复杂高层框架

来源 :城市建设理论研究 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zhangbaichi001
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  摘要:随着建筑使用功能多样性,建筑专业和业主给结构专业提出的要求越来越复杂。娄底市某商务楼采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构,建筑物平面形状为梯形。竖向体形高位内收,引起结构竖向不规则。底层层高较高,引起下柔上刚,存在底部薄弱层。各标准层均设夹层,属复式结构。竖向体形不规则和复式结构设计均超出现行抗震规范的有关要求,本文作者通过多种方案比较和不同模型计算分析,找出结构的薄弱环节,对整体结构采用多道抗震设防的概念以及重要构件基于性能化设计的理念确保结构体系安全合理,同时采取多种措施予以加强,控制周期比、位移比等关键要素。供类似工程设计参考。
  1工程概况
  娄底市某商务综合楼建筑平面尺寸为长87.4m,宽12.6~23 m,平面形状为梯形,属板式高层建筑。建筑总面积为20 000 m2,其中地上建筑面积17 140 m2,地下建筑面积2860 m2。地上18层,地下1层,地上最大建筑高度为89.110 m(图1)。
  地上1~2层为商业用房,3层为设备层,4层以上为标准办公公寓。1层高7.17 m , 2层高4.98 m , 3层高2.19m,4层以上标准层高4.98 m。地下室为立体停车库及设备用房,按核六级兼平战转换人防设计。
  2 基础设计
  一、建筑场地地形平坦、稳定,无液化土存在,自然场地下50 m左右有承载特性较好的卵石层(层6)。基础形式采用泥浆护壁钻孔灌注桩,桩径采用Φ1 000,Φ900,Φ800二种类型,有效桩长45 m,为提高桩端承载力及减小桩基变形,对桩端进行压力注浆,根据静载试验结果,Φ1 000单桩竖向承载力特征值为5 400 kN。外围纯地下室范围内设置钻孔灌注抗拔桩,框架柱下设置独立多桩承台,核心筒下设置群桩筏板式承台,筏板厚1.0 m。底板按肋梁式布置,底板厚400 mm,外壁板厚350 mm,采用C40防水棍凝土,抗渗等级为P8。根据地勘资料,地下水位常年位于自然地面以下0.5 m,抗浮设防水位较高,为室外地坪标高,地下室抗浮稳定性应满足下式要求。
  W≥1.05F(1)
  式中:W为地下室自重及上部结构作用的永久荷载标准值的总和;F为地下水浮力。
  由于抗浮设防水位较高,若采用增加结构配重的方式进行抗浮设计无法满足式(1)要求。工程采取设置抗拔桩进行抗浮设计,需抗浮的柱下布置1~2根抗拔桩,Φ1000单桩抗拔承载力特征值为1 800 kN 。
  3结构设计及计算
  3.1结构主体设计
  建筑结构设计使用年限为50年,结构安全等级为二级,建筑抗震设防分类为丙类,场地抗震设防烈度为6度,设计地震分组为第一组,建筑场地为III类。基木风压0.5 kN/m2(按100年重现期),地面粗糙度为B类。
  建筑主体结构采用现浇钢筋棍凝土框架一剪力墙结构,其中剪力墙和框架的抗震等级均为三级。楼面采用主次梁结构布置。标准层结构布置如图2所示。
  结构设计的主要特点在于建筑的平面、竖向体形和复式结构。建筑地上部分平面形状依据场地形状设计,近似梯形,斜边夹角70,'存在斜向抗侧力体系。楼板平面较狭长,而3层以上每层楼板开洞面积为楼面面积的10%,且奇偶层由于空中花园的隔层设置造成楼板开洞面积、位置不同,属于抗震规范中平面不规则形状。由于12层内收尺寸突然变大,造成结构在竖向上侧向刚度不连续。导致在地震力作用下,容易使结构产生扭转变形。1层及以上各标准层均待主体验收后结合装修设置夹层,夹层主次梁采用型钢结构,楼盖采用组合楼板。形成施工阶段结构层数为18层,而使用阶段实际结构层数为27层,由于使用阶段标准层高仅为2.5 m ,造成框架柱净高与截面高度之比均小于4,减小了柱的延性。
