簡介： 通過對某超限高層的結(jié)構(gòu)分析設(shè)計，給出超限高層的一般結(jié)構(gòu)分析設(shè)計過程，是平面不規(guī)則超限還是豎向不規(guī)則超限以及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施。超限高層一般需進(jìn)行彈性時程分析以揭示結(jié)構(gòu)是否有薄弱層。其分析設(shè)計過程可供其他超限高層的結(jié)構(gòu)設(shè)計作參考。
關(guān)鍵字：超限高層 結(jié)構(gòu)分析 彈性時程分析 不規(guī)則 彈性樓板 構(gòu)造措施

1 工程概況

　　該高層為廣西醫(yī)科大學(xué)圖書館二期工程，建設(shè)地點位于南寧市雙擁路廣西醫(yī)科大學(xué)中央教學(xué)區(qū)內(nèi)。最高層數(shù)11層，地下1層，總用地面積19889.8m²，建筑總面積35585.7m²。抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計基本地震加速度值為0.05g，設(shè)計地震分組為第一組，設(shè)計特征周期為0.35s，水平地震影響系數(shù)最大值為0.04，場地類別為II類。
　　本工程主樓主體高度為47.7m，在A級設(shè)計限值以內(nèi)，故抗震設(shè)防類別為A級高度丙類。結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50年，結(jié)構(gòu)安全等級為二級，地面粗糙度為B類，基本風(fēng)壓按50年一遇取值。地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為乙級，地下室防水等級為二級。
　　根據(jù)建筑物的平面形狀及功能要求，本工程采用了二道抗震縫將建筑物從地下室頂板面起分為三幢單體，縫寬均滿足規(guī)范要求。地下室作為三幢單體的嵌固層，這樣三幢單體可以獨立計算地震作用而不需作為復(fù)雜高層大底盤多塔樓模型考慮。一幢單體為3層多功能演講廳，一幢為6層樓圖書館，總高度小于22.5米，該兩幢單體均不屬于高層范疇，故在此不予以分析。

2 規(guī)則性分析

　　中間1幢單體為11層47.7m高的主體，其結(jié)構(gòu)體系為框架—剪力墻結(jié)構(gòu)。天面構(gòu)架出屋面7.65m。剪力墻與框架部分的抗震等級分別為三級和四級。下面分析該主體結(jié)構(gòu)的規(guī)則性。
1）、平面規(guī)則性分析

　　該主體平面布置為T型，突出部分長度t與總寬度之比大于《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2002）第4.3.3條規(guī)定的0.35。， ，高寬比為。該平面布置的突出部分太多，大于0.35，屬于平面不規(guī)則。平面形狀尺寸見右圖1。

圖1  平面形狀簡圖

　　二、三、四層有中庭及樓梯開洞，開洞面積比率為15%，小于《高規(guī)》4.3.6條規(guī)定的35%，樓板在開洞處的凈寬度為9.2m>5m，且開洞后的最小樓板凈寬為4.3m>2m。均滿足《高規(guī)》4.3.6條規(guī)定，但在設(shè)計中予以彈性樓板補(bǔ)充計算及采取構(gòu)造措施加強(qiáng)開洞處附近梁板。
2）、豎向規(guī)則性分析

　　在4~6層平面逐層收進(jìn)，收進(jìn)后的，大于《高規(guī)》4.4.5條的75%，收進(jìn)后的面積比收進(jìn)前的為75.3%，滿足《高規(guī)》4.4.2條，綜合判斷為豎向規(guī)則。
3）、結(jié)構(gòu)布置
　　根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點》，本工程屬于高度不超過規(guī)定，但建筑結(jié)構(gòu)布置屬于《抗震規(guī)范》、《高規(guī)》規(guī)定的高層建筑工程。為一項平面不規(guī)則，豎向規(guī)則結(jié)構(gòu)體系。
　　該超限單體采用電梯間，樓梯間等垂直交通通道形成的相對集中的剪力墻筒作為結(jié)構(gòu)體系的主要抗側(cè)力構(gòu)件，通過加設(shè)抗震剪力墻來調(diào)整整個結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，使用周期，位移滿足規(guī)范要求。

3、結(jié)構(gòu)分析及主要結(jié)果

　　結(jié)構(gòu)整體計算采用中國建筑科學(xué)研究院開發(fā)的多層及高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析與設(shè)計軟件SATWE（墻元模型）及PMSAP（廣義墻元模型）兩個相互獨立的可資相互對比的高層結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行，計算時均考慮偶然偏心，地震作用下的扭轉(zhuǎn)影響，用SATWE進(jìn)行結(jié)構(gòu)的彈性動力時程分析。圖書庫的活荷載較大，故考慮活荷載不利布置影響。周期折減系數(shù)為0.75，結(jié)構(gòu)的阻尼比為0.05。
　　主要計算結(jié)果如下。
1）、周期
⑴ SATWE計算
　　以扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期Tt（T₃）與以平動為主的第一周期之比為：
　　X向：，Y向：，滿足《高規(guī)》4.3.5條。說明結(jié)構(gòu)已經(jīng)具有足夠的抗扭剛度。
⑵ PMSAP計算
　　X向：，Y向：，與SATWE計算結(jié)果相近。
2）、基底剪力
⑴ SATWE計算
　　活荷載產(chǎn)生的總質(zhì)量（t）：7411.915t，恒荷載產(chǎn)生的總質(zhì)量（t）：46104.063t，結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量（t）：53515.977t。其他結(jié)果見表1。

