某2号综合楼结构抗震超限分析

邹丽利

(上海绿地建设设计研究院有限公司,上海 200000)

随着城市的建设与发展,建筑设计风格的多样化复杂化为城市带来了更加丰富和多样化的生活体验,也为城市营造出了更加宜人的居住环境。建筑的复杂化往往导致结构布置的不规则,使得高层建筑的结构设计和建造面临着更多的挑战,特别是对于超限高层的建筑。2号综合楼因其特定的建筑功能需求,其楼层设计具有一些独特的特征。例如,为了提供更大的空间,二层多功能厅未设置框架柱,且在相应三层楼板上设置大开洞;四层楼面处设置转换框架,以满足特定的结构需求;此外,结构竖向有两次体型收进。结构不规则项较多,被归类为超限高层建筑,这类建筑的设计和建造需要特别注重抗震性能,以确保在可能发生的地震中保持稳定和安全。

本文将深入探讨超限高层建筑2号综合楼的抗震超限设计和分析过程,从整体结构小震弹性分析到设防地震和罕遇地震时关键构件的各项验算。希望通过本研究为其他类似的建筑设计和分析提供有价值的参考。

1 工程概况

本工程位于南昌市西湖区,水厂路以南、江南大道以东,地上建筑由1号办公楼和2号综合楼及地下车库组成,2号综合楼建筑面积为23 855.39 m2,共12层,建筑高度55.4 m。一层为沿街办公配套用房、多功能厅门厅等,层高6 m;2层—3层北侧为通高多功能厅及多功能厅前厅,南侧为配套餐饮,层高5.5 m;4层为健身俱乐部,南侧部分设置游泳池,层高4.5 m;5层—12层为服务型公寓,层高4.2 m。项目建筑效果图见图1,主体结构三维模型图见图2。

2 结构体系

2号综合楼地上结构竖向有两次体型收进分别在第4层(标高16.450 m处)及第10层(标高57.750 m处)。设3层地下室。根据建筑平面布置,结合建模计算分析对比,2号综合楼采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系,剪力墙主要分布在楼电梯间部位,大部分贯通建筑物全高,墙中洞口上下对齐,且使各主轴方向的侧向刚度接近,作为整体结构抵抗水平力的第一道防线。框架采用钢筋混凝土框架,组成结构第二道防线。在建筑二层平面处,由于多功能厅内部不允许设置竖向构件,该处跨度为23.2 m,为达到建筑功能需求,在四层楼面处设置转换框架。由于该处转换跨度较大,结合建筑净高要求,设计中采用型钢混凝土梁、柱,既改善转换架的抗震性能,避免其出现脆性破坏,又减小截面,增加有效的使用面积[1]。

3 超限情况分析

2号综合楼所属地区的抗震设防烈度为6度,抗震设防类别为丙类,建筑高度(建筑高度为55.400 m)未超过规范规定的150 m(A级高度)高度限值。不规则性情况汇总如表1所示[2]。

表1 不规则性情况汇总

4 抗震超限设计的计算及分析

4.1 抗震性能目标

基于本工程的重要性和不规则项较多的复杂性等特点,结合抗震评审专家的意见,整体结构抗震设防性能目标采用《高层建筑混凝土结构规程》规定的“性能目标C”与“性能目标D”之间,具体内容详见表2[3]。

表2 主要结构构件抗震性能目标分析

4.2 小震下结构主要计算结果对比

整体计算主要计算结果见表3。

表3 整体计算主要计算结果

由表3可以看出,多遇地震作用下MIDAS和YJK的整体计算的结果基本一致,计算结果表明,结构的主振型以平动为主,层间位移角、周期比、剪重比等满足规范的限值要求[4]。最大位移比大于1.2小于1.4,判断为扭转不规则;受剪承载力不满足,判断为承载力突变。

4.3 弹性时程分析

根据该结构的复杂程度结合规范要求,对其进行整体结构弹性时程分析法的补充计算。按设计地震分组和场地类别选取2组人工模拟曲线和5组实际强震记录曲线[5]。根据地震剪力、特征周期、有效时长等要素所选7条波的加速度曲线与地震影响系数曲线吻合程度较好,也能够满足底部剪力的相关要求。其计算结果如表4所示。规范谱与反应谱对比图见图3。

