超限高层商业楼的结构设计分析论文

2020-06-26实用文

超限高层商业楼的结构设计分析论文

  随着社会经济的发展,商业建筑迎来了蓬勃发展的时期。在建筑功能不断集成的过程中,出现了一系列的结构问题:体量大、体型复杂、大跨、开洞等,因此现代商业建筑对结构设计的要求越来越高。本文将结合工程实例,总结超限高层商业建筑的结构设计方法,为此类项目的设计提供参考。

  1 工程概况

  某工程由 1 栋 6 层商业楼,4 栋超高层住宅楼,1 栋 59 层超高层办公楼组成。本文以 6 层商业楼为例,分析总结超限高层商业建筑的结构设计方法。结合 6 层商业楼的建筑功能和结构平面布置的特点,设两道防震缝将其分为 A、B、C 三个区,分区后仅 A 区属超限高层,故本文主要介绍商业楼 A 区,下文所提商业楼均指商业楼 A 区。

  本工程所在地区基本设防烈度为 6 度,设计基本地震加速度为0. 05g,设计地震分组为第一组,建筑场地类别为Ⅱ类,场地特征周期,多遇地震为 0. 35s,罕遇地震为 0. 40s.商业 A 区结构单元抗震设防类别为重点设防类,应按高于本地区抗震设防烈度提高一度的要求加强其抗震措施,故商业楼框架抗震等级应为 2 级。多遇地震计算时结构阻尼比取 0. 05,风振计算时结构阻尼比取 0. 02.

  2 基础设计

  商业楼基础设计等级为甲级,采用桩加防水板基础。根据前期试桩检测报告结论,采用Φ700 钻孔灌注桩,抗压兼抗拔桩。基础埋深12. 1m,远大于建筑结构高度的 1/18.经复核,风荷载及水平地震作用下基底均不出现零应力区,可满足高层建筑结构抗倾覆稳定要求。

  3 地下车库设计

  地下车库采用框架剪力墙结构,局部增加的剪力墙,主要有两个作用:一是为了使得地下 1 层与地上 1 层的剪切刚度比大于 2,满足正负零作为地上单体嵌固端的要求,二是为了更好地保证室内外高差处水平力的传递。商业楼室内及室外相关范围内,正负零零层采用梁板式结构,板厚 180 ~250,双层双向配筋,且配筋率不小于 0. 25%.

  4 上部结构设计

  (1)超限情况的判定

  根据“住房和城乡建设部关于印发《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》的通知(建质〔2010〕109 号)”,对商业楼的超限情况判定如下:商业楼结构高度 29. 2m,采用现浇钢筋混凝土框架结构,属于 A 级高度高层建筑,高度不超限。商业楼3 层以上竖向构件缩进大于 25%,属尺寸突变(立面收进);商业楼地上楼层存在多处楼板有效宽度小于 50%,开洞面积大于30%的情况;④商业楼3 层和4层之间质心相差达 18m,大于相应边长的 15%,同时,考虑偏心扭转位移比大于 1. 2,小于 1. 4.

  综合以上分析,商业楼属于超限高层建筑。

  (2)上部结构计算分析

  在小震作用下,全部结构处于弹性状态,构件承载力和变形应该满足规范的相关要求。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3 -2010 第 5. 1. 12 条的要求,本工程采用 SATWE 与 PMSAP 两种不同分析软件分别进行了整体内力及位移计算,两种软件的计算结果基本一致,结构体系满足承载力、稳定性和正常使用的要求。楼层最大位层间移角小于 1/550,满足 JGJ 3 - 2010 第 3. 7. 3 的要求;在刚性楼板假定下,虑偶然偏心影响的规定水平地震力作用下,竖向构件的最大水平位移和层间位移与该楼层平均值的比值均小于 1. 4.

