侯 剛 翁雯雯 楊秋偉,2,3 馮曉東 張 梁
(1.紹興文理學(xué)院 土木工程學(xué)院,浙江 紹興 312000;2.寧波工程學(xué)院 建筑與交通工程學(xué)院,浙江 寧波 315211;3.浙江省土木工程工業(yè)化建造工程技術(shù)研究中心,浙江 寧波 315211;4.蘇州設(shè)計股份有限公司 無錫分公司,江蘇 無錫 214070)
隨著社會現(xiàn)代化,人們的生活質(zhì)量也有了很大提高,傳統(tǒng)的幾何形式的超限高層建筑物已無法滿足人們對建筑美感的要求.高度超限是現(xiàn)在很多建筑物主流趨勢,很難在外觀或是結(jié)構(gòu)設(shè)計方面讓人耳目一新.因此需要建筑師們不斷探索與發(fā)現(xiàn),如何使建筑物的美感有所提升,同時在美感提升的基礎(chǔ)上使建筑物不規(guī)則的現(xiàn)象能得到改善,是結(jié)構(gòu)設(shè)計師們更加關(guān)心的問題.同時,對于建筑功能的客觀要求也是必不可少的,要在同一幢建筑物內(nèi)滿足多元化、多功能的要求[1-5].此時,斜柱高層以其獨特的外觀設(shè)計,被國內(nèi)外一些建筑師所采用.同樣也會帶來很多問題,比如:側(cè)向剛度、樓層的承載力和抗側(cè)力構(gòu)件等發(fā)生變化,這些情況也會在帶斜柱超限高層中出現(xiàn)[6-8].不同的建筑結(jié)構(gòu)有著不同的受力特性,很難找出統(tǒng)一規(guī)律,這就需要對各種不同類型的建筑物進(jìn)行分析與研究.
針對以上可能會出現(xiàn)的種種問題,應(yīng)如何解決需要我們進(jìn)一步研究與分析,而且?guī)敝某薷邔咏ㄖ霈F(xiàn)的不規(guī)則情況更為顯著,需要選用合適的計算模型對其進(jìn)行受力情況下的詳細(xì)分析.本文選用的是金鳳大廈超限高層建筑,此建筑結(jié)構(gòu)外觀由斜柱構(gòu)成,有獨特的視覺沖擊,具有很強的外觀設(shè)計.對它整體性能進(jìn)行分析.首先采用SATWE和ETABS進(jìn)行彈性對比分析,對本工程進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算分析,在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行靜力推覆分析和動力彈塑性分析,對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)的抗震性能評價.采取更加牢靠的加強措施,減少破壞.通過處理實現(xiàn)建筑與結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一,所采用的結(jié)構(gòu)設(shè)計和分析方法可供以后類似復(fù)雜超限高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考.
具體工程選用深圳市金鳳大廈超限高層建筑,本工程采用的是鋼筋混凝土框架—鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu),地下有3層、地上有33層.本結(jié)構(gòu)總高度為149.7 m,標(biāo)準(zhǔn)層層高4.25 m,在結(jié)構(gòu)設(shè)計中,本結(jié)構(gòu)所采用的安全等級為二級,B級的建筑高度,7度的抗震設(shè)防烈度,丙類的抗震設(shè)防類別,50年的設(shè)計基準(zhǔn)期,II類的場地類別,0.35 s的特征周期.本結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)層平面圖如圖1所示.圖2、圖3所示為本結(jié)構(gòu)的南北立面圖和東西立面圖.
根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[9]對建筑不規(guī)則有不同的劃分標(biāo)準(zhǔn),本結(jié)構(gòu)存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、剛度突變、斜柱等情況.
(1)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則:本結(jié)構(gòu)最大的特點是外部采用斜柱,因此導(dǎo)致本結(jié)構(gòu)中部分樓層的水平位移和層間位移較大,不滿足規(guī)范要求.
(2)剛度突變:部分帶斜柱的樓層,由于斜柱軸力對周圍樓面板的影響超過對上一層樓層剛度的90%.
(3)其他不規(guī)則:斜柱.
