帶裙房超限高層公寓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探析
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摘要:結(jié)合某帶裙房超限高層公寓結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)和分析，并根據(jù)相應(yīng)的超限情況提出性能設(shè)計(jì)目標(biāo)及加強(qiáng)措施。
關(guān)鍵詞:超限;伸臂桁架;性能目標(biāo)
1工程概況
該工程為某地塊1號(hào)樓項(xiàng)目。項(xiàng)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(jié)構(gòu)體系，設(shè)置兩個(gè)加強(qiáng)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(jié)構(gòu)超限。主樓及裙房均為地下4層，結(jié)構(gòu)地面標(biāo)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(kù);－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(chǔ)。建筑物總高為149.96m。該工程安全等級(jí)為二級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.0。超高層建筑效果如圖1所示。
2地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)
該項(xiàng)目主樓樓層較多，豎向構(gòu)件底部荷載較大，根據(jù)太原市類似工程的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，主樓核心筒采用鋼筋混凝土后壓漿灌注樁－筏板基礎(chǔ)，主樓及裙房框架柱采用樁－承臺(tái)基礎(chǔ)。該工程主體核心筒區(qū)域下滿布后壓漿灌注樁，樁長(zhǎng)為46.0m，樁徑為800mm，樁端持力層為第8層粉質(zhì)黏土層，抗壓承載力特征值≮6000kN;框架柱采用柱下布樁，樁長(zhǎng)為46.0m，樁徑為800mm，樁端持力層為第8層粉質(zhì)黏土層，抗壓承載力特征值≮6000kN。裙房樁長(zhǎng)為20.0m，樁徑為700mm，樁端持力層在地面下第6層粉質(zhì)黏土層，抗壓承載力特征值≮3000kN。
3結(jié)構(gòu)超限情況
根據(jù)《山西省抗震設(shè)防超限高層建筑工程界定規(guī)定》對(duì)不規(guī)則建筑的規(guī)定，該工程超限情況有:相鄰層質(zhì)心相差20%、五層開洞面積為55%、設(shè)置2個(gè)加強(qiáng)層抗剪承載力突變、裙房北側(cè)及中庭存在穿層柱、局部鋼梁外挑超4m。針對(duì)上述超限情況，該工程從結(jié)構(gòu)體系的選擇、抗震等級(jí)的確定、設(shè)計(jì)內(nèi)力調(diào)整、增強(qiáng)重要構(gòu)件的延性(軸壓比和剪壓比控制、材料選取、設(shè)置邊緣構(gòu)件、型鋼混凝土構(gòu)件)等方面采取了相應(yīng)的加強(qiáng)措施。
3.1結(jié)構(gòu)體系選擇
主樓采用鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)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(dān)大部分地震荷載產(chǎn)生的水平側(cè)力，而剪力墻洞口連梁的設(shè)置既起著調(diào)節(jié)和保證剪力墻側(cè)向剛度的作用，同時(shí)在遭受強(qiáng)烈地震時(shí)，多數(shù)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(jié)構(gòu)構(gòu)件的損壞。為增加結(jié)構(gòu)整體剛度，在23層及頂層沿東西方向設(shè)置五道整層高的伸臂桁架。
3.2對(duì)底部裙樓偏置引起的扭轉(zhuǎn)位移比過大所采取的措施
(1)在裙房及主樓西北角設(shè)置五道鋼支撐，來減小質(zhì)心剛心偏置引起的扭轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)延性。
3.3對(duì)底部裙樓部分樓板開大洞的驗(yàn)算及構(gòu)造加強(qiáng)措施
(1)增加構(gòu)件的性能設(shè)計(jì)，裙房開大洞四周柱性能目標(biāo)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(dá)到55%，為如實(shí)反映該層樓板的空間工作特性，防止其因承擔(dān)過多的水平剪力和變形，在樓板薄弱處較早的進(jìn)入塑性變形甚至破壞狀態(tài)，造成結(jié)構(gòu)的安全隱患，對(duì)樓板計(jì)算采用符合其受力的彈性樓板模型進(jìn)行驗(yàn)算，并根據(jù)中震不屈下樓板的應(yīng)力圖進(jìn)行設(shè)計(jì)，選定該層樓板厚度為150mm、混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35、14@150雙層雙向配筋，以適當(dāng)提高其抗拉承載力和抗拉剛度。
3.4增強(qiáng)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(qiáng)部位墻肢內(nèi)設(shè)置型鋼，鋼梁與核心筒連接部位全高設(shè)置型鋼，墻體軸壓比控制在0.45范圍內(nèi)。(2)核心筒、加強(qiáng)層及其上下各一層柱按特一級(jí)構(gòu)造。(3)底部加強(qiáng)區(qū)及加強(qiáng)層剪力墻墻體配筋率提高至0.6%;底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻邊緣構(gòu)件體積配箍率提高20%。(4)中震作用下，拉力由全截面承擔(dān)。(5)加強(qiáng)層及其相鄰上下層核心筒墻肢應(yīng)按底部加強(qiáng)區(qū)部位要求設(shè)置并設(shè)置約束邊緣構(gòu)件。(6)水平結(jié)構(gòu)體系與措施。框架梁及次梁采用H型鋼梁，以利于減輕結(jié)構(gòu)自重。為加強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性，核心筒內(nèi)采用現(xiàn)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(duì)開洞部位樓板進(jìn)行中震應(yīng)力分析，加厚樓板加強(qiáng)其配筋。(7)加強(qiáng)層結(jié)構(gòu)體系與措施。為增加加強(qiáng)層的整體性，加強(qiáng)層及上一層核心筒內(nèi)、外均采用現(xiàn)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(dāng)提高其抗拉承載力和抗拉剛度，協(xié)調(diào)柱與核心筒變形和傳遞水平力，提高抗側(cè)及抗扭剛度。
