星海湾高层区1#楼结构设计

2015-01-14辜晟杰

河南建材 2015年3期

关键词：支柱剪力剪力墙

辜晟杰

中元（厦门）工程设计研究院有限公司（361000）

星海湾高层区1#楼结构设计

辜晟杰

中元（厦门）工程设计研究院有限公司（361000）

以实际工程为例，介绍了某框支剪力墙结构计算分析、参数选取以及相应的抗震构造措施。这里着重介绍了框支剪力墙结构的抗震措施设计，强调了抗震概念设计对带转换层的高层结构的重要性。

部分框支剪力墙结构；时程分析；转换层；框支梁；框支柱

1 工程概况

该项目为星海湾高层区1、2#楼，位于同安区。总建筑面积218 409.8 m2，地上建筑面积178 138.5 m2，地下建筑面积32 433.3 m2。现以1#楼为例进行介绍，1#楼地上45层，建筑高度151.95 m，属于超高层建筑。

本工程属丙类建筑抗震设防类别，建筑结构安全等级为二级。所在地区的抗震设防烈度7℃，设计基本地震加速度为0.15 g。水平地震影响系数最大值amax=0.110，特征周期Tg=0.45S（安全性评估报告提供）。场地类别属II类；基本风压值W为0.80 KN/m2。地面粗糙度类别为A类,风载体型系数1.4。

2 结构体系与结构分析

本工程属于平面规则，竖向不规则（带转换）的超B级复杂高层建筑。由于高宽比较大，在平面布置上，除核心筒外，尽量将剪力墙均匀布置在结构的四周，四周的剪力墙也相应加厚。使结构平面刚度均匀，减少结构在地震作用下的扭转、提高了结构整体抗侧性能也满足建筑空间使用需要。本工程一层为入户大堂，由于空间及功能使用的需要，上部墙体不能全部落地，因此结构体系采用部分框支剪力墙结构，转换层位于第二层。

图1 标准层平面简图

图2 转换层平面简图

2.1 结构计算程序及注意事项

本工程结构整体分析采用的软件:PKPMSATWE及ETABS进行整体计算。

1）在程序的前编输入“结构体系”中选取“复杂高层”体系，应指明为底部带转换层高层建筑结构，同时定义转换梁所在楼层为“转换层”。

2）程序平面输入时人工指定框支柱、框支梁。在平面输入时指定转换构件，确保程序计算时能按相关规范要求，对转换构件在水平地震作用下的计算内力进行放大，对框支柱的水平地震剪力进行调整等。

3）定义转换层及上下各一层楼板为“弹性膜”。由于托墙梁上部剪力墙的墙拱作用，会使下部托墙梁产生轴向拉力，如果楼板为刚性楼板假定，梁的轴力将会被忽略。

4）根据《高层建筑混凝土结构设计规程》规定，带转换层的高层建筑结构，其框支柱承受的地震剪力标准值应按照规范进行0.2Q调整。

2.2 结构分析的主要结果

1）地震及风荷载作用下计算结果比较如表1所示:

SATWE和ETABS的计算水平地震作用结果基本吻合，指标基本满足规范要求。Y方向风荷载作用下的最大层间位移角超过1/1 000的要求，但经扣除整体弯曲变形转角产生的侧移，楼层层间位移角均为1/1 000以上，可能满足规范要求。本工程根据专家审查意见的建议“控制顶点位移和舒适度”,对结构楼层顶点最大加速度在顺风向与横风向下分别进行验算，都能满足规范要求。

计算结果还表明，结构的抗侧刚度下大上小逐渐变化，转换大梁所在的楼层附近未发生刚度突变，结构层间位移角也没有发生突变。主要原因在于，本工程虽然是竖向构件转换的超限高层，但仅局部墙体在竖向上转换，作为主要抗侧力构件的核心筒体在高度方向上是连续的，因此结构体系抗震性能良好。超限设计的重点应该放在于抬墙转换大梁与大梁相连的框支柱上，尽量提高转换梁与框支柱的抗震能力。

