基于超限问题的解决策略和注意事项——以某图书馆高层部位为例

吴伟东

(中国中建设计集团有限公司厦门分公司　福建厦门　361008)



基于超限问题的解决策略和注意事项

——以某图书馆高层部位为例

吴伟东

(中国中建设计集团有限公司厦门分公司福建厦门361008)

分析了适用学校类平立面超限的高层建筑。以图书馆高层部分框架结构超限审查流程介绍为例，从梳理项目概况到分析结构单元超限特征以及超限应对措施的拟定，并特别强调了施工阶段的措施应对，最后总结盘点了高层建筑超限审查的注意问题。

高层图书馆；框架结构；超限

1　项目概况

莒南第二图书馆(见图1)总建筑面积为47 500m2，其中地上建筑面积35 500m2，地下建筑面积12 000m2。

图1　图书馆全景

功能设置：地下一层为停车库，一二三层为书库、阅览区与档案区，四五层为办公区，六七层为会议区，其中七层设大型会议厅。地下一层建筑平面长151.2m，宽76.6m。地上部分平面为U型三面围合形式，通过设置抗震缝将上部结构划分为南、北、中间3个独立结构单元。

层高关系：中间高层部分层数为8层，室内外高差0.6m。地下一层层高5.2m，一层层高为5.65m,二～六层层高4.5m，七层层高6.05m，八层为机房层3m，建筑高度为37.2m。南北两侧多层建筑层数为5层，室内外高差0.6m，地下一层层高5.45m，一层层高为5.40m,二～五层层高4.5m，建筑高度为23.7m。地下室顶板非人防部分板厚180mm,人防部分板厚250mm。

结构特征：本文主要针对中间高层结构单元。6层(大屋面层)高度23.65m，8层(小屋面层)高度37.2m。一、二层建筑平面呈长十字形，最长处98m，最宽处51.6m；三～六层建筑平面宽度收进后为43.2m；六层以上建筑平面长度收进后为36.2m，宽度收进后为34.8m；上部结构采用钢筋混凝土框架结构体系，现浇梁板式混凝土楼屋盖。基础采用柱下桩承台+防水板的形式，防水板厚700mm，选用PHCΦ700AB型预应力高强钢筋混凝土管桩作为承压型桩基，采用同一种管桩作为抗拔桩。承压桩桩长28m，以⑦1-2粉砂层作为桩端持力层，单桩竖向承载力设计值Ra=1 150kN。抗拔桩桩长24m，以⑦1-1砂质粉土层作为桩端持力层，单桩竖向抗拔承载力特征值Ra=680kN。计算的最大沉降值约为49mm。地质资料表明本工程场地以下20m深度范围内②3-3层砂质粉土层为设防烈度地震作用下的轻微液化土层。设计所取的建筑抗震设防类别(丙类)、设防烈度(7度)、设计基本地震加速度0.10g、设计分组第一组、场地类别上海Ⅳ类、多遇地震下特征周期(0.9s)、抗震等级(框架二级)、结构阻尼比(0.05)、抗浮水位-1.6m。

2　结构单元超限特征

结构单元存在的平立面不规则如下：

(1) 扭转不规则：在规定水平力作用下考虑偶然偏心时，部分楼层的位移比大于1.20。

(2)楼板不连续：三、四、五层楼面扣除洞口及楼电梯尺寸，有效楼板宽度小于典型楼板宽度的40%，并形成局部跃层柱。

(3)尺寸突变：六层其局部收进的水平向尺寸大于相邻下一层的30%。

(4)竖向构件不连续：五层标高处有16根柱子的内力通过转换梁向下传递。

根据超限建筑抗震设防管理实施细则的界定标准，该结构单元属于平面不规则和竖向特别不规则的超限高层建筑[1]，根据建设部第111号令、建质〔2010〕109号文件应对其进行超限高层建筑工程抗震设防专项审查。如图2～图5所示。

图2　一层平面图

图3　二层平面图

图4　五层平面图

图5　六层平面图

3　超限应对措施

(1)结构计算采用两个软件PMSAP和SATWE进行弹性阶段的计算分析，计算以地下室顶板作为上部结构的嵌固端，采用扭转耦联的振兴分解反应谱法，考虑了单向地震作用下的偶然偏心，将三到六层开大洞的外围楼板定义为弹性板进行应力分析，刚度比、刚重比、位移比、剪重比、周期比、层间受剪承载力比的计算指标见表1；根据《高层建筑混凝土结构技术规程》，采用弹性时程分析法进行多遇地震下的补充计算[2]。选用一条人工波(SHM2-4)H和两条天 (TH1TG090TH3TG090)补充了弹性动力时程分析，时程分析与弹性计算的计算指标比较见表2。

(2)并用EPDA&PUSH进行了弹塑性静力补充计算见图6、图7。计算结果表明地下室结构的楼层侧向刚度大于一层侧向刚度的2倍，因此地下室顶板可以作为上部结构的嵌固部位，轴压比满足抗震规范6.3.6条的限值[1]。PMSAP和SATWE两个软件的计算结果在总体指标上的趋势基本相同。结构的第一、第二振型均以平动为主，第三振型为扭转振型，以扭转为主振型的周期与第一平动周期的比值均小于0.85；各楼层的层间位移角均小于1/550；在规定水平力考虑偶然偏心下各楼层的最大位移与平均位移的比值均小于1.40；中震地震作用的方向角基本一致，转换梁按中震不屈服设计；各楼层上下的侧向刚度比及受剪承载力比值表明，竖向不存在软弱层或薄弱层；弹性动力时程分析单条波计算的基底剪力大于振型分解反应谱法基底剪力的65%，3条波基底剪力的平均值大于振型分解反应谱法的80%。

