大連城市經(jīng)緯復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（建筑）
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大連城市經(jīng)緯復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（建筑）
李東方， 王立長， 劉 楠， 邱旭光
（大連市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，大連116021）
[摘要] 大連城市經(jīng)緯項(xiàng)目存在凹凸不規(guī)則、部分豎向構(gòu)件及剛度不連續(xù)、樓板開洞等情況，對(duì)結(jié)構(gòu)整體性及連接處受力極為不利。為了保證結(jié)構(gòu)的整體性，在兩個(gè)設(shè)備層處加強(qiáng)連接，設(shè)備層連接處上下層相關(guān)范圍采用鋼支撐桁架加強(qiáng)。采用SATWE，ETABS，ABAQUS軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了彈性和彈塑性分析，分析了結(jié)構(gòu)不規(guī)則部位對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響，并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了性能化設(shè)計(jì)。結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)性能能夠達(dá)到預(yù)期目標(biāo)及規(guī)范要求。
[關(guān)鍵詞] 結(jié)構(gòu)不規(guī)則；連接部位；彈塑性分析；性能化設(shè)計(jì)
中圖分類號(hào)：TU318 文章編號(hào)：1002-848X( 2016) 09-0014-05
1 工程概況
大連城市經(jīng)緯項(xiàng)目位于大連星海灣金融商務(wù)區(qū)，毗鄰期貨大廈、環(huán)球金融中心、石油大廈。擬建項(xiàng)目總用地面積9 916m2，總建筑面積160 557m2，其中地上部分建筑面積136 318m2，分為A，B，C塔（圖1）。南、北塔地上部分分別為A，B塔，采用框架一核心筒結(jié)構(gòu)體系，層數(shù)均為41層，建筑高度為199. 500m，建筑面積均為59 144m2。其中1層為商鋪，層高為5. 4m；1層與2層之間為設(shè)備管道層，層高2. 1m；2～4l層中15層及31層為設(shè)備層，層高為4. 8m，其他樓層均為小開間辦公層，層高均為4. 8m，共有辦公室1026間。中部為C塔，采用部分框支一剪力墻結(jié)構(gòu)體系，31層，建筑高度為151.45m，總建筑面積為18030m2。其中1層為公建，層高為5. 4m；1層與2層之間為設(shè)備管道層，層高2.1m；2~ 31層為辦公層，層高為4.8m，共有辦公室448間。A，B塔在兩側(cè)，C塔在中間，依靠連接構(gòu)件連接為整體，建筑剖面圖見圖2。樓面均采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板體系，其中轉(zhuǎn)換層、加強(qiáng)層樓板厚度為200mm，其他樓層均為120mm；底部典型外墻厚900mm，典型框架柱截面尺寸為1500mm X1500mm(內(nèi)置十字形型鋼，截面為1100mm×350mm×40mm×60mm)。結(jié)構(gòu)首層、標(biāo)準(zhǔn)層、結(jié)構(gòu)體型收進(jìn)后平面布置圖見圖3～5。
根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》( GB 50011-2010)（簡稱抗規(guī)）附錄A規(guī)定：大連市（沙河口區(qū)）抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0. 1g，地震分組為第二組，抗震設(shè)防類別為丙類。根據(jù)安評(píng)報(bào)告，該項(xiàng)目場地土為Ⅱ類。
2 結(jié)構(gòu)體系不規(guī)則狀況
2.1結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則
結(jié)構(gòu)短邊長度為48. 4m，中間收進(jìn)到18. 45m，平面凹凸尺寸大于相應(yīng)邊長的30%，屬于凹凸不規(guī)則結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)在平面收進(jìn)部位，即C塔與A，B塔連接處，每3層設(shè)置連接樓板，并且結(jié)構(gòu)連接處樓板要求開洞（圖6）；其他部位層層設(shè)梁，無樓板，對(duì)結(jié)構(gòu)整體抗震十分不利。
2.2結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則
A，B塔采用框架．核心筒結(jié)構(gòu)體系，建筑高度為199. 5m;C塔采用部分框支一剪力墻結(jié)構(gòu)體系，建筑高度為151. 5m，結(jié)構(gòu)豎向剛度在C塔頂部發(fā)生突變，結(jié)構(gòu)形成雙塔鞭梢效應(yīng)。
