简析某复杂高层（办公式公寓楼）结构设计

简析某复杂高层（办公式公寓楼）结构设计
韩磊
一、工程概况
本工程位于贵州省贵阳市，北邻延安西路，东靠新建路。为包括超高层综合楼、高层办公式公寓楼及商业裙房、高层住宅楼的城市综合体。
二、结构整体设计与分析
1、主要设计参数
1.1设防标准
本工程抗震设防烈度为6度，基本地震加速度0.05g，第一组。II类场地，特征周期=0.35s。计算地震作用时，采用《GB50011-2001》规定的地震影响系数曲线，多遇地震下地震影响系数最大值采用0.04，设防烈度地震下地震影响系数最大值采用0.115，罕遇地震下地震影响系数最大值采用0.28。结构阻尼比取0.05。
办公式公寓楼的办公塔楼部分抗震设防类别为标准设防类（丙类），公寓楼裙房部分抗震设防类别为重点设防类（乙类），裙房抗震措施按7度要求设置。
1.2目标
多遇地震作用下承载力及刚度完好，按非性能设计相关规定；设防烈度地震作用下关键部位承载力基本完好，裙房收进层及上下两层1-4轴框架柱承载力按不计抗震等级调整地震效应的设计值复核；罕遇地震作用下结构不倾覆，结构整体塑性变形不大于5倍弹性位移限值。
2、结构分析主要结果汇总及比较
2.1分析软件
本工程结构整体计算采用SATWE和PMSAP程序。SATWE Ver2006.10 中国建筑科学研究院CAD工程部；PMSAP Ver2006.10 中国建筑科学研究院CAD工程部；
2.2 主要分析参数说明
抗震设防烈度为6度，II类场地，特征周期=0.35s。
分别采用振型分解反应谱法和时程法计算结构响应，为充分考虑高阶振型影响，振型数满足有效质量系数不小于90%，各振型贡献按CQC组合。
弹性时程分析取地面运动最大加速度为18gal，在场地土周期0.35g的加速度时程库中选取一条人工加速度时程RH1TG03，两条实测加速度时程TH1TG03、TH2TG03。
对楼面不连续或较大楼板缺失部位采用局部弹性楼板假定进行整体结构分析，充分考虑楼板刚度变化较大对水平作用分配的影响。
结构嵌固部位设置在地下室顶板，顶板板厚控制不少于180mm，同时控制地下室与底层侧刚比不少于2.0倍。
考虑到填充墙材料为蒸压加气混凝土砌块，周期折减系数取0.80。
结构水平作用以风荷载控制为主，连梁刚度折减0.8。
3、结构主要动力特性及反应谱法主要结果分析
各种程序的结构输入总信息，各层的质量分布，周期特性、地震力和位移均详见附录。其他主要结果整理和说明如下：
办公式公寓楼 主要分析结果汇总表
SATWE PMSAP

周期 周期 X平动比例(%) Y平动比例(%) 扭转比例(%) 周期 X平动比例(%) Y平动比例(%) 扭转比例(%)
T1 2.87 64 28 8 2.70 65 27 8
T2 2.55 30 70 0 2.40 31 69 0
T3 2.03 6 2 92 1.94 10 6 84
T扭/T平 0.71 0.72
结构总重力 (kN) 1901968 1901966
有效质量系数(%) 96.98%(X) 94.96%(Y) 96.79%(X) 94.87%(Y)
嵌固端刚度比(下/上) 3.88(X) 2.18(Y) 4.00(X) 2.17(Y)
层刚比最小值
（本层/上层） 0.95(X) 0.83(Y) 0.95 (X) 0.83(Y)
楼层抗剪承载力比最小值（本层/上层） 1.00(X) 1.00(Y) 1.00 (X) 1.00(Y)

最大层
间位移 X向地震 1/ 2629 1/ 2993
Y向地震 1/2414 1/ 2799
X向风 1/ 7843 1/ 9122
Y向风 1/ 2304 1/ 2931
扭转位移比 X向 1.31 1.27
Y向 1.34 1.40