表1   主要計算結(jié)果表

　　均滿足《高規(guī)》3.3.13及5.1.13條。說明振型數(shù)已經(jīng)選夠。該結(jié)構(gòu)體系可以保證整體穩(wěn)定性，且重力二階效應(yīng)的影響可不計。
⑵ PMSAP計算結(jié)果與SATWE相近。
3）、位移
⑴ SATWE計算
　　位移比計算結(jié)果滿足《高規(guī)》4.3.5條，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不大于該樓層平均值的1.5倍。在Y方向的地震及風(fēng)荷載作用下的⑥軸處的位移比偏大，但小于1.5。說明該側(cè)的抗扭剛度略顯不足，在施工圖設(shè)計中將加大該側(cè)的柱、梁配筋等構(gòu)造措施。樓層層間最大位移與層高之比滿足《高規(guī)》4.6.3條的限值。
⑵ PMSAP計算結(jié)果與SATWE相近，均滿足《高規(guī)》4.3.5及4.6.3條。
4）、樓層剛度比  SATWE計算及PMSAP計算結(jié)果滿足《高規(guī)》4.4.2條，說明結(jié)構(gòu)體系豎向布置比較規(guī)則，無結(jié)構(gòu)薄弱層。

4、彈性時程分析

　　用SATWE進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的彈性動力時程分析，根據(jù)場地周期Tg相近原則選用地震波為TAF-2、LAN4-2及LAN6-2，三條地震加速度時程曲線的最大值為18cm/s²，其中LAN4-2及LAN6-2的地震力放大系數(shù)為1.3，則每條時程曲線計算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力不小于振型分解反應(yīng)譜法（CQC）求得的底部剪力的65%，多條時程曲線計算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值不小于振型分解反應(yīng)得譜法求得的底部剪力的80%，見表2。來源:civilcn.com

表2  彈性時程分析底部剪力表     （單位：kN）

　　時程分析結(jié)果曲線見圖2（僅給出各層最大位移，最大反應(yīng)彎矩曲線，其他略）。由曲線可知，動力時程反應(yīng)值（各層最大位移，最大層間位移角，最大反應(yīng)力，最大反應(yīng)剪力，最大反應(yīng)彎矩）這五項指標(biāo)均小于規(guī)范反應(yīng)譜法（CQC）的計算值，說明SATWE的整體計算設(shè)計是安全的。該結(jié)構(gòu)體系無薄弱層。

圖2  彈性時程分析曲線圖

5、結(jié)論

　　本工程為豎向規(guī)則，平面有一項超限不規(guī)則的超限高層。依據(jù)《高規(guī)》要求進(jìn)行了兩個不同程序軟件計算對比，計算結(jié)果無異常，周期、位移、剪重比、剛重比等重要參數(shù)結(jié)果均滿足高規(guī)及抗震有關(guān)要求。并依據(jù)高規(guī)進(jìn)行了彈性時程分析，時程分析結(jié)果該結(jié)構(gòu)體系無薄弱層，五個動力時程反應(yīng)值的曲線均在CQC包絡(luò)線之內(nèi)，說明用反應(yīng)譜法（SATWE的CQC法）設(shè)計是安全的^[3]。
　　為體現(xiàn)抗震設(shè)防目標(biāo)三水準(zhǔn)（小震不壞，中震可修，大震不倒）的要求，高層建筑抗震設(shè)計是通過“兩階段設(shè)計”來實現(xiàn)的，即除在第一階段多遇地震（超越概率63%）下采用彈性反應(yīng)譜法進(jìn)行結(jié)構(gòu)承載力及彈性側(cè)移驗算外，對超高層及特殊高層尚宜進(jìn)行第二階段抗倒塌的結(jié)構(gòu)彈塑性變形驗算。因本工程僅為平面有一項超限的普通高層，所以僅進(jìn)行了第一階段設(shè)計，（可以滿足第一、第二水準(zhǔn)的抗震要求）。對于第三水準(zhǔn)設(shè)計目標(biāo)則通過概念設(shè)計等構(gòu)造措施來達(dá)到此要求。本工程采用了框剪結(jié)構(gòu)，由延性較好的框架，抗側(cè)力剛度較大的剪力墻和有良好耗能性能的連梁所組成，具有多道抗震防線，從國內(nèi)經(jīng)受地震后震害調(diào)查表明，框剪結(jié)構(gòu)確為一種抗震性能很好的結(jié)構(gòu)體系^[4]。SATWE及PMSAP軟件的計算結(jié)果也證實了本工程采用框剪結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)布置，截面尺寸等是合理的，當(dāng)然由于本工程有一項不滿足平面不規(guī)性，所以對于邊緣的剪力墻、框架梁、柱需進(jìn)一步加強(qiáng)構(gòu)造措施，嚴(yán)格控制軸壓比，加大配筋。對于樓板開洞處，平面轉(zhuǎn)角（陰角）處，頂層大開間等結(jié)構(gòu)薄弱處均需加強(qiáng)構(gòu)造措施。以保證結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計三水準(zhǔn)目標(biāo)及其經(jīng)濟(jì)、合理性。

參考文獻(xiàn)

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