由于A，B塔與中間C塔結(jié)構(gòu)連接處樓板開洞，為了保證結(jié)構(gòu)整體性，同時(shí)使A，B塔結(jié)構(gòu)反應(yīng)更好地傳遞到C塔結(jié)構(gòu)上，在A，B塔兩個(gè)設(shè)備層（15層與31層）設(shè)置加強(qiáng)構(gòu)造措施與C塔結(jié)構(gòu)連接，見圖7。
C塔在1層頂設(shè)置轉(zhuǎn)換梁，轉(zhuǎn)換上部槽形墻結(jié)構(gòu)（圖8），造成豎向構(gòu)件不連續(xù)。
3 結(jié)構(gòu)分析
由于本工程超限項(xiàng)目較多，為保證工程安全、經(jīng)濟(jì)適用，從結(jié)構(gòu)體系、構(gòu)件等方面采取增強(qiáng)措施，制訂了抗震性能目標(biāo)，見表1。
3.1計(jì)算模型及參數(shù)取值
采用SATWE（2010版）、ETABS（9.7.1版）對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，計(jì)算模型見圖9。根據(jù)對(duì)比(圖10)，小震分析時(shí)按安評(píng)報(bào)告參數(shù)取值，中震及大震分析時(shí)按規(guī)范取值。小震和中震時(shí)結(jié)構(gòu)阻尼比為0. 05，大震時(shí)結(jié)構(gòu)阻尼比為0.07。風(fēng)荷載計(jì)算時(shí)，結(jié)構(gòu)整體指標(biāo)計(jì)算時(shí)取基本風(fēng)壓為0. 65kN/m2( 50年一遇)，構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)按50年一遇基本風(fēng)壓值的1.1倍取值；舒適度計(jì)算時(shí)取0. 40kN/m2（10年一遇），結(jié)構(gòu)體型系數(shù)
=1.5。
3.2反應(yīng)譜分析
A，B，C塔單獨(dú)分析時(shí)結(jié)構(gòu)比較規(guī)則，受力體系比較明確。根據(jù)專家審查意見，各單塔樓必須滿足各自的抗震承載力要求，具體性能目標(biāo)見表1，同時(shí)A，B，C塔連接成的整體結(jié)構(gòu)也必須滿足整體抗震承載力要求。由于A，B塔結(jié)構(gòu)形式、布置及高度均一致，本文僅對(duì)A塔進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)按單獨(dú)塔樓設(shè)計(jì)工況、整體模型設(shè)計(jì)工況包絡(luò)設(shè)計(jì)。連接部位的設(shè)置給各個(gè)單塔結(jié)構(gòu)的受力造成了較大的影響，且連接部位本身受力比較復(fù)雜，因此有必要研究連接部位對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響并分析連接部位的構(gòu)件。
3.2.1連接部位對(duì)整體結(jié)構(gòu)反應(yīng)的影響
采用SATWE（2010版）軟件分別對(duì)單體模型和整體模型進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明，小震作用下，單體模型及整體模型各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)構(gòu)件處于彈性狀態(tài)。其中模型自振周期及地震作用下最大層間位移角見表2。由表2可以看出，單體模型最大層間位移角比整體模型的大，說明連接部位增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，使三個(gè)塔樓更好地協(xié)同工作，共同抵抗側(cè)向荷載。
3.2.2連接部位反應(yīng)
根據(jù)抗震超限審查要求，在三個(gè)塔樓各自的承載力均滿足中震性能要求的前提下，連接部位的分析模型如下：1）模型一：僅15層和31層（即加強(qiáng)層）樓板相連且連接部位樓板采用零剛度板的連體模型；2）模型二：整體模型，常規(guī)設(shè)計(jì)；3）15層和31層連接加強(qiáng)部位的構(gòu)件按模型一和模型二包絡(luò)設(shè)計(jì)；其他連接部位的構(gòu)件按模型二進(jìn)行常規(guī)設(shè)計(jì)，并滿足性能化目標(biāo)要求。
(1)連接部位傳遞的地震力
連接部位結(jié)構(gòu)布置見圖4，小震下模型一、模型二加強(qiáng)層連接部位（圖7）傳遞的地震力見表3。由表3可以看出，相對(duì)于模型一，模型二加強(qiáng)層連接部位傳遞內(nèi)力減小，因此模型二中構(gòu)件內(nèi)力也相應(yīng)減小，這是因?yàn)槟Ｐ投薪Y(jié)構(gòu)每3層設(shè)置連接樓板、層層設(shè)梁，由梁承擔(dān)了一定比例的連接力。
(2)連接部位構(gòu)件內(nèi)力
加強(qiáng)層連接部位構(gòu)件根據(jù)模型一及模型二進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)，中震下構(gòu)件最大應(yīng)力比為0.7，滿足中震彈性要求；同時(shí)彈塑性分析下結(jié)構(gòu)構(gòu)件也滿足中震彈性要求。取加強(qiáng)層上下各一層作為相關(guān)范圍層（14，16，29層），中震下連接部位處框架梁軸拉力分別為432，466，229kN。因此，相關(guān)范圍層連接部位框架梁需設(shè)置抗拉鋼筋或型鋼以承受梁內(nèi)軸向拉力。
3.3彈性動(dòng)力時(shí)程分析