表11 地震及风荷载作用下计算结果比较

2）采用弹性时程分析进行多遇地震下的补充验算，时程分析采用“中国建筑科学研究院工程抗震研究所”提供的三条场地实测地震波，其中两条天然波，一条人工波。由时程分析结果得知：每条时程曲线计算所得结构底部剪力均不小于振型分解反应谱法计算结果的65%，三条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不小于振型分解反应谱法计算结果的80%。

3）本工程房屋高度属于B级，底部存在竖向不规则的情况，为查找结构薄弱部位，明确结构在大震下的屈服机制，进行了弹塑性分析。为保证结构在大震作用下具有足够的延性和抗倒塌能力，采用EPDA&PUSH程序进行弹塑性静力时程分析，分析结果如图3所示:

图33 弹塑性静力时程分析结果

结论:①在所选3条地震波的作用下,结构X向最大层间位移为1/256，Y向最大层间位移为1/ 163；罕遇地震作用下，各结构单体均无薄弱楼层，最大层间位移满足规范1/120的限值要求。②结构能满足多遇地震下的强度要求和大震下结构变形的要求。

4）框支剪力墙有限元分析。运用框支剪力墙有限元分析程序FEQ对框支梁,框支柱及相邻墙体进行有限元分析，结果显示框支梁偏心受拉特性明显，截面大部分应力为拉应力，框支梁跨中截面顶部区域虽然处于压应力状态，但数值不大。框支梁，框支柱配筋采取整体计算和FEQ计算。

3 抗震措施

3.1 框支柱设计

本工程框支柱抗震等级为特一级，采用型钢混凝土柱，框支柱设计可满足以下要求:

1）底层柱下端及与转换层相连的柱上端的弯矩增大系数取1.8，其余层柱端弯矩增大系数ηc应增大20%;柱端剪力增大系数ηvc应增大20%;地震作用产生的柱轴力增大系数取1.8,计算柱轴压比时不计该项增大。2）钢筋混凝土柱柱端加密区最小配箍特征值λv应按本规程表6.4.7的数值增大0.03，且箍筋体积配箍率不应小于1.6%；全部纵向钢筋最小构造配筋百分率取1.6%。

3.2 剪力墙设计

1）底部加强部位及其上一层的弯矩设计值应采用墙底截面组合弯矩计算值的1.1倍；其他部位可采用墙肢组合弯矩计算值的1.3倍；底部加强部位的剪力设计值，应考虑采用地震作用组合的剪力计算值的1.9倍；其他部位的剪力设计值，应采用地震作用组合的剪力计算值的1.2倍。

本工程框支柱抗震等级为特一级，采用型钢混凝土柱，框支柱设计可满足以下要求:

2）一般部位的水平和竖向分布钢筋最小配筋率为0.35%；底部加强部位的水平和竖向分布钢筋的最小配筋率为0.4%;约束边缘构件纵向钢筋最小构造配筋率为1.4%；配箍特征值宜增大20%；构造边缘构件纵向钢筋的配筋率不应小于1.2%。

3）框支剪力墙结构的落地剪力墙底部加强部位边缘构件宜配置型钢，型钢宜向上、下各延伸一层。

3.3 框支梁设计

本工程框支梁采用型钢混凝土梁，由于框支梁受力巨大且受力情况复杂。它不但是上下层荷载的传输枢纽，也是保证框支剪力墙抗震性能的关键部位，是一个复杂而重要的受力构件，因而在设计时留有较多的安全储备。满足下列要求:1）梁端剪力增大系数ηvb增大20%；2）梁端加密区箍筋构造最小配箍率增大10%。

3.4 转换层楼板的设计

框支剪力墙结构以转换层为分界，上下两部分的内力分布规律不同。在上部楼层，外荷载产生的水平力大体上按各片剪力墙的等效刚度比例分配；而在下部楼层，由于框支柱与落地剪力墙间的刚度差异，水平剪力主要集中在落地剪力墙上，即在转换层处荷载分配产生突变。因此，转换层楼板承担着完成上下部分剪力重分配的任务。由于转换层楼板自身平面内受力很大，而变形也很大，所以转换层楼板必须有足够的刚度作为保证。转换层楼板厚度取180 mm，12@200钢筋双层双向整板拉通,另外，为了协助转换层楼板完成剪力重分配，将转换层上层楼板厚度适当增加，取150 mm。