根據(jù)本工程超限結(jié)構(gòu)特點,進(jìn)行性能化設(shè)計. 根據(jù)本工程的場地條件、功能和構(gòu)件布置,結(jié)合抗震設(shè)防原則: “三水準(zhǔn)兩階段”設(shè)計[9],本工程選用的C級的抗震性能目標(biāo),依據(jù)為《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[10]抗震性能設(shè)計規(guī)定,該級別水準(zhǔn)具體見表1所示.
圖1 標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)層平面圖
圖2 南北立面圖
圖3 東西立面圖
表1 結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)等級劃分
本工程地下一層頂嵌固,依據(jù)為《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》.采用SATWE和ETABS兩種軟件進(jìn)行彈性對比分析,分析與研究本工程在兩種軟件計算下,整體計算指標(biāo)是否滿足規(guī)范要求,兩個軟件的計算結(jié)果差距是否明顯.并且分析與斜柱相連周圍的內(nèi)力情況,分析它們是否滿足承載力要求.
3.1.1 多遇地震下的彈性對比分析
進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體計算時,采用SATWE和ETABS兩種軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性對比分析,其中樓板采用的是剛性樓板,構(gòu)件采用的是彈性假定,斜柱采用的是支撐斜桿,周期折減系數(shù):小震為0.9,中、大震為1.0.如表2、表3所示為SATWE和ETABS整體計算主要結(jié)果.
由表2和表3可以看出,SATWE和ETABS兩軟件在整體計算時,周期比都小于規(guī)范規(guī)定的0.9,基底剪重比都大于規(guī)范規(guī)定的0.014,此時的最大層間位移角都小于規(guī)范規(guī)定的1/800,在SATWE軟件分析時的周期偏大一些, 而在這兩個軟件分析中,結(jié)構(gòu)的基底剪重比和最大層間位移角的結(jié)果相差不大.因此在結(jié)構(gòu)整體計算中的各計算指標(biāo)能滿足規(guī)范要求,滿足“小震不壞”的設(shè)防水準(zhǔn)要求.
表2 SATWE整體計算主要結(jié)果
表3 ETABS整體計算主要結(jié)果
3.1.2 與斜柱相連構(gòu)件的內(nèi)力分析
本工程的特點是存在外立面的斜柱,在柱軸力的作用下對樓面板和梁造成比較大的拉力Nx,Nx=Nsin(90-a).如果軸力和(90-a)比較大時,會造成樓面板和梁承受的拉力比較大,造成樓板或梁的拉裂.對正常使用和抗震造成不利的影響.本工程的a角為87°,中震下柱的軸壓力在17層為最大值N=14 400 kN,可知此跨度范圍內(nèi)的板和梁所受的拉力為Nx=1 500 kN.板厚為150 mm,混凝土為C30,樓面能承擔(dān)的拉力為:N=8 750×150×1.43=1 876.8 kN>1 500 kN,滿足規(guī)范要求.不需要其他特殊加強措施.其中斜柱的受力圖形如圖4所示.
圖4 斜柱的受力圖形
由以上分析可知,本工程在中震作用下斜柱的軸壓力最大出現(xiàn)在17層, 軸力最大的地方為與斜柱相連處.因此,需要針對于此處斜柱相連處的樓板進(jìn)行受力分析.
3.2.1 靜力推覆分析
對本工程進(jìn)行靜力推覆分析所采用的軟件為SATWE,不同方向靜力推覆分析倒塌曲線如圖5所示.性能點為能力譜與需求譜的交點處,通過SATWE軟件分析計算,罕遇地震影響系數(shù)最大值為0.5,性能點處的X、Y向?qū)娱g位移角分別為1/258、1/270,都小于規(guī)范規(guī)定的1/100.性能點處X、Y向底部剪力分別為52 429.7 kN和54 499.3 kN,滿足“大震不倒”的設(shè)防水準(zhǔn)要求.