表4 时程与CQC法结果比对

5 几个关键构件的设计分析

5.1 转换框架

转换框架设置在四层楼面,跨度为21 m,上部有8层酒店,为达到性能目标,保证中震弹性,转换框架采用型钢混凝土比较合理。通过计算分析,转换框架柱、梁能满足中震抗剪、抗弯弹性的要求以及大震抗剪、抗弯均不屈服的要求。大震下转换框架柱墙满足抗剪截面限制条件。

对转换框架进行设防地震的弹性下的应力分析,建立转换框架的实体模型,采用YJK程序中有限元分析。分析结果表明,转换框架柱、转换框架梁恒载和活载的叠加最大压应力分别为22.6 N/mm2,12.4 N/mm2,均不大于其混凝土抗压强度标准值35.5 N/mm2,20.1 N/mm2,不会出现受压区混凝土压碎的脆性破坏。转换梁最大位移为45 mm,满足规范要求。转换框架包络变形图见图4,转换框架部分应力图见图5。

5.2 越层柱的稳定分析

2层—4层存在跨两层的通高越层柱(Y向通高),总共5根,长度11 m;为保证结构的安全,对该柱施加集中力1 000 kN,此工况下对越层柱位进行稳定性分析,需借助屈曲分析确定其计算长度。此处选取比较典型的两个边柱作分析。越层柱示意图见图6。

采用欧拉公式推算越层柱计算长度系数。根据欧拉公式提供的条件,可以在确定越层柱的临界承载力Pcr的基础上,从而反推出越层柱的计算长度Lo[6]。

欧拉承载力公式:

计算长度公式:

根据以上计算公式可知,求解越层的计算长度,主要问题是如何得到构件的临界屈曲荷载,而临界屈曲荷载主要借助线性屈曲分析,采用YJK程序进行线性屈曲分析,越层柱临界屈曲荷载等于初始工况内力与屈曲因子相乘。选取集中力1 000 kN这种工况作为屈曲分析每步加载值对整体结构进行线性屈曲分析。

越层柱1在结构第1阶出现屈曲,屈曲因子为4 224;越层柱2在结构第1阶出现屈曲,屈曲因子为4 633,屈曲模态如图7所示。选取越层柱的第一次屈曲荷载作为验算计算长度系数的临界荷载,计算长度系数推导如表5所示。

表5 穿越柱计算长度系数

可以看出越层柱的计算长度系数小于YJK程序计算时采用的计算长度系数1.00,由该计算结果可知,越层柱屈曲验算可靠。

5.3 转换层、三层大开洞楼板应力分析

采用YJK程序,在模型中将这两层楼板定义为“弹性膜”对楼板分别进行小震、中震下主拉、压及剪应力分析,目的为保证楼板能有效传递地震水平力[7]。由于该单体结构长度达到126 m,属于超长结构,温度应力的作用不可忽略,故在模型中根据当地的气温情况考虑温度应力作用(最高升温15 ℃,最低降温25 ℃),并与其他配筋计算结果叠加设计;后浇带的封闭温度在施工图中规定为自然条件下环境温度20 ℃。小震和中震水平地震作用的地震影响系数最大值αmax分别为0.075和0.215(见图8—图10)。

计算结果表明:小震时第三、四层楼面楼板的最大主拉应力分别为0.73 N/mm2,1.38 N/mm2,均小于C30混凝土抗拉强度设计值1.43 N/mm2,表明小震下楼板不会开裂,温度工况下产生的板中拉应力由楼板配筋承受;中震时第三、四层楼面楼板的最大主压应力分别为0.74 N/mm2,0.99 N/mm2,温升工况产生的最大主压应力分别为5.25 N/mm2,4.32 N/mm2,二者之和分别为5.99 N/mm2,5.31 N/mm2,未超过混凝土抗压强度设计值14.3 N/mm2,表明中震和温度应力共同作用下不会出现混凝土压碎;中震时第三、四层楼面楼板的最大剪应力分别为0.48 N/mm2,0.73 N/mm2,均小于楼板混凝土材料的抗拉强度设计值1.43 N/mm2,表明中震下不会出现楼板混凝土剪坏等现象。

中震时第三、四层楼面楼板的最大主拉应力分别为0.56 N/mm2,1.24 N/mm2,降温工况下最大拉应力分别为9.63 N/mm2,8.91 N/mm2,二者之和分别为10.19 N/mm2,10.15 N/mm2,楼板施工图设计时需按该值控制楼板内配筋量,使其小于按实际钢筋面积算得的钢筋抗拉强度标准值,并双层双向配筋。

