摘要：現(xiàn)在很多高層結(jié)構(gòu)由于建筑功能要求和受場地限制、建筑美觀的要求，在平面上要底層大空間，立面體型復(fù)雜。因此要求結(jié)構(gòu)工程師在抗震設(shè)計(jì)時給予充分的考慮，本文以湖北棗陽東方明珠城高層建筑結(jié)構(gòu)的工程為例進(jìn)行闡述，以供同行參考，并提寶貴意見
　　關(guān)鍵詞：抗震設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
　　高層剪力墻住宅近20年在我國得到迅速發(fā)展,但高層剪力墻結(jié)構(gòu)在我國還沒有經(jīng)受過地震特別是強(qiáng)震的考驗(yàn)。《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)程》(JGJ3-2002)對這類結(jié)構(gòu)的相關(guān)規(guī)定借鑒了不少國外的經(jīng)驗(yàn)。在工程設(shè)計(jì)中,由于住宅建筑在使用上的一些特殊性,造成結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸比例的不合理,如:連梁的跨高比較小等。另外,還有一些因在設(shè)計(jì)時未考慮的因素，而造成的不合理設(shè)計(jì),如:樓板鋼筋對連梁抗彎承載力的增強(qiáng)作用。這些都會直接影響到連梁的工作性能。本文結(jié)合工程案例進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)分析。
　　1.工程概況
　　湖北棗陽東方明珠城（一期）位于湖北省襄樊市棗陽，建筑面積：126042平方米，由伸縮縫分為兩部分。地下一層，地上三十三層，建筑高度：99.95m。高層部分為框架剪力墻結(jié)構(gòu),抗震設(shè)防類別丙類,結(jié)構(gòu)安全等級二級,地震加速度：0.5g，抗震設(shè)防烈度6度,主樓剪力墻、框架抗震等級均為三級,裙房部分為框架結(jié)構(gòu),框架抗震等級為四級。基礎(chǔ)類型采用人工挖孔樁施工。
　　2.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
　　2.1本工程設(shè)計(jì)特點(diǎn)和難點(diǎn):
　　1.根據(jù)建筑功能要求，六層以下希望有盡可能大的自由靈活空間，柱網(wǎng)要大，剪力墻要盡量少，六層以上梁高度受限，開間進(jìn)深小且變化多。因此，在結(jié)構(gòu)選型上，上部采用框架剪力墻體系，保證結(jié)構(gòu)具有較好的抗側(cè)剛度和一定的延性，下部采用框支剪力墻體系。
　　2.因受場地限制，建筑平面西寬東窄，結(jié)構(gòu)布置抗扭剛度難以調(diào)整。且沿豎向建筑功能改變?nèi)�次，立面體型復(fù)雜。
　　3.本工程轉(zhuǎn)換層位置較高，在六層頂設(shè)置轉(zhuǎn)換層，屬于高位轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換形式為梁式轉(zhuǎn)換。根據(jù)《高規(guī)》10.2.5條規(guī)定，故本工程框支柱、剪力墻底部加強(qiáng)部位的抗展等級定為二級。.
　　4.上部結(jié)構(gòu)在16層處建筑功能再次變化，結(jié)構(gòu)部分墻柱軸網(wǎng)變化，形成局部梁上托柱的轉(zhuǎn)換。設(shè)計(jì)中轉(zhuǎn)換梁采用型鋼混凝土梁，構(gòu)件截面減小，承載能力提高，變形能力強(qiáng)，延性性能優(yōu)越。
　　2.2結(jié)構(gòu)的體型判別
　　1.本工程總高度為99.95m，滿足《高規(guī)》表4.2.2-1條規(guī)定.長寬比為L/B=64.5/12.65=5.1<6滿足《高規(guī)》表4.2.3-1條規(guī)定。因建筑平面呈鋸齒形階梯變化，雖然平面每階的突出部分的l/b均滿足4.3.3條規(guī)定，但應(yīng)控制結(jié)構(gòu)抗扭剛度和層間位移差的比值滿足規(guī)范要求，詳見后面論述。
　　2.本工程轉(zhuǎn)換層設(shè)在六層，根據(jù)《高規(guī)》10.2.2條規(guī)定:底部大空間部分框支剪力墻高層建筑結(jié)構(gòu)在地面以上的大空間層數(shù)，.6度時其層數(shù)可適當(dāng)增加。故符合規(guī)范要求。
　　3.平面規(guī)則性判別：根據(jù)pkpm的計(jì)算結(jié)果，樓層的最大層間位移與樓層的平均位移的比值:X方向?yàn)?.19，Y方向最大為1.290,Y方向超過1.2，但不超過3.4.3-1條規(guī)定的1.5，屬于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。從住宅標(biāo)準(zhǔn)層平面一可以看出，16~30層每隔2層有1層樓板局部凹入，其B/Bmax=11.7/30.4=0.38>0.3，屬于凹凸不規(guī)則。從主宅標(biāo)準(zhǔn)層平面二可計(jì)算出樓板開洞面積7.0X7.2/1024=5%<30%，故樓板連續(xù)。通過以上分析可以看出，本工程屬于平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)。