  通过整体结构计算显示,在地震力作用下,建筑物位移值较大的点出现在建筑高度的中上部,平面上的边角点。因此设计中在平面南北端部附近,利用电梯间设置剪力墙,并且尽量使剪力墙形成封闭筒体,使结构抗侧刚度得到加强,减少建筑端部的扭转变形。12层部位竖向内收造成结构偏心,在方案调整计算时发现,12层部位由于侧向刚度突变,局部产生扭转变形,引起边角部位竖向构件弯矩和剪力产生较大增量,可能成为薄弱层。采取的措施是在12层外墙局部部位增设剪力墙(此墙向下延伸3层,向上延伸1层),以加大楼层的侧向及扭转刚度、减小偏心率及竖向构件内力附加值。经计算,增设外部剪力墙后,该楼层抗侧刚度提高了20%;抗剪承载力提高了18%;偏心率减少了50%;地震力作用下最大层间位移减少了29% ;偶然偏心影响的地震力作用下楼层最大位移与平均位移比值由1.42降至1.29;框架角柱、边柱剪力和弯矩均有不同程度减少,其中局部角柱剪力减少约40%(原因是剪力墙分担部分楼层剪力);竖向构件计算配筋均在合理范围内。通过以上定量分析可得,适当增加楼层局部抗侧力构件可改善竖向内收造成的不利影响,减少结构侧向刚度突变。在施工图设计中,特别加强12层及相邻层角部梁柱的截面和配筋,其抗震等级提高一级,并加强构件抗震构造措施,以提高其延性。
  施工图设计中主要竖向构件截面变化如表1所示,框架柱及剪力墙的混凝上强度等级:3层以下为C50,4~8层为C45,9~12层为C40,13层以上为C35。
  
  3.2薄弱层处理
  建筑南北向沿高度方向在12层部分内收,平面收进尺寸大于11层平面尺寸的50%,收进高度与主体总高度之比大于0.35,收进层与下一层侧移刚度比为x方向(南北向)1.175 ,y方向1.176,刚度突变,并且上下层重心不重合,属于竖向不规则结構。据有关试验研究和地震灾害显示,在地震作用下,竖向内收的建筑物容易产生扭转变形,引起内收部位竖向构件的弯矩和剪力产生较大突变,最先进入破坏阶段,进而吸收更多的地震能量,如果竖向构件延性不好,可能成为薄弱层,导致结构破坏。同时,底层由于层高为7.2 m,框架柱线刚
  度较小,剪力墙平面外刚度小,整体稳定性差,其楼层侧向刚度较小,而3层为设备层,层高仅为2.2 m,框架柱线刚度突然变大,出现底层侧向刚度小于其相邻3层侧向刚度平均值的80%,底层定义为薄弱层。
  为解决上述问题,在小震计算中强制指定内收层(第12层)为薄弱层,地震剪力放大15%,调整薄弱层构件内力;补充中震弹性验算,对12层梁柱按中震不屈服设计。中震弹性计算,即地震影响系数最大值按中震取值;取消地震组合内力调整,在SATWE程序中可将构件的抗震等级定义为“不考虑”。中震不屈服设计,即地震影响系数最大值按中震取值;取消地震组合内力调整,荷载分项系数取1.0(组合值系数不变),材料强度取标准值,抗震承载力调整系数取1.0 ,在SATWE中通过点取“按中震不屈服或大震不屈服做结构设计”来实现。构造措施中,对水平构件,加厚薄弱层上部和下部连接层的楼板厚度至150 mm ,配置楼板通长钢筋,加大建筑四角边缘框架梁内的配筋;对竖向构件,控制框架柱轴压比在0.45~ 0.65之间,框架柱在薄弱层上下各两层的4层范围内,加强柱箍筋配筋及提高其体积配箍率,提高框架柱延性。该4层剪力墙内水平和竖向钢筋间距加密为150 mm,按照底部加强区的做法,设置剪力墙暗柱约束边缘构件,以提高剪力墙的抗扭转变形能力。其次在底层及2层角部沿外墙位置增设若干数量剪力墙,相应加大电梯部位剪力墙厚度至350 mm,以提高底层及2层的楼层侧向刚度,使其楼层侧向刚度大于3层(设备层)楼层侧向刚度的70% ,避免出现底层薄弱而导致的竖向不规则结构。在小震计算中强制指定底层为薄弱层,地震剪力放大15%,调整薄弱层构件内力。补充中震弹性验算,对底层墙柱按中震不屈服设计。在构造措施中,加厚2层楼板厚度至180 mm ,配置楼板通长钢筋。加强底层框架角柱、边柱和剪力墙暗柱配筋,严格控制框架柱轴压比在0.6~0.7之间,其体积配箍率提高至0.02,以提高底层柱的延性,增强底层抗侧和抗扭转变形能力。
  3.3复式结构处理
  1层及以上各标准层使用阶段均增设夹层.采取在楼层中部沿轴网布置钢筋混凝土夹层梁,各楼层框架主梁跨中设置钢筋混凝土柱,传递夹层荷载至楼层框架梁上。夹层楼盖采用单向密肋式钢梁布置,上铺U形钢板和含钢筋网片的细石混凝土基层,按组合楼板计算。这样布置可使夹层竖向荷载直接传递到各层框架梁上,傳力路径简单。但从整体结构上分析,各夹层在楼板开洞面积不大的情况下,其楼板平面内刚度近似为无限大,平面外刚度为零,可按刚性楼板假定。造成实际参与工作的结构楼层数增加,同时夹层梁与框架柱间形成半刚性节点,框架柱净高与截面高度之比小于4,局部框架柱剪跨比小于2,降低了框架柱的延性。同时引起各楼层梁柱节点的弯矩和剪力产生较大突变,可能成为薄弱构件,导致结构破坏。