6 大震下的弹塑性时程分析

振型分解法计算表明,结构两个主轴方向的地震反应主要由第一振型控制。本次采用SAUSAGE程序进行了大震下的弹塑性时程分析。根据建筑场地类别和设计地震分组选用1组人工波和2组天然波。所选3条时程波的加速度曲线与地震影响系数曲线吻合度比较好,均满足规范的选波要求[8]。建筑场地类别:Ⅱ类,设计特征周期:0.40 s,结构的阻尼比:0.05,罕遇地震水平地震影响系数最大值0.38。位移及位移角详见表6。三条波包络框架梁性能指标见图11,三条波包络框架柱性能指标见图12。

表6 地震动作用下的位移及位移角

由大震下的弹塑性时程分析的结果可得出,结构的最大顶点位移为114 mm;结构的最大层间位移角为1/142,小于1/100,可以满足规范相应要求。在罕遇地震作用下,结构能够保持直立,能够满足“大震不倒”的抗震设防目标;结构在罕遇地震作用下非弹性耗能水平处于轻微状态,转换梁、转换柱基本处于弹性状态;剪力墙进入非线性状态,所有剪力墙均控制在极限应变内;少部分框架梁进入屈服状态。

7 针对超限项采取的加强措施

根据该楼结构布置特点结合计算结果分析,对该楼采取以下构造加强措施:

1)体型收进部位对应的相邻上下各两层剪力墙设置约束边缘构件,剪力墙抗震等级由三级提高至二级,约束边缘构件的箍筋采用全高加密、纵筋配筋率相对计算值提高20%;体型收进顶板对应的主楼周边相邻上下各两层框架柱的抗震等级由四级提高至三级、箍筋全高加密;体型收进处楼面板厚度加厚至150 mm,并在计算中考虑温度应力的影响,采用双层双向配筋且配筋率均不小于0.25%[9]。

2)四层大跨度转换框架,采用钢骨混凝土框架,并将转换框架梁柱的抗震等级提高至特一级,以提高其承载力和延性,减小框架梁的挠度,在中震下抗弯抗剪均按弹性设计;对该转换层楼板加厚至180 mm,采用YJK进行小震、中震并考虑温度应力的楼板有限元分析,施工图设计时采用该分析结果进行配筋,并采用双层双向配筋且配筋率均不小于0.40%。

3)越层柱的抗震等级提高至特一级,箍筋体积配箍率不低于1.5%,采用复合箍筋通高加密,越层柱纵筋配筋率相对于计算值提高20%,保证其具备良好的延性。

4)三层楼板中部存在大开洞,计算分析得出该层为薄弱层,该层楼板厚度均加厚至150 mm,采用YJK进行小震、中震并考虑温度应力的楼板有限元分析,施工图设计时采用该分析结果进行配筋,并采用双层双向配筋且配筋率均不小于0.25%[10]。

5)严格控制剪力墙框架柱轴压比、剪压比,剪力墙外墙轴压比控制在0.60以下,以提高主要抗侧力构件的延性;对一层在设防地震中出现小偏心受拉的剪力墙,将其抗震等级提高至特一级;对个别名义拉应力标准值大于混凝土抗拉强度标准值的剪力墙,采取墙内增设型钢,以抵抗该墙肢的全部拉应力,同时也提高了该小偏心剪力墙的延性[11]。

6)适当加强外圈框架梁截面及配筋,以提高结构的整体抗扭刚度。

7)裙房部分的长度达到126 m,属于超长结构,设计时全楼根据当地的气温情况考虑温度应力的作用,后浇带的封闭温度在施工图中规定为自然条件下环境温度20 ℃左右,加强结构构件的配筋,并采取相关的措施以防止裂缝超过规范的限值,比如在结构受力较小处间距35 m～40 m设置后浇带、优化混凝土材料配比、现场加强混凝土养护等措施[12]。

8 抗震设计结论

2号综合楼存在多项不规则,结构布置比较复杂,通过结构建模计算分析及补充计算可以证明,结构构件在多遇地震下处于完全弹性阶段。根据实际条件设置性能目标,补充了关键构件在设防地震以及罕遇地震的各项验算,计算结果均表明,结构各项指标都表现良好,能够符合规范的有关要求,可以有效地控制结构的不规则程度。与此同时,通过概念设计和各阶段计算程序分析结果,有针对性地对关键和重要构件进行了适当加强,并在构造措施方面也进行了相应处理。使得该结构抗震设计能够达到预期的性能目标,保证了该结构在规定的地震作用下的安全可靠性。