在靜力推覆分析時的X、Y向中,先進(jìn)入屈服狀態(tài)的是頂層的框架梁,再向其他樓層開始發(fā)展,不同的是,X向的底部連梁先進(jìn)入屈服狀態(tài),然后再向其他樓層發(fā)展,Y向則是頂部連梁先進(jìn)入屈服狀態(tài),然后再向其他樓層發(fā)展.由以上分析可以得出:連梁先進(jìn)入屈服狀態(tài),然后是框架梁,最后是框架柱,符合結(jié)構(gòu)“強柱弱梁”要求,框架柱具有良好的二道防線作用.
3.2.2 斜柱周圍樓板分析
為準(zhǔn)確分析外立面的斜柱對樓面梁板的影響,采用的軟件為ETABS,選用的單元是彈性殼單元,分析中震作用下標(biāo)準(zhǔn)組合下18層X向地震正應(yīng)力圖如圖6所示.可以看出斜柱附近(西北角和西南角)附近的板的最大拉應(yīng)力均值小于1.43 MPa,滿足要求.
(a)X向地震作用
(b)Y向地震作用
圖6 標(biāo)準(zhǔn)組合下18層X向地震正應(yīng)力(S11)/MPa
進(jìn)行動力彈塑性分析時,優(yōu)先選用的軟件為Perform-3D.這款軟件在用于罕遇地震下的性能分析與性能評估時實用性和精準(zhǔn)性是比較完美的.因此在軟件分析時,選擇滿足規(guī)范的波,本結(jié)構(gòu)選擇的是SATWE中彈性時程分析中的5條天然波和2條人工波,其中5條天然波分別是TH002TG035、TH004TG035、TH006TG035、TH092TG035、TH095TG035,2條人工波波分別是RH1TG035、RH4TG035.
4.2.1 層間位移角
在七條波在作用下,如圖7所示為本結(jié)構(gòu)運用Perform-3D軟件在大震作用下的層間位移角曲線圖. 由圖可直觀地顯示本結(jié)構(gòu)在大震作用下的層間位移角滿足規(guī)范規(guī)定的1/120.
4.2.2 基底剪力
從表4所示在七條波的作用下,彈性時程分析(小震)和動力彈塑性時程分析(大震)中X、Y向基底剪力中可以看出,動力彈塑性時程分析(大震)中X向基底剪力平均值是彈性時程分析(小震)中X向基底剪力平均值的2.78倍,動力彈塑性時程分析(大震)中Y向基底剪力平均值是彈性時程分析(小震)中Y向基底剪力平均值的2.74倍,同時也能看出在七條波的作用下,基底剪力無論是在彈性時程分析(小震)還是在動力彈塑性時程分析(大震)時都是無規(guī)律的. 在動力彈塑性時程分析(大震)中天然波TH006TG035的X、Y向基底剪力最大,因此選取這條波作用下的能量與構(gòu)件耗能進(jìn)行研究.
(a)X向 (b)Y向
表4 基底剪力
4.2.3 TH006TG035波作用下的能量與構(gòu)件耗能
從圖8所示的TH006TG035波作用下的能量耗能可以看出,X方向和Y方向的能量耗能基本一致,結(jié)構(gòu)的模態(tài)阻尼耗能占多數(shù),其次是結(jié)構(gòu)彈性應(yīng)變能,結(jié)構(gòu)很少部分進(jìn)入非線性應(yīng)變能.如圖9所示的TH006TG035波作用下的構(gòu)件耗能可以看出,X方向和Y方向的構(gòu)件耗能基本一致,結(jié)構(gòu)的塑性耗能主要由鋼筋混凝土連梁和鋼筋混凝土框架梁承擔(dān),鋼筋混凝土剪力墻只承擔(dān)一小部分的構(gòu)件耗能, 型鋼混凝土柱、 混凝土柱和型鋼混凝土梁沒有塑性耗能,仍然處于彈性階段,符合“強柱弱梁”要求.
