超限建筑裙房结构设计研究

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［摘要］以某超高层建筑的东侧裙房为例，介绍了塔楼与裙房之间抗震缝设置的情况；针对东裙房，介绍了其超限判断情况及对此类超限建筑制订的抗震性能目标。通过小震、中震、大震的结构计算分析，找出结构的薄弱位置，根据不同位置的结构构件制订不同的性能水准满足既定抗震性能目标的实现。对某些抗震不利位置，如大跨度框架、大悬挑位置支撑柱、大全悬挑梁、越层柱及穿层柱等均提高其抗震性能目标。对结构整体计算参数中的周期、位移角、楼层刚度比、框架承担的地震倾覆弯矩比等参数均做了比较详细的介绍。同时对5层电影院楼板不连续位置做了应力分析。对以后此类超限结构工程具有一定的参考价值。

［关键词］超限；性能目标；大悬挑大跨度；大震不屈服

1工程概况

本工程为某文化艺术中心三馆二期项目，位于济南西部城区的核心区域，一期为美术馆、图书馆、群艺馆。二期为公共及配套设施。二期项目总占地面积46500m2，总建筑面积215023m2，包括1座高层塔楼及裙房和2层地下室，塔楼地上34层，建筑功能为商务办公、五星级酒店；裙房地上6层，高度40m，建筑功能为书城、商业综合体；地下2层为地下车库及设备用房。东西裙房之间±0.000及以上采用双柱设结构永久缝，主塔楼与西裙房之间不设永久缝，为满足建筑功能要求，下部为整体地下室，不设永久缝。主塔楼采用混凝土框架–核心筒结构。东侧裙房采用混凝土框架–剪力墙结构。

2超限情况判别

2.1结构设缝情况

东西裙房之间根据建筑功能要求，设置一道抗震缝。建筑首层平面及抗震缝设置如图1所示。

2.2不规则情况

东裙房超限判别，见表1，同时具有表1所列3项及3项以上不规则的高层建筑工程即为超限高层建筑。从表1中可以看出，本工程满足3项不规则的要求，需要进行超限高层建筑工程抗震设防专项审查。

2.3结构体系

东侧裙房抗震设防类别为乙类，安全等级一级，结构重要性系数1.1。东裙房采用框架–剪力墙结构；剪力墙抗震等级为一级，框架抗震等级为二级。地下1层相关范围（裙房与主楼的相关范围：从主楼和裙房周边外延3跨且不小于20m）的抗震等级同上部结构；超出地下室相关范围的抗震等级为三级。结构南侧临空，采用嵌固端分别位于±0.000和地下1层底的包络设计，±0.000以下不设缝，有利于保持超高层结构嵌固端的整体性，且便于使用与维护，同时避免地下室外墙防水因分缝造成的不利。

3结构性能目标选取

3.1性能目标定义

超限建筑工程的结构设计中，抗震性能设计着重于通过现有手段（计算措施及构造措施），采用包络设计的方法，解决工程设计中的复杂技术问题。抗震性能设计的基本思路是“高延性、低弹性承载力”或“低延性、高弹性承载力”。JGJ3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》中，将结构的性能目标分为A,B,C,D等4个等级；抗震性能分为1,2,3,4,5等5个水准。这4个性能目标的结构，在小震下均满足1的性能水准，即满足弹性设计要求。但在中震或大震情况下，4个性能目标所要求的抗震性能水准有较大差别。A级是最高等级性能目标，中震下满足1的性能水准，即满足弹性，大震下满足2的性能水准，即仍基本处于弹性。B级要求在中震下满足2性能水准，即基本处于弹性，大震下满足3性能水准，即有轻度损坏。C级到D级对性能水准的要求逐级降低。本工程在设计时，西塔楼及东裙房整体均按性能目标C级设计。对局部大跨度、大悬挑、跃层柱及穿层柱等关键构件相应提高其性能目标。

3.2构件类别定义及性能状况

根据JGJ3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》性能目标C的要求，要在小震、中震及大震下满足1,3,4的性能水准，分别对关键构件、部分竖向构件及耗能构件提出不同的承载力要求。东侧裙房性能目标见表2。

4整体计算分析

4.1动力特性分析

考虑扭转耦联时的振动周期（s）、x,y方向的平动系数、扭转系数见表3。由表3可知，结构第一振型为y向平动振型，第二振型为x向平动振型，T2/T1=0.99>0.8；结构第三振型为扭转主振型，结构扭转为主的第一自振周期/平动为主的第一自振周期Tt/T1=0.82<0.9，不属于扭转不规则结构。

4.2层间位移角与扭转位移比

地震作用下的楼层最大位移：小震作用下最大层间位移角，产生于第3层，x,y方向层间位移角分别为1/1215,1/1184，小于1/800满足规范要求。风荷载作用下的楼层最大位移角远小于规范值。本工程属于地震控制工况，且结构楼层层位移比、层间位移比均不大于1.20，不属于扭转不规则结构。

4.3楼层刚度比

楼层刚度比见表4。表4中，Ratx,Raty指x,y方向本层塔侧移刚度与下一层相应塔侧移剪切刚度的比值；Ratx1，Raty1代表x,y方向本层塔侧移刚度与上一层相应塔侧移刚度70%的比值或上3层平均侧移刚度80%的比值中较小者。从表4中可以看出各层刚度比值较为接近，结构没有出现薄弱层。

4.4框架承担的地震倾覆弯矩

结构中框架或短肢剪力墙承担的倾覆力矩信息见表5。表5中，Mov为结构总地震倾覆力矩，Mc为框架部分承担的倾覆力矩。由表5可见，首层剪力墙承担的地震倾覆弯矩，x方向、y方向均大于50%且小于80%，东裙房属于典型的框架–剪力墙结构。

5特殊结构设计

根据计算的5层楼板x向，y向小震和中震作用下轴力分布图趋势，可以发现在楼板开洞、楼板连接薄弱部位、剪力墙围合处拉力较大，对薄弱区板厚加厚为150mm，配筋采用双层双向设计。该位置处的楼板钢筋拉应力按360MPa控制，由楼板大震分析可知，x向大震标准组合作用下楼板大部分范围剪力小于50kN/m，局部最大剪力为85kN/m，均小于楼板抗剪截面限制条件0.15fckbh0=0.15×20.1×130=392kN/m。5层楼板y向小震和中震作用下轴力分布图趋势图拉力也在楼板开洞、楼板连接薄弱部位、剪力墙围合处拉力较大，对薄弱区板厚均加厚为150mm，配筋采用双层双向设计。

6结束语

本工程结构为高度、多项平面及竖向不规则的超限高层建筑，通过对结构的整体计算分析，各项技术指标均能较好地满足结构规范要求；同时根据计算结果采取必要的构造加强措施，对楼板开大洞通过楼板薄弱区域局部加厚、配置双层双向受拉钢筋等措施加强。根据反应谱小震作用、弹性时程分析、静力弹塑性分析结果来看，本工程结构布置可满足既定的抗震性能目标，结构设计方案切实可行，为今后的超限类项目提供数据参考。

参考文献

[1]徐培福，黄小坤.高层建筑混凝土结构技术规程[M].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2]黄世敏，王亚勇.建筑抗震设计规范[M].北京：中国建筑工业出版社，2016.

[3]朱炳寅.高层建筑混凝土结构技术规程应用与分析[M].北京：中国建筑工业出版社，2013.

作者：张南 姚永涛 赵光明 李智 魏强 单位：同圆设计集团有限公司