基底水平作用/结构总重力 X向地震 0.60 % 0.61%
Y向地震 0.60 % 0.61%
X向风 0.23 % 0.24%
Y向风 0.56% 0.55%
底部总倾覆力矩（kNm） X向地震 332731 345200
Y向地震 348853 338980
X向风 154623 148677
Y向风 437495 401377
柱、墙体最大轴压比 柱： 0.85 墙：0.56 柱： 0.84 墙：0.56
底层框架柱倾覆弯矩百分比 45.1%(X) 39.0%(Y) 46.0%(X) 41.4%(Y)
两个程序计算得到的第1阶模态均为X向平动，第2阶模态均为Y向平动，扭转模态均为第3阶，扭转周期与第1阶平动周期之比满足要求，且两个程序分析结果比较接近。
有效质量系数大于90%，满足要求。
地震作用最大层间位移角1/1955，风荷载下主体结构最大层间位移角1/1116，满足规范要求。
由于结构周期较长，最小剪重比0.7%，略小于6度区推算最小剪重比0.80%，但结果尚在合理范围之内。
墙柱最大轴压比0.80左右，满足规范要求。
两个程序计算结果比较接近，各项指标均满足规范要求。
4、弹性动力时程主要分析结果
3条时程曲线计算的结构响应位移与振型分解反应谱结果比较接近。时程的结构平均响应仅少数楼层略大于反应谱结果，其余均小于反应谱结果。
位移响应曲线基本光滑无突变，仅出屋面小塔楼处因鞭梢效应，有位移响应突变，说明竖向刚度变化平缓。
时程计算楼层剪力分布曲线光滑无突变，底部剪力均大于振型分解反应谱法下的65%，3条时程曲线计算得到的底部剪力平均值大于振型分解反应谱法下的80%，满足规范相应要求。
三、超限对策和结构抗震性能综合评价
本工程底部8层层高较大，底部竖向构件截面作了适当加强，按剪切刚度分析，无刚度突变，从时程分析的结果看，结构的位移响应沿竖向分布较均匀，楼层剪力也没有突变，本工程无薄弱层，地震作用下耗能无明显集中部位，振型分解反应谱结果能安全可靠的适用于本工程。
本工程嵌固端设置于地下室顶板，地下室共四层，地下一层刚度满足嵌固端要求。地下室顶板局部有覆土，板面高差1.15米，地下室右侧设有22米宽下层式广场，地下室顶板设有采光天窗，出入口坡道处楼板连续性也不完整。为保证水平作用传递连续性，洞口周边楼板加厚为250mm，坡道周边另设置剪力墙，并加强坡道板厚度，楼板高差处加大梁高，并采用梁侧向加腋等措施。本工程综合楼框架柱截面较大，加强地下室顶板框架梁截面高度及配筋，使梁柱节点梁端截面实际受弯承载力与柱尽量接近。鉴于地下室顶板开洞及竖向构件截面较大，本工程虽嵌固于地下室顶板，地下室抗震构造措施做适当加强，除地下一层外，地下二层抗震构造措施也加强为同上部结构。
公寓楼在裙房屋面处立面收进达55%，属超限判别中的竖向尺寸突变。对于立面收进层，该层楼板的厚度加厚20mm，配筋率适当加强(增加10％以上)，并采用双层双向配筋。收进部位的竖向构件的配筋适当加强，加强的范围向上、向下各延伸二层。
由于在结构设计中选取了较为合理的结构体系及结构布置，具有明确的竖向荷载传递路线，合理的风荷载及地震作用传递途径，具有必要的承载力、刚度、良好的变形和耗能能力。对结构的薄弱处采取了有效的构造加强措施，从而减小了不规则带来的不利影响，使得结构仍具有良好的抗震性能，具有多道抗震防线，具有合理的刚度和承载力分布，避免出现明显薄弱部位。结构在两个主轴方向的动力特性相近，两个主轴方向的第一自振周期的比值小于0.8。结构整体扭转效应可控，位移比不大于1.4，扭转模态与平动模态周期比不大于0.8。计算结果满足现行规范和规程的要求。
两个程序的计算结果基本一致，只是由于程序在某些方面处理方法在概念上不尽相同，计算结果在数值上存在一定差异，但均在工程上可接受的范围内。

参考文献：
[1]高层建筑结构空间有限元分析软件SATWE、PMSAP和FEQ使用说明.
[2]钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程( JGJ3-2002)[S].北京:中国建筑工业出版社,2002.
[3]混凝土结构设计规范( GB50010- 2002)[S].北京:中国建筑工业出版社,2002.
[4]建筑抗震设计规范(GB50011- 2001)[S].北京:中国建筑工业出版社,2002.
[5]吕西林编.超限高层建筑工程抗震设计指南[M].上海:同济大学出版社,2005.