利用文獻(xiàn)資料,對結(jié)構(gòu)計算分析和重力彈性分析做出分析評價.何中明[11]選取的是某帶斜柱的框架-核心筒建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,分析結(jié)果表明:在斜柱作用下會對其相連樓面板和梁產(chǎn)生較大的拉力,使其更容易破壞.周洲等[12]通過SATWE和ETABS兩種軟件對某斜柱高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分析,得出結(jié)論:斜柱和樓蓋梁宜采用彈性方式來計算為佳,本文也是采用了這一方法模擬結(jié)構(gòu)在地震下的受力狀態(tài).曹慧玲[13]對某帶斜柱的超限高層建筑進(jìn)行分析,分析結(jié)果表明:在荷載作用下,斜柱的傾角越大,位移也就越大, 更容易導(dǎo)致樓板開裂. 本文的斜柱也呈現(xiàn)這樣的規(guī)律,17層是傾角最大的一層,最容易造成樓板或梁的拉裂.
(a)X方向 (b)Y方向
(a)X方向 (b)Y方向
Lu等[14]通過不同的實驗對斜柱傾角、方向加以分析,所得結(jié)果符合規(guī)范規(guī)定.Han等[15]通過實驗對斜柱的不同傾斜程度進(jìn)行研究,結(jié)果表明,在荷載作用下,斜柱的傾角越大,越容易破壞.國外學(xué)者的研究更傾向于實驗研究.
由于斜柱傾角越大,會造成承載力越小,因此通過對與斜柱相連的框架梁和樓面板采取加強措施.
方法一:針對與斜柱相連的框架梁入手,原來的框架梁選用的是鋼筋混凝土,現(xiàn)可以改為型鋼混凝土,這樣框架梁就得到了適當(dāng)?shù)募訌?,與原模型對比發(fā)現(xiàn),當(dāng)受到相同大小的荷載作用時,破壞程度減少了一些,能更好地控制與斜柱相連的框架梁和樓面板的拉力,從而減少破壞.
方法二:針對斜柱相連的樓面板入手,可以通過增加樓板的厚度及對樓板角部增加斜筋[16],通過加強之后與原模型對比發(fā)現(xiàn),與斜柱相連的樓板內(nèi)力減小,出現(xiàn)塑性鉸的速度也得到了較好控制.因此這兩種加強措施均有效,能很好地控制與斜柱相連的框架梁和樓板的受力性能.
通過以上計算和分析表明:(1)采用SATWE和ETABS兩種軟件進(jìn)行彈性對比分析,得出結(jié)構(gòu)整體計算結(jié)果滿足要求,且滿足結(jié)構(gòu)“小震不壞”的設(shè)防水準(zhǔn)要求;(2)與斜柱相連構(gòu)件的內(nèi)力分析可得斜柱產(chǎn)生較大軸力時,會對周圍的樓面板和梁造成較大的拉力,更容易發(fā)生破壞;(3)在靜力推覆分析中可知,結(jié)構(gòu)滿足“強柱弱梁”、框架柱滿足具有“二道防線”的基本設(shè)計;(4)由于斜柱產(chǎn)生較大軸力,會對周圍的樓面板和梁造成影響,因此對斜柱周圍的樓面板進(jìn)行分析,分析結(jié)果滿足設(shè)計要求;(5)采用Perform-3D軟件,對結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力彈塑性時程分析(大震)中,在七條波的作用下,本結(jié)構(gòu)層間位移角滿足規(guī)范規(guī)定的1/120,在動力彈塑性時程分析(大震)中,可以發(fā)現(xiàn)在天然波TH006TG035作用下的X、Y向的基底剪力最大,因此對其作用下的能量和構(gòu)件耗能進(jìn)行分析,分析結(jié)果表明,結(jié)構(gòu)極少部分進(jìn)入非線性應(yīng)變能,而且結(jié)構(gòu)的塑性耗能主要來自于鋼筋混凝土連梁和鋼筋混凝土框架梁,進(jìn)一步驗證了本結(jié)構(gòu)滿足“強柱弱梁”要求,結(jié)構(gòu)能夠滿足“大震不倒”的設(shè)防水準(zhǔn)要求.可以認(rèn)為本工程體系合理,性能滿足相關(guān)指標(biāo),滿足抗震性能設(shè)計目標(biāo)C級的要求.