端相連框架柱的箍筋和縱筋，并與多遇地震計算結(jié)果一起進行包絡(luò)設(shè)計。計算結(jié)果表明，配筋值均在合理范圍，配筋切實可行。通過以上性能化設(shè)計措施，在對結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性影響較小的情況下，提高了結(jié)構(gòu)的抗震性能，增加了建筑的安全性。
（3）上部結(jié)構(gòu)設(shè)計針對偏心布置和扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，設(shè)計時，盡量使結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件在平面布置中對稱均勻布置，避免剛度中心與質(zhì)量中心之間存在過大的偏離；加強外圍構(gòu)件的剛度，增強結(jié)構(gòu)的抗扭性能。計算時，考慮偶然偏心的影響，設(shè)計時適當加強受扭轉(zhuǎn)影響較大部位構(gòu)件的強度、延性及配筋構(gòu)造。通過調(diào)整結(jié)構(gòu)布置，將考慮偶然偏心下的最大位移比嚴格控制在 1. 4 以下，第一扭轉(zhuǎn)周期和第一平動周期比嚴格控制在 0. 9 以下。
針對立面收進帶來的扭轉(zhuǎn)不利影響而采取的抗震措施詳?shù)冢?）條。構(gòu)造上，對收進樓層（4 層）加厚至 140mm 且雙層雙向加強配筋，配筋率不小于 0. 25%,但為減小大跨部分樓板自重，室內(nèi)大跨度區(qū)域樓板厚 120mm,屋面大跨度區(qū)域樓板厚 130mm,收進部位上下層樓板（3 層和 5 層） 厚度不小于 120mm,并雙層雙向加強配筋。根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程 JGJ3 -2010》的相關(guān)規(guī)定，體型收進部位上、下各兩層塔樓周邊豎向結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震等級提高一級，框架柱在此范圍內(nèi)箍筋全高加密，提高縱筋配筋率；收進部位以下兩層結(jié)構(gòu)周邊豎向構(gòu)件配筋加強。
針對因開洞形成樓板不連續(xù)情況，整體計算時按實際開洞情況建模，并將以上樓層定義為彈性膜，以考慮樓板不連續(xù)對結(jié)構(gòu)的影響；同時，構(gòu)造加厚連廊等薄弱區(qū)域樓板至 130mm 厚，并雙層雙向配筋，配筋率不小于 0. 25%.
5 結(jié)語
本文對某超限高層商業(yè)樓的結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了簡要介紹，主要的設(shè)計要點可總結(jié)如下：（1）結(jié)合建筑功能和結(jié)構(gòu)布置合理設(shè)縫，規(guī)避平面布置的不規(guī)則；（2）優(yōu)化布置結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件，適當加強外圈構(gòu)件的剛度，提高結(jié)構(gòu)的抗扭性能；（3）采用兩種軟件進行多遇地震彈性分些，結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足相應(yīng)的強度和剛度要求；（4）對結(jié)構(gòu)進行多遇地震下的彈性時程分析，驗證結(jié)構(gòu)體系的合理性，并與振型分解反應(yīng)譜法進行包絡(luò)設(shè)計；（5）補充罕遇下的靜力彈塑性分析，控制性能點層間位移角不大于規(guī)范要求；（6）根據(jù)工程的具體情況，提出合理的抗震性能化設(shè)計目標；（7）利用概念設(shè)計原理，結(jié)合規(guī)范要求，對薄弱部位進行構(gòu)造加強。
參考文獻：
[1]呂西林。 超限高層建筑工程抗震設(shè)計指南[M]. 上海：同濟大學出版社，2005.
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