某工程办公楼结构设计分析

2018-03-01马悦廖昉梁涛曹复兴

重庆建筑 2018年2期

关键词：裙房剪力墙抗震

马悦，廖昉，梁涛，曹复兴

（中机中联工程有限公司，重庆 400039）

1 工程概况

仙桃国际数据谷位于重庆渝北区悦来国际商务区，近邻国博中心、江北机场和水土云计算中心，区位优势卓越。该工程为重庆市仙桃数据谷项目的12#楼办公楼项目，包括地下车库和地上塔楼。该工程的建筑外观如图1所示。

图1 建筑外观示意图

该地区设防烈度为6度，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅲ类。该工程中具有一个300座的公用空间，根据《建筑工程抗震设防分类标准》第6.0.4条及其条文说明，该工程中所具有的公共活动空间未达到总计1200座、最大单场计容不小于500座的标准，不属于应按重点设防类（简称乙类）进行设计的分类范畴。该工程应按标准设防类（丙类）设计，结构的安全等级为二级，结构设计使用年限为50年。该工程设防烈度为6度，地震加速度为0.05g，各构件抗震等级按6度确定。该工程结构为框架-剪力墙结构，结构嵌固为基础顶部，竖向构件采用全现浇钢筋混凝土框架柱及剪力墙，所用的建筑材料为钢筋混凝土。结构右侧与11#楼结构单元的车库相邻，其余三侧为既有道路。该工程左侧与道路标高相适应，上侧与下侧需设计临时边坡支护措施，以与主体结构相连的混凝土挡墙为永久挡土措施。工程结构A塔17层，总高度为70.5m；结构B塔19层，总高度为78.3m。结构A塔地上部分结构高度为60.9m，结构剖面如图2所示。

图2 结构剖面布置图

为简化结构的复杂性，该工程以主体及外延多跨车库与相邻工程及大型车库脱开，形成独立的结构单元。结构缝的设置如图3所示。

2 结构设计分析

2.1 结构布置

因为建筑使用功能需要，在裙房层设计有展览厅、多功能厅等建筑用房。裙房层的楼板存在较大面积的开洞，裙房层楼板不连续，凹凸不规则且存在穿层柱。裙房层平面布置图如图4所示。

图3 仙桃数据谷12#楼与相邻建筑及大型车库位置关系示意图

图4 裙房首层顶板平面布置图

此外，因为塔楼平面图形布置原因，结构存在扭转不规则。塔A及塔B的平面布置如图5所示。

图5 塔楼平面布置图

根据相关条文，该工程应认定属于平面、立面均不规则的结构。

2.2 关键构件

该工程的使用功能为办公楼，综合考虑抗震设防类别、设防烈度、场地条件等因素，根据相关条文规定，结合建造费用、震后损失和修复难易程度等因素，确定该工程抗震性能目标为D级。

经过分析，应确定该工程第一层至第四层裙房周边框架柱、第三层裙房层外延一跨部分的框架柱、底部加强区及其上一层剪力墙、塔楼角柱和穿层柱为关键构件（图6）。

图6 部分关键构件示意图

此外，裙房首层顶板的开洞区域、裙房二层顶板处竖向收进部位应认定为薄弱部位，应对相关的梁、板采取有效的加强措施。

根据上述分析，结合现有的一些研究的结构分析思路和方法[1-3]，该工程在结构设计时，应注意加强关键构件的抗震性能，提高薄弱部位的可靠性。

2.3 结构计算

2.3.1 多遇地震和设防地震计算

该工程分别建立了单塔A、单塔B和多塔模型、采用YJK与PMSAP进行了结构验算并比较了相关计算结果。

其中，两种计算软件对比的部分计算结果如表1所示。

表1 结构位移角和位移比统计表

从计算结果可以看出，结构位移角小于规范限值1/800；最大层间位移比为1.48，根据分析，该极值仅位于裙房层挑出部分角部，除该部位以外的其他裙房、塔楼等处的最大层间位移比能够控制在1.20左右，表明结构具有足够的抗扭刚度。

2.3.2 斜向地震验算

因结构第三层与第四层部分梁的方向与X轴及Y轴的法向量存在一定的交角，同时塔楼的不规则形状与X轴及Y轴的法向量存在一定的交角，故补充斜向地震的影响分析，附加不利地震交角的确定如图7所示。

