某超限高層的結構分析設計

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1、工程概況

    該高層為廣西醫(yī)科大學圖書館二期工程，建設地點位于南寧市雙擁路廣西醫(yī)科大學中央教學區(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?？拐鹪O防烈度為6度，設計基本地震加速度值為0.05g，設計地震分組為第一組，設計特征周期為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級設計限值以內(nèi)，故抗震設防類別為A級高度丙類。結構設計使用年限為50年，結構安全等級為二級，地面粗糙度為B類，基本風壓按50年一遇取值。地基基礎設計等級為乙級，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，其結構體系為框架—剪力墻結構。天面構架出屋面7.65m。剪力墻與框架部分的抗震等級分別為三級和四級。下面分析該主體結構的規(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《高層建筑混凝土結構技術規(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，但在設計中予以彈性樓板補充計算及采取構造措施加強開洞處附近梁板。
    2）豎向規(guī)則性分析

    在4~6層平面逐層收進，收進后的，大于《高規(guī)》4.4.5條的75%，收進后的面積比收進前的為75.3%，滿足《高規(guī)》4.4.2條，綜合判斷為豎向規(guī)則。
    3）結構布置
    根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》，本工程屬于高度不超過規(guī)定，但建筑結構布置屬于《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)則結構體系。
　　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構體系的主要抗側力構件，通過加設抗震剪力墻來調(diào)整整個結構的抗側剛度，使用周期，位移滿足規(guī)范要求。

3、結構分析及主要結果

    結構整體計算采用中國建筑科學研究院開發(fā)的多層及高層建筑結構空間有限元分析與設計軟件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構分析軟件進行，計算時均考慮偶然偏心，地震作用下的扭轉影響，用SATWE進行結構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，結構的阻尼比為0.05。
    主要計算結果如下。
    1）周期
    ⑴ SATWE計算
　　以扭轉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。說明結構已經(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，結構的總質(zhì)量（t）：53515.977t。其他結果見表1。

表1   主要計算結果表

              

X向 

Y向

剪重比

1.20%(>0.80%)

1.04%(>0.80%)

振型有效質(zhì)量系數(shù)

93.20%(>90%)

92.82%(>90%)

基底剪力(kN)

4435.73

3826.15

    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。該結構體系可以保證整體穩(wěn)定性，且重力二階效應的影響可不計。
    ⑵ PMSAP計算結果與SATWE相近。
    3）位移
    ⑴ SATWE計算
    位移比計算結果滿足《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方向的地震及風荷載作用下的⑥軸處的位移比偏大，但小于1.5。說明該側的抗扭剛度略顯不足，在施工圖設計中將加大該側的柱、梁配筋等構造措施。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計算結果滿足《高規(guī)》4.4.2條，說明結構體系豎向布置比較規(guī)則，無結構薄弱層。
4、彈性時程分析

    用SATWE進行了結構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構底部剪力不小于振型分解反應譜法（CQC）求得的底部剪力的65%，多條時程曲線計算所得的結構底部剪力的平均值不小于振型分解反應得譜法求得的底部剪力的80%，見表2。

表2  彈性時程分析底部剪力表     （單位：kN）

 

TAF-2

LAN4-2

LAN6-2

平均值

CQC

比值

X向

4132.3

3105.2

3342.1

3526.5

4435.7

0.80

Y向

3612.6

2589.2

2995.0

3065.6

3826.2

0.80

    時程分析結果曲線見圖2（僅給出各層最大位移，最大反應彎矩曲線，其他略）。由曲線可知，動力時程反應值（各層最大位移，最大層間位移角，最大反應力，最大反應剪力，最大反應彎矩）這五項指標均小于規(guī)范反應譜法（CQC）的計算值，說明SATWE的整體計算設計是安全的。該結構體系無薄弱層。

圖2  彈性時程分析曲線圖

5、結論

    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)》要求進行了兩個不同程序軟件計算對比，計算結果無異常，周期、位移、剪重比、剛重比等重要參數(shù)結果均滿足高規(guī)及抗震有關要求。并依據(jù)高規(guī)進行了彈性時程分析，時程分析結果該結構體系無薄弱層，五個動力時程反應值的曲線均在CQC包絡線之內(nèi)，說明用反應譜法（SATWE的CQC法）設計是安全的^[3]。
    為體現(xiàn)抗震設防目標三水準（小震不壞，中震可修，大震不倒）的要求，高層建筑抗震設計是通過“兩階段設計”來實現(xiàn)的，即除在第一階段多遇地震（超越概率63%）下采用彈性反應譜法進行結構承載力及彈性側移驗算外，對超高層及特殊高層尚宜進行第二階段抗倒塌的結構彈塑性變形驗算。因本工程僅為平面有一項超限的普通高層，所以僅進行了第一階段設計，（可以滿足第一、第二水準的抗震要求）。對于第三水準設計目標則通過概念設計等構造措施來達到此要求。本工程采用了框剪結構，由延性較好的框架，抗側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，框剪結構確為一種抗震性能很好的結構體系^[4]。SATWE及PMSAP軟件的計算結果也證實了本工程采用框剪結構體系，結構布置，截面尺寸等是合理的，當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、柱需進一步加強構造措施，嚴格控制軸壓比，加大配筋。對于樓板開洞處，平面轉角（陰角）處，頂層大開間等結構薄弱處均需加強構造措施。以保證結構體系的設計三水準目標及其經(jīng)濟、合理性。