某商业办公楼框筒结构连梁设计分析

胡正泱

摘 要：随着社会经济的发展，我国的商业办公楼建设越来越多。本文以某商业办公楼工程为实例，在7度抗震设防烈度区内进行框筒结构的计算，对抗剪超限的连梁，采用改变连梁截面，设置交叉钢筋、双连梁等结构处理方案，以满足结构设计要求。

关键词：框筒结构;连梁;超限

随着高层框筒结构的广泛使用及建造高度不断提升，抗震性能分析与评估的需求日益增长，需要深化高层框筒结构性能抗震设计的研究。

一、工程概况

本文以某办公商业（大型）综合建筑为例，由5座塔楼及大型裙房组成，结构总高度为99.700m，地上24层，地下3层。其中3～6层为商业及办公区域，6层以上为办公楼。根据《建筑工程设防分类标准》（GB50223—2008）规定，办公楼抗震类别为标准设防类（丙类）。该工程抗震设防烈度为7度，因裙房部分在设缝后，商业面积满足不超过7000m²，故无需按重点设防类提高一度抗震措施。

二、中震作用下结构性能分析

中震作用下的结构抗震性能分析不考虑风荷载效应的组合，不考虑与抗震等级相关的内力调整系数。当按弹性计算时，需考虑荷载分项系数﹑材料分项系数和抗震承载力调整系数，当按不屈服计算时，不考虑荷载分项系数﹑材料分项系数和抗震承载力调整系数。中震作用下结构构件设定的性能目标为：底部加强部位的剪力墙、框架柱等关键构件的抗剪、抗弯承载力应满足不屈服性能要求;一般部位的剪力墙、框架柱允许部分屈服，抗剪截面应满足要求;大部分框架梁、连梁等耗能构件允许进入屈服阶段，部分允许破坏。

三、连梁超限的解决方法

（一）IDA分析指标的确定

地震动强度指标有很多种，常用的有基本周期对应的加速度反应谱（Sa（T1，5%））峰值加速度（PGA）、峰值速度（PGV），各有优缺点，目前并没有统一的方法来表征地震动强度指标。我国规范采用的地震动强度指标是PGA，具有概念清晰、计算简单的特点。在本文算例中IDA分析所需的地震动强度指标选用PGA。结构损伤响应指标有多种表征方法，一般选取较多的有顶点位移、层间位移角或滞回耗能等，必要时可采取多个指标同时考虑。但有时根据不同的地面运动记录强度对结构性能状态的所需特征表述，就可针对性的选取结构性能指标方法。而最大层间位移角θmax直接相关于楼层变形和节点转动，是反映结构破坏的最佳选择，在本文算例中IDA分析的结构损伤响应指标选用最大层间位移角θmax。

（二）加大或减小连梁截面面积

连梁截面加大有助于增加抗剪承载力，但同时连梁分配的剪力也会变大，连梁刚度变强，容易过早的出现刚度和承载力退化。在地震作用下，连梁截面越小，所受的剪力也越小，相反产生的轴力会变大。连梁截面越大，受到的剪力也越大，同时产生的轴力会变小。根据《混凝土结构设计规范》GB50010—2010第11.7.9条，连梁截面设计应尽量控制高跨比不小于2.5来满足抗剪要求较为合理。

（三）大震作用下结构性能分析

在罕遇地震作用下结构的最大弹塑性层间位移角均小于1/110的规范规定限值，层间位移角刚度楼层变化较平缓，说明塔楼的刚度分段均匀。结构整体及各构件的抗震性能满足“罕遇地震作用下不倒”的要求。为了体现结构在罕遇地震中的破坏情况，下面以罕遇地震下产生的最大层间位移角的人工地震波为例，给出局部位置核芯筒的墙体压伤图，框架和剪力墙塑性发育情况。

（四）高层框筒结构各性能水准限值

我国《高层建筑混凝土结构技术规程》3.11条规定将结构的抗震性能划分为五个等级水准，即正常使用、基本使用、修复使用、生命安全、接近倒塌，同时给出了各水准下的宏观判别依据、构件损伤划分以及继续使用可能性等情况。以最大层间位移角θmax作为IDA分析响应指标，并依据我国现行规范以及参考同济大学吕西林相关研究成果确定。小震作用下框筒结构的层间位移角限值为1/800，能满足小震不坏性能目标要求，即认为满足性能水准1要求;而罕遇地震作用下的限值为1/100，能满足大震不倒性能目标要求，即认为满足性能水准5要求。

（五）设置双连梁

双连梁是指两根连梁中部以50或100的水平缝隔开的上下两根连梁，缝隙采用砂浆或减震材料填充。双连梁的实质是减小连梁高度的同时，增加連梁的宽度。如截面400×1000的连梁设置为双连梁后，变为两根400×450的连梁，近似相当于等效为一根800×450的连梁的作用。双连梁在抗剪截面面积基本不变的情况下，受到的剪力会大大降低。对于部分超限的连梁，在采用双连梁设计后，计算结果会满足规范要求。

（六）抗震加强措施

根据上述分析，在施工图阶段采取以下抗震加强措施：（1）严格控制剪力墙和塔楼框架柱的轴压比、剪压比，提高竖向构件的承载力和延性;（2）核心筒内部楼板加厚（150mm），配筋率不小于0.3%、核心筒以外的楼板，配筋率不小于0.25%;（3）塔楼框架柱地下一层～三层内设置构造型钢，第四层设型钢柱过渡层，短柱楼层构造设芯柱，柱子出现损伤的楼层，加大其箍筋直径，使结构刚度沿竖向均匀变化。9～16层局部墙体损伤严重，施工图设计时增大墙身钢筋的配筋率;（4）按中震作用下，框架柱抗剪、抗弯弹性，底部加强部位剪力墙抗剪弹性、抗弯不屈服进行设计;大震作用下，框架柱抗剪、抗弯不屈服，其余标高框架柱抗剪不屈服，底部加强部位剪力墙抗剪不屈服进行设计。

（七）默认连梁超限

在实例设计中，由于种种要求和客观条件限制，上述方法并不一定都可以采用，往往还是不可避免地出现连梁超限的问题。此时根据《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3—2010第7.2.26条：当连梁破坏对承受竖向荷载无明显影响时，可按独立墙肢的计算简图进行第二次多遇地震作用下的内力分析，墙肢截面应按两次计算的较大值计算配筋。因此要考虑在连梁不参与作用的情况下，墙体是否仍然满足配筋要求。实质建模中，需要将连梁两端人为设置为铰支点，或者将连梁做成虚梁来让程序不考虑连梁的作用。失去连梁作用的两边墙体侧向刚度会减小，位移增大，再和连梁作用下的墙体配筋取包络设计，以达到设计要求。此时连梁就变成了墙体结构里的抗震防线，只需要以连梁的最大抗剪承载力计算其两端弯矩即可得到实际需要的配筋。

四、结束语

综上所述，框筒结构因为本身所具备的抗震性能、整体空间工作性能以及水平抗侧能力突出，再加上内外筒之间存在相对较为理想的自由空间，本身极为符合建筑工程设计需求。对于框筒结构设计来说，是否能够将外框筒对应的空间工作性能充分发挥出来，同时降低外框筒对应的“剪力滞后”效应，针对核心筒连梁实施科学合理的设计，是有效保障框筒结构整体设计成功的重要内容。针对框筒结构体系进行科学合理的设计，不但可以显著提升结构本身整体抗震的能力，有效提升结构对应的安全性，同时也能够在经济层面获得较为理想的效果，具有良好的适应性。

参考文献：

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