根據(jù)抗規(guī)要求，采用SATWE軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇地震下的補(bǔ)充計(jì)算。選用兩組天然波S0176，S0184和一組適合Ⅱ類場地土的人工波，雙向輸入，主方向峰值加速度為42cm／s2，次方向峰值加速度為35.7 cm/s2，間隔均為0. 02s．地震動(dòng)有效持時(shí)均大于結(jié)構(gòu)基本自振周期的5倍，結(jié)構(gòu)阻尼比為0. 05。三組地震波平均地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應(yīng)譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計(jì)意義上相符。分析結(jié)果表明，地震波作用下結(jié)構(gòu)底部剪力與振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果比值在75%~96%之間，均大于振型分解反應(yīng)譜法的65%；三條地震波作用下所得底部剪力的平均值與振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果比值為87%，大于振型分解反應(yīng)譜法的80%，說明所選地震波滿足規(guī)范要求。
根據(jù)彈性動(dòng)力時(shí)程分析結(jié)果，得到結(jié)構(gòu)在兩個(gè)方向的最大層間位移角分別為1/1296和1/1036，均小于規(guī)范限值1/610的要求。
3.4大震彈塑性分析
采用ABAQUS軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行大震彈塑性分析，場地特征周期為0. 45s，水平地震加速度峰值取220gal，雙向輸入地震波（主次方向峰值加速度比值為0. 85）。
分析結(jié)果表明，大震下結(jié)構(gòu)最大層間位移角為1/193，小于規(guī)范限值1/100，滿足“大震不倒”的抗震性能要求。絕大多數(shù)連梁在地震作用下首先進(jìn)入屈服耗能狀態(tài)，產(chǎn)生損傷，消耗地震能量從而有效保護(hù)了墻肢；大部分剪力墻墻肢損傷程度很小，橫向墻的損傷主要出現(xiàn)在加強(qiáng)層上部，縱向墻的損傷主要出現(xiàn)在加強(qiáng)層和加強(qiáng)層上部，結(jié)構(gòu)中剪力墻和連梁的受壓損傷見圖11。
加強(qiáng)層連接部位構(gòu)件的應(yīng)變云圖見圖12。由圖12可以看出，連接部位桁架在大震作用下無損傷，構(gòu)件滿足既定的性能目標(biāo)要求。
地震動(dòng)作用下加強(qiáng)層樓板的損傷見圖13。由圖13可以看出，加強(qiáng)層A，B塔和C塔連接處的樓板損傷較大，需做加強(qiáng)處理。
3.5連接部位節(jié)點(diǎn)分析
采用ABAQUS軟件對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行彈塑性驗(yàn)算，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造見圖14，應(yīng)力云圖見圖15。由圖15可以看出，中震作用下，節(jié)點(diǎn)域的最大應(yīng)力為382MPa，主要分布在上弦桿與柱連接部位，但是高應(yīng)力區(qū)很小，大部分節(jié)點(diǎn)域應(yīng)力為160MPa，滿足既定中震彈性要求。
4 抗震措施
根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果，為了滿足結(jié)構(gòu)不規(guī)則部位的抗震性能目標(biāo)，確保結(jié)構(gòu)的安全性，本工程做了以下抗震措施：1）框架柱內(nèi)設(shè)置型鋼，保證加強(qiáng)層及其相關(guān)范圍中震彈性；2）加強(qiáng)層及其相關(guān)范圍層墻體水平和豎向分布筋最小配筋率均按0. 4%取值，其他部位取0. 3%；3）加強(qiáng)層連接部位采用在兩層間設(shè)置桁架將單體連接的方法，15層、16層、30層及31層連接部位均設(shè)置水平支撐；4）連接部位框架梁內(nèi)設(shè)置抗拉腰筋或抗拉縱筋；5）連接部位樓板雙層雙向配筋；6）加強(qiáng)層區(qū)域頂板、底板配筋設(shè)置為雙層雙向且配筋率增大至0. 4%。
5 結(jié)論
(1)大連城市經(jīng)緯項(xiàng)目A，B塔采用框架一核心筒結(jié)構(gòu)體系，C塔采用部分框支一剪力墻結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，屬于超限結(jié)構(gòu)，且結(jié)構(gòu)布置十分不規(guī)則。通過對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性及彈塑性計(jì)算分析得出，結(jié)構(gòu)滿足各自單塔及整體抗震性能要求。
(2)對(duì)結(jié)構(gòu)不規(guī)則部位采用性能化設(shè)計(jì)，且制定了相應(yīng)的抗震性能目標(biāo)。對(duì)結(jié)構(gòu)不規(guī)則部位進(jìn)行靜力彈性、動(dòng)力彈性及動(dòng)力彈塑性分析，并根據(jù)分析結(jié)果采取相應(yīng)的構(gòu)造措施。結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)不規(guī)則部位能夠滿足既定的抗震性能目標(biāo)和規(guī)范要求。
