超限结构设计及其分析探讨

2013-04-04沈国培

建筑设计管理 2013年3期

沈国培

(甘肃省兰州城市建设学校，兰州 730046)

0 引言

本工程总用地面积为51 366m2，总建筑面积约为327 650m2。其中本结构地下室地下为2层，局部为甲类常6、核6级人防地下室。地下1层局部开敞，各栋均按地下1层嵌固考虑；地上7栋均为48～50层高层建筑，部分塔楼平面布置相似，高层建筑为剪力墙结构(1、2、3、7栋带局部转换)。以下将针对其中1栋的超限情况分析而展开探讨。

1 超限结构布置

本工程住宅群中共7栋塔楼，都属于B级高度高层住宅建筑，嵌固端为地下1层板面。7栋塔楼中1～3及5～6栋结构平面布置相似，因此，本报告选取有代表性的1、4、7栋进行超限分析。1栋塔楼为地下2层，地上48层的高层独栋塔楼，从嵌固端算起总高度约为149m；4栋塔楼为地下2层，地上49层的高层独栋塔楼，总高度约155m；7栋塔楼为地下2层，地上50层的高层独栋塔楼，总高度约为156m。

1)塔楼抗侧力体系。1、4、7栋塔楼均为抗震墙结构，1、7栋4层(即建筑3层顶板)设有局部转换，抗震墙转换率不大于10%。

2)楼面体系。楼板体系的确定是与建筑的整体结构体系、平面功能布置、机电要求，尤其与层高、净高要求密切相关，结合本工程的特点，楼面体系采用钢筋混凝土现浇梁、板体系。混凝土楼板的厚度为：嵌固层楼板(塔楼相关范围)180～200mm，楼板面大开洞周边楼板、电梯筒周边楼板为120～150mm，转换部位楼板180mm，其他部位100～120mm。

3)嵌固层。以计算模型中的层数描述为准，本结构计算分析表明，地下2层的楼层侧向刚度大于地下1层楼层侧向刚度的2倍(《高规》5.3.7条)，具备了作为嵌固层的必要条件。嵌固层结构采用梁板体系，塔楼相关范围板厚采用180～200mm，且楼板无大开洞存在。在设计中已考虑地下1层竖向构件截面设计符合《抗震规范》6.2节要求，按框支柱一级，剪力墙二级设计，在施工图设计阶段，本工程还将考虑：地下2层柱每侧纵向钢筋面积，不小于相应地下1层柱每侧纵向钢筋面积的1.1倍。地下1层塔楼相关范围板双层双向配筋，配筋率不小于0.25%。由此可以判定：地下1层(即建筑地下室2层顶板)可以作为上部建筑结构的嵌固层。

4)超限情况。根据结构平面布置及程序分析结果，本工程的超限情况详见表1。

表1 超限情况统计

2 多遇地震弹性时程分析

本建筑为B级高度剪力墙结构且局部有转换，根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3—2010)5.1.13条规定，应采用弹性时程分析法进行补充分析。采用中国建筑科学研究院编制的结构分析程序SATWE进行计算，建立分层模型，将各楼层的质量集中于楼层处，形成弹性多质点体系，然后输入地震波 (数字化地震地面运动加速度)进行时程分析，可得结构各点的位移、速度和加速度反应，由位移反应计算结构内力。输入7条地震波(由安评提供)，2条为场地人工波(人工波)，另5条为安评天然波，按6度地震，Ⅱ类场地进行多遇地震弹性时程分析。同时列出了各楼层层间位移角图、最大剪力图、最大弯矩图见图2。

表2 时程与反应谱分析结果对比表

图1 层间位移角图

图2 最大剪力图

从上述分析结果表明，本结构每条时程曲线计算所得结构基底剪力均不小于在振型分解反应谱法的65%，同时计算3条时程曲线的基底剪力平均值不小于振型分解反应谱法的80%，显然所选取的地震波满足规范的相关要求。另外，本结构在地震作用下的时程计算结果与反应谱结果接近，但根据新抗规的要求，采用7条地震波模拟时，应采用时程计算结果的平均值与反应谱计算结果的较大值，故在下一步施工图设计中采用反应谱进行设计。

3 楼板分析

本结构的其中超限情况之一为在平面楼板开大洞，造成楼板不连续。针对这种情况，需要进行楼板应力分析，以确保转换层，以及其他薄弱部位楼板在多遇地震下保持弹性工作状态，设防地震作用下不屈服，罕遇地震下不出现贯通性裂缝。

分析模型与参数：本结构通过采用软件Etabs进行弹性楼板分析，分析时采用弹性板(同时考虑楼板平面内和平面外刚度)来模拟弹性楼板，分析时混凝土的弹性模量采用短期模量。采用弹性反应谱方法和弹性时程分析法分别计算弹性楼板应力。对于弹性时程分析法分别选择了一条人工波以及两条天然波，时程波采用双向施加，主方向：次方向=1：0.85。以下仅列出选择反应谱分析结果和具有代表性的人工波的分析结果如图3所示。同时对大震作用下转换层楼板X向地震楼板承载力进行验算，其验算结果见表3。

从上面图中可以看出：转换部分楼板由于加厚到180mm，且楼板开洞少，整体性好，在多遇地震作用下，绝大部分区域楼板面内拉应力均小于C30混凝土抗拉强度设计值(ft=1.43MPa)，在设防烈度地震作用下和罕遇地震作用下，除了一些应力集中部位外，绝大部分区域楼板面内拉应力均小于C30混凝土抗拉强度标准值(ftk=2.01MPa)。

上部标准层虽然楼板开洞较大，但由于在楼板开洞边缘处都存在混凝土剪力墙与连梁，从而大大加强开洞处结构的整体性，使开洞对整个结构整体性的影响降到最低；两单元连接部位，楼板有效宽度较小，但因两单元左右对称，该处楼板应力并不大。在多遇地震作用下，标准层绝大部分区域楼板面内拉应力均小于C30混凝土抗拉强度设计值(ft=1.43MPa)，在设防烈度地震作用下和罕遇地震作用下，绝大部分区域楼板面内拉应力均小于C30混凝土抗拉强度标准值(ftk=2.01MPa)。因此，标准层楼板在多遇地震作用下基本保持弹性状态，在设防烈度地震和罕遇地震下除应力集中区域外，其他部位基本未开裂。