4.1地震作用結(jié)構(gòu)抗震基本參數(shù)
根據(jù)GB50223—2008《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防類別:1～5層為乙類;6至頂層為丙類。結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。
4.2結(jié)構(gòu)體系
該項(xiàng)目主體結(jié)構(gòu)總高度為149.96m。基于建筑與結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)體系;裙房采用鋼管混凝土框架－鋼支撐體系。
4.3結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)
參考JGJ3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》3.11節(jié)條文說明中的舉例及相關(guān)說明，綜合考慮該工程結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性，將該工程抗震性能目標(biāo)定義為C級(jí)。根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重要性將整體結(jié)構(gòu)構(gòu)件分為三大類:(1)結(jié)構(gòu)構(gòu)件(關(guān)鍵構(gòu)件):底部加強(qiáng)區(qū)(1～5層)、加強(qiáng)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(jié)構(gòu)構(gòu)件(普通構(gòu)件):非底部加強(qiáng)區(qū)及非加強(qiáng)層核心筒墻、除角柱以外的框架柱。(3)結(jié)構(gòu)構(gòu)件(耗能構(gòu)件):框架梁、連梁及裙房支撐。
4.4結(jié)構(gòu)彈性分析結(jié)果
結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖2所示，其結(jié)構(gòu)彈性分析結(jié)果見表2。X、Y方向的振型參與質(zhì)量為95.73%及96.07%(PKPM結(jié)果)，92.62%及93.77%(MIDAS結(jié)果)滿足JGJ3中90%的要求。第一扭轉(zhuǎn)振型周期與第一平動(dòng)周期的比值為0.76(PKPM結(jié)果)和0.75(MIDAS結(jié)果)，小于JGJ3中的限值0.85。
4.5大震彈塑性時(shí)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(jìn)行結(jié)構(gòu)的罕遇地震彈塑性時(shí)程分析。計(jì)算軟件采用由廣州建研數(shù)力建筑科技有限公司開發(fā)的新一代“GPU+CPU”高性能結(jié)構(gòu)動(dòng)力彈塑性計(jì)算軟件PKPM-SAUSAGE(PKPMSeismicAnalysisUsage)。結(jié)構(gòu)塑性損傷情況如下:(1)結(jié)構(gòu)外框架型鋼梁中最大塑性應(yīng)變?yōu)?.0023，屬于輕度破壞，塑性應(yīng)變區(qū)域主要集中在底部和中部。加強(qiáng)層支撐未出現(xiàn)塑性應(yīng)變。其余部位未見明顯塑性應(yīng)變。(2)外框架鋼管混凝土柱未出現(xiàn)受壓破壞。(3)鋼管混凝土柱中鋼材沒有發(fā)生塑性應(yīng)變，結(jié)構(gòu)整體具有較大的安全儲(chǔ)備。
4.6伸臂桁架典型節(jié)點(diǎn)分析
采用ABAQUS6.11進(jìn)行三維幾何實(shí)體建模與有限元計(jì)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(jì)算結(jié)果表明:(1)所有荷載組合作用下節(jié)點(diǎn)區(qū)域的鋼板應(yīng)力均小于Q390的屈服應(yīng)力，處于彈性工作狀態(tài)，滿足設(shè)計(jì)要求。(2)豎向荷載作用下最大應(yīng)力為38.89MPa，發(fā)生在節(jié)點(diǎn)板與箱型斜腹桿翼緣連接處，小于Q390的屈服應(yīng)力。(3)多遇地震組合作用下，最大應(yīng)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(yīng)力。(4)中震不屈作用下，最大應(yīng)力為291.7MPa，發(fā)生在節(jié)點(diǎn)板與箱型斜腹桿翼緣連接處，小于Q390的屈服應(yīng)力。(5)罕遇地震組合作用下，最大應(yīng)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(yīng)力。
5結(jié)語
綜上所述，該工程雖然存在裙房與主樓相鄰層質(zhì)心相差20%、五層開洞面積55%、設(shè)置2個(gè)加強(qiáng)層抗剪承載力突變、裙房北側(cè)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(jié)構(gòu)的合理布置調(diào)整和對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件的加強(qiáng)，可以滿足JGJ3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設(shè)防要求和該工程的抗震性能目標(biāo)要求。通過對(duì)結(jié)構(gòu)薄弱部位采取合理的加強(qiáng)和構(gòu)造措施，該工程的結(jié)構(gòu)安全性能得到保證，并能滿足建筑物的使用要求。
參考文獻(xiàn):
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［2］JGJ3—2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011．
作者:鄭慧敏 單位:太原市建筑設(shè)計(jì)研究院