重庆某超限框剪办公建筑结构设计与分析

重庆某超限框剪办公建筑结构设计与分析
发布时间：2022-08-15T01:33:41.953Z 来源：《中国建设信息化》2022年27卷4月7期作者：李友波，戴珂, 陈尚城
[导读] 重庆某超限一般办公建筑是框剪结构体系，且存在多个平面不规则、竖向不规则超限项。

李友波，戴珂, 陈尚城
中煤科工重庆设计研究院（集团）有限公司，重庆 400016）
摘要：重庆某超限一般办公建筑是框剪结构体系，且存在多个平面不规则、竖向不规则超限项。

本文简要介绍该建筑工程概况、结构布置、超限情况，并采用SATWE、MIDAS Building、YJK-EP 软件进行小震弹性分析、中震性能分析和大震动力弹塑性分析；采用MIDAS FEA对关键桁架节点进行有限元分析；采用PKPM对悬挑桁架进行挠度分析；结果表明：采取加强措施后，结构各项性能指标均满足规范要求，可以实现预期抗震性能目标要求。

关键词：超限结构；框剪结构；MIDAS Building；MIDAS FEA；YJK-EP；性能目标
1 工程概况
本工程位于重庆市渝北区，由1#（配套商业）、2#B（平层办公栋）、3#A（平层办公栋）、4#（塔楼办公）、5#C（平层办公栋）组成。

其中涉及超限工程为：3#A楼和5#C楼。

本文将对3# A楼超限进行介绍。

3# A楼（平层办公栋）共12层，地下2层，地上10层，总建筑面积约39380m2。

3#A楼使用功能为一般办公建筑。

建筑效果图如图1所示。

图1 建筑效果图
塔楼建筑抗震设防类别为标准设防类（丙类），建筑安全等级为二级，地基基础设计等级为甲级，基础设计安全等级为二级，主体结构耐火等级为一级。

结构设计使用年限为 50 年，建筑抗震设防烈度为6度，基本地震加速度为0.05g，设计地震分组为第一组。

50年重现期基本风压为0.40kN/m2，不考虑雪荷载。

拟建场地属剥蚀丘陵地貌。

场区范围内主要岩土层有素填土(Q4ml)、粉质粘土层(Q4el+dl）、侏罗系中统沙溪庙组（J2s）泥岩和砂岩。

本工程基础形式为桩基础。

2 结构体系
2.1 结构体系概述
本工程塔楼采用框剪结构体系，嵌固端设置在负二层顶板，设置抗震缝将3#A（超限）和3#B（不超限）分开。

嵌固端以上结构主体高度为46.3m，属于A级高度高层建筑[1]。

3# A楼竖向构件分布示意图如图2所示，空间模型如图3所示。

图2 3# A楼竖向构件分布示意图
2.2 抗震等级
根据《建筑工程抗震设防分类标准》[2]、《建筑抗震设计规范》[3]和《山地建筑结构设计规程》[4]中相关条文，3# A楼抗震等级按表1确定。

3 超限情况及抗震性能目标
从前述可知，3#A楼未超过框剪结构最大适用高度112m（抗震不利地段高度限制为80%），高度未超限。

根据《高规》[1]和《重庆市超限高层建筑工程界定规定》渝建发〔2016〕203号文件[5]对结构进行不规则情况[7-8]分析，结果如表2所示。

由表2可知，3#A楼存在扭转不规则、偏心布置、构件间断、承载力突变不规则项，属于超限结构。

表2 3#A楼不规则情况分析
注：表中括号内注明的限值一、限值二、限
值三分别为超过该规定1 项、2 项、 3 项即认定为超限结构的控制指标。

本项目综合考虑抗震设防类别、设防烈度、场地条件、结构特点、建造费用、性能要求等各项因素，按照高规3.11.1和3.11.2条，结构整体抗震拟采用性能目标D级和关键构件性能目标为C级。