  根据建筑抗震设计规范 GB50011 - 2010 第 5. 1. 2 条,对不规则建筑应采用时程分析进行多遇地震下的补充计算。本工程所选的三条波为 TH2TG035、TH4TG035、RH4TG035,每条时程曲线计算得到的结构底部剪力均大于 CQC 法的 65%,三组时程曲线计算得到的底部剪力平均值大于 CQC 法计算得到的底部剪力的 80%,故所选三条波满足规范要求。时程分析的结果表明,结构体系无明显薄弱层,时程分析法包络值较 CQC 法计算结果小,故结构的小震弹性设计由 CQC 法计算结果控制。

  根据高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ 3 -2010 第 5. 1. 13 条的要求,对商业楼采用弹塑性静力分析方法进行了补充计算。两个方向罕遇地震下性能点最大层间位移角均小于 1/50,小于规范弹塑性位移角限值,因此宏观上商业楼所用结构体系能保证大震不倒的设计要求。

  在通过二阶段设计实现三个水准的基本设防目标以外,针对本工程的具体情况,提出了以下抗震性能化目标:设防地震作用下,中庭连廊等薄弱处楼板内双层双向钢筋不屈服;设防地震作用下,悬挑梁根部框架柱及大跨梁两端相连框架柱斜截面抗剪按弹性设计,正截面抗弯按不屈服设计;PMSAP 楼板应力分析结果表明,中庭连廊根部、平面凹口阴角位置一般为应力集地区域,在多遇地震作用下,楼板主拉应力不大于混凝土抗拉强度标准值,楼板不会开裂,在设防地震作用下,应力集中位置楼板主拉应力略大于混凝土抗拉强度标准值,但适当加大楼板配筋,即可满足楼板内钢筋不屈服。

  在设防地震作用下,利用 SATWE 进行弹性设计和不屈服设计,分别校核悬挑梁根部框架柱及大跨梁两端相连框架柱的箍筋和纵筋,并与多遇地震计算结果一起进行包络设计。计算结果表明,配筋值均在合理范围,配筋切实可行。通过以上性能化设计措施,在对结构的经济性影响较小的情况下,提高了结构的抗震性能,增加了建筑的安全性。

  (3)上部结构设计针对偏心布置和扭转不规则,设计时,尽量使结构抗侧力构件在平面布置中对称均匀布置,避免刚度中心与质量中心之间存在过大的偏离;加强外围构件的刚度,增强结构的抗扭性能。计算时,考虑偶然偏心的影响,设计时适当加强受扭转影响较大部位构件的强度、延性及配筋构造。通过调整结构布置,将考虑偶然偏心下的'最大位移比严格控制在 1. 4 以下,第一扭转周期和第一平动周期比严格控制在 0. 9 以下。

  针对立面收进带来的扭转不利影响而采取的抗震措施详第(1)条。构造上,对收进楼层(4 层)加厚至 140mm 且双层双向加强配筋,配筋率不小于 0. 25%,但为减小大跨部分楼板自重,室内大跨度区域楼板厚 120mm,屋面大跨度区域楼板厚 130mm,收进部位上下层楼板(3 层和 5 层) 厚度不小于 120mm,并双层双向加强配筋。根据《高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ3 -2010》的相关规定,体型收进部位上、下各两层塔楼周边竖向结构构件的抗震等级提高一级,框架柱在此范围内箍筋全高加密,提高纵筋配筋率;收进部位以下两层结构周边竖向构件配筋加强。

  针对因开洞形成楼板不连续情况,整体计算时按实际开洞情况建模,并将以上楼层定义为弹性膜,以考虑楼板不连续对结构的影响;同时,构造加厚连廊等薄弱区域楼板至 130mm 厚,并双层双向配筋,配筋率不小于 0. 25%.

  5 结语

  本文对某超限高层商业楼的结构设计进行了简要介绍,主要的设计要点可总结如下:(1)结合建筑功能和结构布置合理设缝,规避平面布置的不规则;(2)优化布置结构抗侧力构件,适当加强外圈构件的刚度,提高结构的抗扭性能;(3)采用两种软件进行多遇地震弹性分些,结构应满足相应的强度和刚度要求;(4)对结构进行多遇地震下的弹性时程分析,验证结构体系的合理性,并与振型分解反应谱法进行包络设计;(5)补充罕遇下的静力弹塑性分析,控制性能点层间位移角不大于规范要求;(6)根据工程的具体情况,提出合理的抗震性能化设计目标;(7)利用概念设计原理,结合规范要求,对薄弱部位进行构造加强。

  参考文献:

  [1]吕西林。 超限高层建筑工程抗震设计指南[M]. 上海:同济大学出版社,2005.

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