　　3結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)
　　3.1結(jié)構(gòu)選型
　　根據(jù)底部2層裙房大空間布置和上部住宅的要求,工程采用框支—剪力墻結(jié)構(gòu)體系。為保證下部能最大限度實(shí)現(xiàn)大空間的功能,設(shè)計(jì)中把轉(zhuǎn)換層設(shè)在第3層頂板處,采用梁式轉(zhuǎn)換,結(jié)構(gòu)受力途徑明確。
　　3.2結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果分析
　　工程采用pkpm軟件進(jìn)行分析計(jì)算。為保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠涵蓋結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài),分別采用了底板嵌固和頂板嵌固兩種力學(xué)模型。當(dāng)采用地下室頂板作為嵌固端時,整個建筑變?yōu)閮蓚�獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元,即附樓A和主樓B。當(dāng)采用地下室底板作為嵌固端時,結(jié)構(gòu)則成為由地下室相連的多塔樓結(jié)構(gòu)。無論哪種計(jì)算模型,都存在質(zhì)心分布不均勻、雙向偏心、扭轉(zhuǎn)效應(yīng)十分明顯的情況。因此通過在結(jié)構(gòu)單元的端部、電梯樓梯間布置剪力墻抗側(cè)力結(jié)構(gòu),調(diào)整剪力墻墻厚和在剪力墻上開洞,增加扭轉(zhuǎn)剛度。具體措施是:在電梯樓梯間布置剪力墻形成核心筒,并加厚此處的剪力墻,使平面剛度重心相對平面形心往右下方移動,并適當(dāng)加高和加寬周邊框架梁的方法,經(jīng)反復(fù)調(diào)整、試算,使平面質(zhì)心與形心盡量接近,減小結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。結(jié)構(gòu)自振周期及風(fēng)荷載與水平地震作用下的主要計(jì)算結(jié)果見表1、表2,均滿足規(guī)范規(guī)定的限值。同時對水平構(gòu)件進(jìn)行彈性樓板與剛性樓板兩種假定,分別計(jì)算梁、柱配筋,設(shè)計(jì)時取兩者較大值。
　　表1結(jié)構(gòu)自振周期
　　塔類型 周期 周期比
　　 T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 Tt/T1<0.9
　　單塔A 1.47 1.38 1.24 0.41 0.40 0.35 0.21 0.84(t=3)
　　單塔B 2.13 1.74 1.47 0.56 0.52 0.44 0.28 0.82(t=2)
　　多塔 2.24 1.87 1.52 0.93 0.78 0.55 0.31 0.83(t=2)
　　
　　表2主要計(jì)算結(jié)果
　　計(jì)算項(xiàng)目 水平地震作用 風(fēng)荷載 規(guī)范要求
　　 x向 y向 x向 y向 
　　基底剪力/kN A塔 4808.75 5080.03 2378.9 2662.1 
　　 B塔 5225.71 4747.19 2543.7 2980.4 
　　 多塔 10228.50 10045.70 5034.2 5548.3 
　　剪重比/% A塔 2.02 2.04   >1.60
　　 B塔 1.69 1.69   
　　 多塔 1.66 1.64   
　　最大層間位移角（δmax/h）rad A塔 1/3464 1/3466 1/9999 1/9999 <1/1000
　　 B塔 1/2953 1/2028 1/9999 1/4384 
　　 多塔 1/2879 1/1979 1/9999 1/4205 
　　最大層間位移與平均位移比 A塔 1.14 1.24 1.17 1.14 <1.40
　　 B塔 1.31 1.02 1.08 1.01 
　　 多塔 1.27 1.19 1.09 1.08 
　　有效質(zhì)量系數(shù)/% A塔 99.90 99.71   >90
　　 B塔 99.86 99.50   
　　 多塔 99.89 99.67   
　　注：δmax為最大層間位移，h為層高。
　　3.3轉(zhuǎn)換構(gòu)件的計(jì)算
　　除整體計(jì)算外,對工程中主要受力構(gòu)件—框支梁與框支柱單獨(dú)進(jìn)行受力和變形分析。采取措施如下述。
　　1)框支梁截面600mm×1800mm~600mm×2000mm。
　　2)框支柱截面1000mm×1000mm,按照規(guī)范,框支柱按規(guī)范進(jìn)行調(diào)整,調(diào)整后,轉(zhuǎn)換層中全部框支柱承受的地震剪力大于底部剪力的30%,加大了框支柱的抗震儲備。