各水准地震作用下性能目标如表3所示。

注：括号内性能水准值适用于关键构件。

4 结构计算分析
4.1 小震弹性分析
4.1.1振型分解反应谱法
本工程（3#A楼）采用两个不同力学模型的三维空间分析软件SATWE和MIDAS Building对结构进行小震弹性分析。

两个软件采用振型分解反应谱计算结果比较如表4所示。

从表4可知，两个软件主要指标结果具有较高一致性，验证了计算模型的有效性。

4.1.2弹性时程分析法
根据JGJ 3-2010第4.3.5条要求，多遇地震弹性时程分析总共选用7条波作为时程分析的地震波曲线，其中2条人工波（RH2TG045、RH4TG045），5条天然波（Loma Prieta_NO_742、NO_743、NO_769 、WhittierNarrows-01_NO_608、Chi-Chi_Taiwan-02_NO_2282）。

每条时程曲线计算的底部剪力不小于振型分解反应谱法计算结果65%（最小为92%），多条时程曲线计算的结构底部剪力不小于振型分解反应谱法计算结果80%（平均为103%）。

同时也满足条文说明规定的每条地震波输入计算不大于反应谱分析结果135%（最大为113.9%），平均值不大于反应谱分析结果120%（最大为108%）的要求。

4.2中震计算分析
本工程采用SATWE软件对主体结构进行中震性能分析。

根据前述表3对关键构件提出中震接近弹性，可轻微损坏，耗能构件抗剪截面满足控制条件，抗弯屈服的性能目标进行验算。

中震不屈服验算时，不考虑荷载作用分项系数、材料分项系数、抗震承载力调整系数，材料强度采用标准值。

不考虑地震组合内力调整系数（强柱弱梁，强剪弱弯），最大地震影响系数取0.132。

计算结果显示，结构X、Y向最大层间位移角分别为1/1310（5F）和1/1160（4F），满足小于1/267的规范限值要求。

关键构件基本为正常状态，能满足中震不屈服的性能目标要求。

4.3大震计算分析
4.3.1大震性能分析
采用SATWE软件对主体结构进行大震性能分析。

根据前述表3对关键构件提出大震正截面和抗剪截面不屈服，可轻度损坏，耗能构件抗剪截面满足控制条件，抗弯屈服的性能目标进行验算。

大震不屈服验算时，不考虑荷载作用分项系数、材料分项系数、抗震承载力调整系数，材料强度采用标准值。

不考虑地震组合内力调整系数（强柱弱梁，强剪弱弯），最大地震影响系数取0.308。

计算结果显示，结构X、Y向最大层间位移角分别为1/510（5F）和1/452（4F），满足不大于1/112的规范限值要求。

关键构件基本为正常状态，能满足大震不屈服的性能目标的要求。

4.3.2大震动力弹塑性分析
大震阶段结构弹塑性动力分析采用YJK-EP程序。

根据JGJ3-2010第4.3.5条要求，罕遇地震弹性时程分析总共选用7条波，其中2条人工波（RH1TG055、RH2TG055），5条天然波（NO_2189、NO_2499、NO_2712、NO_2966、NO_2983）。

各条波作用下X、Y方向最大楼层位移角曲线如图4所示。

大震下X、Y分别为主方向时，弹塑性位移角普遍大于弹性位移角，说明结构都已进入非线性，但程度有些不同。

大震作用下7组地震波在X方向平均位移角最大值位于第6层，位移角最大值为1/826，Y方向平均位移角最大值位于第6层，位移角最大值为
1/744；两方向最大层间位移角均小于性能目标层间位移角限值1/112。