  在计算中将考虑夹层参与整体工作的计算模型与不考虑夹层参与整体工作的计算模型按两种不同的工况进行计算比较,并对两者性能参数和内力值进行分析取舍。在设计中,对重要竖向构件,各层框架柱抗震等级提高一级,其轴压比均控制在0.8以内。加强各层框架柱箍筋的配筋,体积配箍率提高至0.015 ,箍筋间距全柱加密。将夹层梁与框架柱连接部位计算和构造均视为刚性节点,设计按框架节点构造处理,以形成强柱弱梁,提高框架柱延性。
  3.4结构计算
  主体结构采用多高层建筑结构三维分析与设计软件SATWE(墙元模型)进行分析计算,并用ETABS进行计算校核,计算中考虑地震和风荷载作用最不利方向,考虑偶然偏心和平扭耦联计算结构的扭转效应,振型数取15,并且在斜交抗侧力方向附加地震力计算,对有夹层(模型1)和无夹层(模型2)两种情况分别进行整体计算,计算结果见表2~5。以上两种模型经ETABS程序计算复核,其结果与表2~5中计算结果基本吻合。
  根据规范要求对有夹层的结构(模型1)进行弹性时程分析补充计算,选取Ill类场地土,特征周期为0.45 s的两条实际波和一条人工模拟的加速度时程曲线进行动力时程分析,输入分量地震峰值加速度为18 cm/s2,结构阻尼比5%。从计算结果可看出,模型1结果显示结构的主振型以平动为主,扭转振型周期与平动振型周期的比值为0.60 ;整体计算的各项指标均满足规范的有关要求。弹性时程分析计算所得的单条波结构底部剪力不小于振型分解反应谱法计算结果的65%,三条波平均底部剪力不小于振型分解反应谱法计算结果的80%。振型分解反应谱法弯矩和剪力曲线均大于弹性时程分析计算的结果。
  无夹层的结构(模型2}结果显示结构的主振型以平动为主,扭转振型周期与平动振型周期的比值为0.54。整体计算的各项指标也均满足规范的有关要求。
  通过对比模型1和模型2计算,得到以下结论。
  (1)两者结构振动周期发生变化,模型1振动周期小,模型2振动周期大,其中第一平动周期相差幅度约11%,但扭转周期差别不大。说明在结构平面和竖向体形不变的前提下,仅增加结构计算层数和改变层高会导致整体结构平动周期变小。
  (2)地震作用下两者基底剪力和倾覆力矩发生变化,模型1基底剪力和倾覆力矩大,模型2基底剪力和倾覆力矩小,其中基底剪力和倾覆力矩相差幅度约12%~14%。说明增加结构计算层数和改变层高会导致整体结构基底剪力和倾覆力矩增大。
  (3)地震和风载作用下两者楼层最大层间位移比相差不大,但楼层最大位移值有区别,模型1楼层最大位移相比模型2小。说明增加结构计算层数和改变层高会导致整体结构楼层最大位移变小。
  (4)两者框架柱及剪力墙内力发生变化,以底层为例,地震力作用下模型1框架柱承担的剪力和弯矩明显大于模型2。框架柱剪力占总剪力的百分比由3.7 %增加至6.5% (X向地震),3.9%增加至6.4% (Y 向地震)。框架柱弯矩占总弯矩的百分比由33%增加至37% (X向地震),26%增加至29%(Y向地震)。尽管剪力墙承担大部分整体弯矩和剪力,但两者框架柱和剪力墙端柱承担的弯矩和剪力是有差别的,按最不利取值,设计应以模型1计算结果为依据。
  综上所述,对此类复式结构,设计应将各夹层部位输入计算模型中,使其共同参与整体工作,相应的计算结果和截面设计更符合实际受力情况。不应为了简便,人为将夹层结构通过人工输入荷载的形式直接加载至楼层梁柱上,这样会导致构件内力计算值偏小,从而使截面配筋不足和局部节点构造措施不合理。
  4 结语
  (1)随着建筑使用功能多样性,建筑专业和业主给结构专业提出的要求越来越复杂。选取合理、经济的夹层结构方案对复式高层结构十分关键,既应考虑夹层荷载传力路径简单,也应考虑夹层部位连接节点构造要满足计算假定。夹层布置尽量采用压型钢板组合楼盖体系或纯钢结构体系,连接节点应构造简单,便于施工。
  (3)对于竖向体形有过大内收的不规则结构,计算中可强制指定内收层为薄弱层,地震剪力和构件内力予以适当放大。为减小偏心率和提高抗扭刚度,可在内收层附近布置一些抗侧力构件加以解决,抗侧力构件可采用剪力墙、斜支撑、桁架等形式。同时加强内收层下端连接层楼板厚度、配筋;加强内收层及以上层角部竖向构件的约束措施,从而提高其抗扭转变形能力。
  参考文献
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