图7 斜向地震角度取值示意图

以该工程裙房层为例，分析斜向地震对结构计算结果的影响（表2）。

表2 裙房顶层位移角及位移比变化统计表

裙房层位移角及位移比变化统计的柱状图如图8所示。

图8 指标对比柱状图

分析表明，在附加地震影响下结构的位移角及位移比指标没有明显增幅，结构设计时考虑附加斜向地震的作用，其不利附加角度为13度及其相应的轴对称角度。

2.3.3 补充时程分析

该工程选取了五条天然波和两条人工波组成的七条地震波进行补充时程分析（表3—表6）。

表3 底部剪力时程分析比较结果（一）

表4 底部剪力时程分析比较结果（二）

表5 倾覆弯矩时程分析比较结果（一）

表6 倾覆弯矩时程分析比较结果（二）

比较上表中的数据可以发现，反应谱分析与时程分析所得到的顶层层间位移角规律相似，取值相近。在该工程中，应采用的CQC方法全楼地震剪力放大系数为1.08，经过放大后的CQC方法结果能够包络弹性时程方法结果的多条地震波的平均值曲线。

2.3.4 罕遇地震性能评估

该工程利用EPDA&PUSH、SAUSAGE和YJK进行了罕遇地震作用下的结构性能评估。

由EPDA&PUSH得到的X向和Y向的推覆性能点如图9所示。

图9 X向、Y向推覆性能点

从上图中可以看到，在罕遇地震X向推覆作用力的影响下，结构性能点处的X方向的最大层间位移角为1/682，结构性能点处的Y方向的最大层间位移角为1/521，结构性能点处的X方向顶点位移为89.5mm，结构性能点处的Y方向顶点位移为121.5mm，满足规范的规定。

X向和Y向推覆过程中，随着增量步数增加到设防地震对应的性能步数时，部分梁柱出现塑性铰，但塑性铰发展情况不明显，未出现严重破坏的情况。随着增量步数增加到罕遇地震对应的性能步数时，梁柱塑性铰继续发展，但仍然未出现严重破坏。在达到罕遇地震性能点后继续加载，相关的塑性铰继续增多，位移荷载曲线继续增加，说明结构在达到大震性能点后还有较大安全储备。

以SAUSAGE进行结构动力弹塑性时程分析，所得到位移角曲线如图10所示。

从SAUSAGE的结果可以看到，结构的最大层间位移角为1/336，小于0.9[θp]的塑性限值。

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图10 结构动力弹塑性时程分析的指标结果

该工程以YJK软件进行了构件损伤分析，YJK软件以损伤因子的形式描述了结构抗震性能的量化指标。分析表明，结构未出现墙元未出现退出工作，杆元未出现重度损伤。部分剪力墙及连梁的损伤因子示意如11图所示。

从图中可以看出，结构第八层塔A的左上角柱的混凝土进入中度损伤，两个墙体单元进入中度损伤。应对上述结构构件进行加强。部分连梁进入中度损伤，连梁的损伤情况符合性能水准要求。同时也可以看到，裙房层第三层部分框架梁进入中度损伤，考虑到此层为结构薄弱层，应采取增大梁截面、提高配筋率等针对性设计措施。

通过大震弹塑性的分析及采取的相应措施，可以认为罕遇地震作用下的结构各项控制指标均满足“性能水准5”的抗震性能目标。

图11 局部剪力墙及连梁损伤因子示意图

2.3.5 P-M曲线验算

在性能目标的设计要求中，对结构框架柱提出了相应的设防地震作用下弹性、罕遇地震作用下不屈服要求。结构应按照设防地震作用下弹性、罕遇地震作用下不屈服的要求进行相应的结构正截面承载力验算。

构件的P-M曲线有多种验算方法。该工程以XTRACT、ETABS、和YJK分别对典型的800mm方形截面验算了P-M曲线，分析截面和所得到的分析结果如图12、图13所示。

图12 三种软件的验算截面

图13 三种软件的验算结果

以结构穿层柱为例，用YJK所得到的P-M曲线如图14所示。

图14 计算软件YJK结构分析截面及验算结果

从图中可以看到，各点均处于外圈包络曲线以内，P-M曲线的包络情况良好，表明框架柱在指定地震作用下，处于性能设计要求的限值以内。

3 风荷载补充分析

因该工程相邻的11#楼也为超限结构，且顶部有较大面积的钢结构桁架顶棚。为确认12#楼是否对11#楼产生不利风荷载，以Transition SST模型，根据顾磊、张默、黄滢等[4-6]的应用经验，利用ANSYS-FLUENT分析了两处结构之间风荷载的影响。

对于复杂建筑模型在FLUENT中的实现是一个难题。该工程首先通过曲面处理软件对建筑模型进行处理，然后将模型导入CAD中。再将CAD中的模型以SAT格式输出，在ANSYS的STRUCTURAL/FLOTRAN中读入后，进行模型的布尔剪切运算和粘结，并对网格进行划分。然后，在ANSYS的WORKBENCH中进行模型转换，并输入到FLUENT中进行运算。

计算模型采用速度进口边界条件velocity-inlet和压强出口边界条件，风场为B类风场。通过定义脚本文件并在FLUNET中读入，即可实现随高度变化的入射风场。

经过计算所得到的分析结果云图如图15所示。

从图中可以看出，12#楼的风荷载不对11#楼的屋面层部位产生明显的不利影响。