5 关键构件分析 5.1关键构件节点分析采用MIDAS FEA对上部悬挑桁架关键节点进行有限元分析。

节点分析选取了受力最大的承重桁架上端和下端节点，模型考虑了节点中的型钢和混凝土，但不考虑普通钢筋有利作用。

荷载采用YJK大震不屈服计算得到的构件各端部内力包络结果；节点柱下端为刚接，其它前后左右梁端以及柱上端均为自由端；典型桁架节点应力云图如图5所示。

力
由图5可知，节点型钢最大应力为280 MPa，小于材料屈服强度（355 MPa），可满足大震不屈服的要求；混凝土最大应力为30 MPa，大于轴心抗压强度（26.8MPa），说明混凝土可能出现损坏情况，但从应力图上看，应力较大部位均为连梁（耗能构件）根部，其它部位混凝土应力较小，可单独提高应力集中位置普通钢筋配筋率，从而提高抗压强度和抗裂性能。

连梁单侧最小配筋率按如下配置后可满足要求： 5.2悬挑桁架单榀计算
为进一步考察悬挑桁架的受力及变形情况，选取单榀桁架运用PKPM进行二维分析，根据结构受力情况对桁架统一施加39kN/m均部线荷载。

桁架挠度图如图6所示。

图6 桁架挠度图
由图6可知，桁架最大挠度为39.5mm，小于规范限值（2L/400=80mm），满足挠度限值要求。

6 结构加强措施
本工程在平面不规则、竖向不规则、大悬挑等方面存在超限情况。

设计中在满足计算要求的同时，还需进行如下加强措施：1）针对位移比较大的框架柱及与之相连的框架梁配筋按中震弹性要求配置，柱箍筋全高加密；
2) 通过增大关键构件周围的框架梁刚度（设置型钢混凝土梁），吸收地震力；
3）对二层穿层柱配筋按中震弹性要求配置，柱箍筋全高加密，并加强洞口四周框架梁柱配筋（梁柱箍筋全长配置，纵筋按计算结果放大1.1被配置）；
4）支撑长悬挑结构的结构抗震等级提高一级（框架按三级，剪力墙按二级）；
5）悬挑桁架的上弦杆延伸进主体两跨布置，并与主体结构的型钢混凝土柱内钢骨刚接连接；
6）悬挑桁架计算时，采用刚性楼板和零刚度楼板假定时的包络设计，采用弹性膜楼板假定作补充计算，并考虑楼板可能开裂对面内刚度的影响，计算时严格控制悬挑桁架杆件应力比不超过0.8，桁架挠度不超过2L/400；
7）对悬挑桁架相邻的主体楼板进行加强处理（楼板厚度按200mm），楼板采用双层双向配筋进行加强；
7 结论
本工程（3#A楼）为规则性超限的单塔结构，采用成熟的钢筋混凝土框剪结构体系。

在设计中采用概念设计和抗震性能化设计方法，根据抗震原则及建筑特点，对整体结构的体系和布置进行了加强。

设计采用多种计算程序进行了弹性和弹塑性的计算，各项指标均满足规范的相关要求。

通过计算分析，针对本工程结构重点和特点采取了一系列抗震计算及抗震构造针对性措施，使本结构在地震作用下有良好的抗震性能，达到了预期的抗震性能目标，各项指标均符合国家规范的要求。

参考文献：
[1] 高层建筑混凝土技术规程: JGJ 3-2010. 北京: 中国建筑工业出版社, 2011.
[2] 建筑工程抗震设防分类标准: GB 50223-2008[S].北京: 中国建筑工业出版社, 2008.
[3] 建筑抗震设计规范: GB 50011-2010 [S]. 2016年版. 北京: 中国建筑工业出版社, 2016.
[4] 山地建筑结构设计标准: JCJ/T 472-2020. 北京: 中国建筑工业出版社, 2020.
[5] 重庆市超限高层建筑工程界定规定: 渝建发(2016)203号[A] . 重庆: 重庆市城乡建设委员会, 2016.
[6] 钟炜辉, 谭政, 宋晓燕, 等. 不同跨度比组合梁柱子结构抗倒塌性能试验研究[J]. 建筑结构学报, 2020, 41(09): 45-55.
[7] Zheng Tan, Weihui Zhong, Limin Tian, et al. Quantitative assessment of resistant contributions of two-bay beams with unequal spans [J]. Engineering Structures, 2021, 242: 112445.。