浅谈带设备层高层建筑抗震性能分析

茹博军

【摘要】本文以某一商业综合体工程实例为依托，建立标准结构模型和托盘结构模型，采用振型分解反应谱法对不同模型进行抗震性能分析，获得不同结构模型抗震性能指标；通过性能指标分析和比较，提出了托盘模型是解决设备层竖向抗侧刚度突变的有效方法，为今后类似工程设计提供参考依据。

【关键词】托盘模型；周期；振型；楼层地震剪力；抗侧刚度比

1 项目概况

某商业综合体，位于6度（0.05g）地震设防区。主楼为两栋相互独立的高层建筑，其中一栋7层以上为酒店，另一栋7层以上为办公楼，其中裙房区域为建筑在地上七层的商业用房以及地下二层的车库。裙房和塔楼之间是相互连接的，二者共同构成了综合楼，该综合楼的尺寸136.4m×58.4m。结构平面酒店与商场之间设抗震缝，计算模型以酒店进行分析比较。第二室一层层高为5000mm和5400mm；地上底层层高则为首层为6000mm、二三四层为5100mm、第五层为5000mm、第六七层则为4800mm；八层及以上酒店层高均为3600mm，其中在七层与八层之间设置设备层，层高为2180mm。场地类别为二类、抗震等级为二级、粗糙度类别则为B类。其中酒店为框架-剪力墙结构，结构嵌固端取地下室顶层处。

2 结构计算模型

由于酒店上下建筑功能的不同，在七层与八层之间进行设置设备层，这样能够充分满足设计与建造酒店时的功能需求。就经济视角而言，设备层的高度一般都在2.0m，比下部大底盘行业上部塔楼的高度要低一些，但是其竖向手里构件界面尺寸未出現改变。因此，设备层因为层高出现变化，抗侧高度也会出现变化，这样就能够使整体的构造沿着竖向抗侧，从而设备层方面产生冲突，最终对结构产生一定程度的影响。为了有效应对上面提到的问题，笔者在研究中提出了两种模型，采用PKPM SATWE[2]进行计算对比：

（1）标准模型：所谓的标准模型就是将设备视作标准结构层，层高的确定应当与设备的层高进行结合来加以模拟，标准模型不仅简单，更加清晰，也不必额外增加计算机模型的使用。然而由于该模型的设备层层高较低，所以其有着较大的抗侧刚度，在发生地震作用时期分配显得并不十分均匀，从而会影响到整体结构的受力情况，无法满足《高规》[3]中的相关要求；

（2）托盘模型：所谓的托盘模型就是将设备层楼层框架视作上一层支架，同时要将小柱树立在框架梁上。这样一来，上层托盘就能够将作用向设备层传导，实现对结构上下刚度突变的控制，其大大满足了相关规定的要求，然而其也有可能会使得结构柱梁的布置步骤更加繁琐。

3 结构抗震性能分析

3.1 振动周期及振型

依据《高规》中现行的相关规定：可以选择振型分解反应谱法应用与高层建筑结构中，为了解决质量及刚度不对称及不均匀的结构，可以选择扭转耦配合振动基础上的的振型分解反应谱法。本次研究分别在X和Y方向实施地震反应谱，选择两个模型之间的15阶振动周期、振型则如下表所示：

表1

由以上计算结果可以看出托盘模型第一平动周期出现在2.739s，稍滞后于标准模型2.683s。托盘模型的整体刚度偏小于标准模型，但相差在2%以内。托盘模型与标准模型整体刚度基本保持一致，可将托盘模型用于带设备层高层建筑整体指标计算。

3.2 水平地震作用下的楼层地震剪力

结构设计中剪重比（剪力系数）是进行抗震设计一个非常重要的控制指标，即为地震水平地震作用标准值的楼层剪力与重力荷载代表值的比值。本文通过两种模型的水平地震作用下的楼层地震剪力计算结果比较两种模型的结构地震效应。

两模型需要承受X，Y向地震反应谱作用后，该设备层及剪力情况见表2所示。

表2

两种模型水平地震作用下的楼层地震剪力由上表可以看出：

（1）两模型X向底部剪力分别为1685KN、1647KN，相差2.25%； Y向底部剪力分别为2609KN、2553KN，差距为2.14%。地震反应谱会对托盘模型产生一定的影响，从而导致产生的基底剪力较标准模型要小一些。

（2）标准模型设备层最大楼层剪力均大于托盘模型最大楼层剪力，相差不超过5%。整体受力方面托盘模型略低于标准模型。

3.3 设备层及其上下两层楼层侧向刚度比

高层建筑的竖向体型应当尽可能具备规则均匀的特征，要尽量防止大范围的外挑和收进等情况。依据相关规定，对于筒中筒、框架以及剪力墙等结构来说，计算楼层以及其相邻上层侧香刚度时可以参考相关公式4.3-1 计算，本次计算出的比值应当至少≥0.9；当本层层高为相邻层高1.5倍时，计算出的比值要求不得在1：1之下；

对于结构底部嵌固层而言，该比值至少要为1.5。

根据以上4.3-1公式计算，标准模型与托盘模型因设备层计算层高不同，设备层及其上下层侧向刚度比亦发生变化，具体计算结果如表3。

表3

从上述表格中相关数据不难发现，上层楼层和标准波形设备侧向刚度之间的比值为0.64，达不到《高规》3.5.2条中的有关要求，由于托盘模型中的层高发生了一定的变化，当设备外抗侧刚度变化较为均匀时，则其与上层抗侧刚度比值控制为1.56，满足了《高规》限值的（下转）（上接）相关要求。在充分满足设备上层、上层楼层侧向高度比相关要求的同时，设备曾侧向和下层结构比值从过去的2.08降低为0.91。通过两种模型的数据分析和比较，不难发现托盘模型在对侧向刚度比效果进行处理时，能够产生更加显著的效果。

4 结束语

带设备层高层建筑往往由于设备层层高的不均匀变化导致结构侧向刚度比超限，在本项目案例中标准模型设备层与上层楼层侧向刚度比为0.64，由于托盘模型中的层高发生了一定的变化，当设备外抗侧刚度变化较为均匀时，设备层和上层抗侧刚度比值则为1.56，满足了《高规》相关条文的限值。由此可见，我们设计者可在保持原有建筑功能不变的前提下，通过对结构模型的合理改变，采用托盘模型以减少结构竖向刚度不规则的变化，提高了设备层与其上层侧向刚度比并满足规范相关要求。托盘模型在我们实际设计过程中较好的解决设备层竖向抗侧刚度突变问题，在类似工程设计中可借鉴采用。

参考文献：

[1]建筑抗震设计规范（GB50011-2011）. 北京： 中国建筑工业出版社， 2010.

[2]中国建筑科学研究院PKPMCAD工程部. 多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件（墙元模型）SATWE[Z]. 北京： 中国建筑科学研究院， 2003.

[3]高层建筑混凝土结构技术规程（ JGJ3-2010）. 北京： 中国建筑工业出版社， 2010.