(3)施工图阶段采取的措施：

①由于立面在第六层收进，将第六层板厚加厚为140mm，采用双层双向配筋，并将配筋率适当加强。收进部位的上下层柱配筋适当加强，箍筋全高加密。

②板厚均≥120mm，计算时将洞边的楼板设定为弹性板，配筋双层双向拉通，且配筋率不小于0.25%。将洞口边梁的配筋率控制在1.2%以上且纵筋上下拉通。

③加大边梁的尺寸，以提高抗震抗扭能力。电算中采用SATWE和PMSAP两种空间结构计算程序进行分析，保证结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比不大于0.85，在考虑偶然偏心的地震作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移不大于该楼层平均值的1.4倍。角柱配筋适当加强，箍筋全高加密。

(4)控制轴压比，计算显示柱最大轴压比0.73，边柱的最大轴压比为0.66。对轴压比超过0.75(楼梯间超过0.65)的柱子全高采用井字复合箍，且箍筋间距不大于100mm、肢距不大于200mm、直径不小于12mm的箍筋。

表1　两个软件PMSAP和SATWE进行弹性阶段的计算指标对比分析

表2　弹性动力时程分析：时程分析与弹性计算的计算指标比较

(5)按实际高度对二层、三层的穿层柱长细比进行人工修改，并适当放大纵向配筋，加强其上下端与楼板的连接。

(6)采用滑动支座楼梯，计算不考虑其对结构刚度的影响，并适当加大梯柱、梯梁的配筋。

(7)适当放大五层梁托柱相关构件的配筋。

(8)采用时程分析的包络值和振型分解反应谱法计算的地震作用的较大值进行配筋。

图6　弹塑性静力补充计算1

图7　弹塑性静力补充计算2

4　结语

基于本次超限审查，高层建筑超限审查的注意问题大致如下：

(1)尽可能保证建筑形体及其构件布置的规则性，具体参见《建筑抗震设计规范》(GB50011-2015)和临沂市工程建设规范《建筑抗震设计规程》(J10284-2013)3.4.2，3.4.3，3.4.4，3.4.5条相关条文。

(2)平立面不规则主要类型的具体指标可参见建质〔2015〕109号文件《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》和鲁建建〔2015〕关于印发《超限高层建筑抗震设防管理实施细则》的通知。特别是具有某一项不规则的高层建筑工程即可判定为超限高层，尽量避免大超限。

(3)超限高层会要求采用时程分析法进行多遇地震下的补充计算和简化的弹塑形分析罕遇地震下结构的变形。工程中选取地震波应遵循靠谱原则：

频谱特性相符：频谱特性用地震影响系数曲线表征，所选多组地震波的平均地震影响系数曲线(计算程序有图形输出)与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线(计算程序有图形输出)在统计意义上相符(指在对应于结构主振型周期点上相差不大于20%，可直接在计算程序输出的图形上比较，查找并确定当周期为结构主周期数值时，上述两图形的差异值是否满足小于20%的要求)。

计算结果相近，弹性时程的分析结果应与振型分解反应谱法相近，即每条时程曲线计算所得的结构底部剪力与振型分解反应谱法计算结果的比值不应小于0.65，也不应大于1.35，多条时程曲线计算所得的结构底部剪力的平均值与振型分解反应谱法计算结果的比值不应小于0.8，也不应大于1.2。

有效的持续时间，一般从加速度首次达到该时程曲线最大峰值的10%算起，到最后一点达到最大峰值的10%为止，约为基本周期的5～10倍及不小于15s[3]。当被要求对重要部位或重要构件按“中震”进行设计，相应的时程分析所用地震加速度时程曲线的最大值见高规4.3.5。具体详见抗震规范5.1.2，5.1.4，5.5.5条具体要求[1]。

(4)可能会要求补充弹塑形静力推覆分析。

[1]GB50011-2015 建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社,2015.

[2]JGJ3-2015 高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2015.

[3]朱炳寅.JGJ3-2010,高层建筑混凝土结构技术规程应用与分析[S].北京：中国建筑工业出版社,2010.

Analysis of the solution strategy and matters needing attention based on the the library problem of out of limitation

WU Weidong

(China Construction Design Group Co., Ltd.Xiamen branch， Xiamen 361008)

In this paper, this article primarily introduces the structural design of a high-rise library with irregular horizon-tal and vertical planel which is suitable for school，taking the structural ultralimit review process of the top part of the library as an example .From analyzing the general situation of the project to analyzing the overrun characteristics of the unit of the structure and the formulation of the Countermeasures, with special emphasis on the response measures of the construction phase, finally summarized the matters needing attention of ultralimit review process of the high-rise building,hoping to be helpful to readers.

High-rise library;Frame structure;Out of gauge

吴伟东(1981.8-)，男，工程师。

E-mail:464188335@qq.com

2016-05-05

TU3

A

1004-6135(2016)08-0057-04