　　3)為保證下部空間整體結(jié)構(gòu)有適宜的剛度、強(qiáng)度、延性和抗震能力,盡量強(qiáng)化轉(zhuǎn)換層下部主體結(jié)構(gòu)的剛度,使轉(zhuǎn)換層上下部主體結(jié)構(gòu)的剛度及變形特征盡量接近,計(jì)算中定義1~3層為薄弱層,計(jì)算中乘以1.15的放大系數(shù),以加強(qiáng)轉(zhuǎn)換層下部的強(qiáng)度。
　　3.4加強(qiáng)底部大空間結(jié)構(gòu)到上部住宅結(jié)構(gòu)的過渡區(qū)域的構(gòu)造措施
　　1)核心筒作為抗震的主要構(gòu)件,核心筒的剛度一直延續(xù)到層6,即核心筒剪力墻截面到層7才改變,以加強(qiáng)此處的抗剪剛度。
　　2)加強(qiáng)層3的剛度,板厚取180mm,雙層雙向配筋φ12mm@150mm。周邊框架梁增加縱向抗扭鋼筋,形成樓板的平面內(nèi)邊框。
　　3)在上、下層暗柱無法連通的情況下,在相應(yīng)下層剪力墻頂部設(shè)框架梁,框架梁剛度足夠大,以保證上部暗柱中鋼筋的錨固長度,增強(qiáng)暗柱的剛度。
　　4)除對轉(zhuǎn)換層、框支柱進(jìn)行重點(diǎn)加強(qiáng)外,對轉(zhuǎn)換層以上的相鄰兩層剪力墻亦進(jìn)行重點(diǎn)加強(qiáng):剪力墻端部暗柱豎向鋼筋和箍筋以及剪力墻水平和豎向分布鋼筋的構(gòu)造要求均按相應(yīng)的抗震等級提高一級。
　　5)對轉(zhuǎn)換層以上跨高比<2及內(nèi)力較大的連梁,在梁內(nèi)增設(shè)交叉斜筋以提高抗剪能力并增加延性。
　　6）在結(jié)構(gòu)計(jì)算過程中，重點(diǎn)控制以下的目標(biāo)參數(shù)，經(jīng)過多次調(diào)整優(yōu)化，使之達(dá)到規(guī)范要求，主要有如下七個：
　　1、軸壓比：主要為控制結(jié)構(gòu)的延性，規(guī)范對墻肢和柱均有相應(yīng)限值要求，見抗規(guī)6.3.7和6.4.6。
　　2、剪重比：主要為控制各樓層最小地震剪力，確保結(jié)構(gòu)安全性，見抗規(guī)5.2.5。
　　3、剛度比：主要為控制結(jié)構(gòu)豎向規(guī)則性，以免豎向剛度突變，形成薄弱層，見抗規(guī)3.4.2。
　　4、位移比：主要為控制結(jié)構(gòu)平面規(guī)則性，以免形成扭轉(zhuǎn)，對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。見抗規(guī)3.4.2。
　　5、周期比：主要為控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，減小扭轉(zhuǎn)對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響，要求見高規(guī)
　　6、剛重比：主要為控制結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，以免結(jié)構(gòu)產(chǎn)生滑移和傾覆，要求見高規(guī)。
　　7、層間受剪承載力比：控制豎向不規(guī)則性；要求見高規(guī)。
　　4結(jié)論
　　高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)需要詳細(xì)的分析計(jì)算、概念設(shè)計(jì)和有效的構(gòu)造措施加以保證。
　　1)重視結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，采用合理的結(jié)構(gòu)布置，以解決地震和風(fēng)荷載帶來的不利影響。
　　2)采用多種不同計(jì)算模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體計(jì)算以及重要部位的局部計(jì)算,保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠涵蓋結(jié)構(gòu)的各種實(shí)際受力狀態(tài)。
　　3)采取結(jié)構(gòu)措施加強(qiáng)裙房與主樓連接處的薄弱部位,設(shè)置梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。
　　4)對受力復(fù)雜、扭轉(zhuǎn)效應(yīng)大的構(gòu)件，在有條件的情況下，應(yīng)用專業(yè)的有限元軟件如ansys進(jìn)行應(yīng)力分析，和satwe的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比對。
　　5）考慮現(xiàn)場施工的難易程度，盡量使設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)既安全經(jīng)濟(jì)，又方便施工。
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