湖北枣阳东方明珠城住宅小区抗震设计

　　摘要：现在很多高层结构由于建筑功能要求和受场地限制、建筑美观的要求，在平面上要底层大空间，立面体型复杂。因此要求结构工程师在抗震设计时给予充分的考虑，本文以湖北枣阳东方明珠城高层建筑结构的工程为例进行阐述，以供同行参考，并提宝贵意见
　　关键词：抗震设计；结构设计
　　高层剪力墙住宅近20年在我国得到迅速发展,但高层剪力墙结构在我国还没有经受过地震特别是强震的考验。《高层建筑混凝土结构规程》(JGJ3-2002)对这类结构的相关规定借鉴了不少国外的经验。在工程设计中,由于住宅建筑在使用上的一些特殊性,造成结构构件尺寸比例的不合理,如:连梁的跨高比较小等。另外,还有一些因在设计时未考虑的因素，而造成的不合理设计,如:楼板钢筋对连梁抗弯承载力的增强作用。这些都会直接影响到连梁的工作性能。本文结合工程案例进行抗震设计分析。
　　1.工程概况
　　湖北枣阳东方明珠城（一期）位于湖北省襄樊市枣阳，建筑面积：126042平方米，由伸缩缝分为两部分。地下一层，地上三十三层，建筑高度：99.95m。高层部分为框架剪力墙结构,抗震设防类别丙类,结构安全等级二级,地震加速度：0.5g，抗震设防烈度6度,主楼剪力墙、框架抗震等级均为三级,裙房部分为框架结构,框架抗震等级为四级。基础类型采用人工挖孔桩施工。
　　2.结构设计
　　2.1本工程设计特点和难点:
　　1.根据建筑功能要求，六层以下希望有尽可能大的自由灵活空间，柱网要大，剪力墙要尽量少，六层以上梁高度受限，开间进深小且变化多。因此，在结构选型上，上部采用框架剪力墙体系，保证结构具有较好的抗侧刚度和一定的延性，下部采用框支剪力墙体系。
　　2.因受场地限制，建筑平面西宽东窄，结构布置抗扭刚度难以调整。且沿竖向建筑功能改变三次，立面体型复杂。
　　3.本工程转换层位置较高，在六层顶设置转换层，属于高位转换，转换形式为梁式转换。根据《高规》10.2.5条规定，故本工程框支柱、剪力墙底部加强部位的抗展等级定为二级。.
　　4.上部结构在16层处建筑功能再次变化，结构部分墙柱轴网变化，形成局部梁上托柱的转换。设计中转换梁采用型钢混凝土梁，构件截面减小，承载能力提高，变形能力强，延性性能优越。
　　2.2结构的体型判别
　　1.本工程总高度为99.95m，满足《高规》表4.2.2-1条规定.长宽比为L/B=64.5/12.65=5.1<6满足《高规》表4.2.3-1条规定。因建筑平面呈锯齿形阶梯变化，虽然平面每阶的突出部分的l/b均满足4.3.3条规定，但应控制结构抗扭刚度和层间位移差的比值满足规范要求，详见后面论述。
　　2.本工程转换层设在六层，根据《高规》10.2.2条规定:底部大空间部分框支剪力墙高层建筑结构在地面以上的大空间层数，.6度时其层数可适当增加。故符合规范要求。
　　3.平面规则性判别：根据pkpm的计算结果，楼层的最大层间位移与楼层的平均位移的比值:X方向为1.19，Y方向最大为1.290,Y方向超过1.2，但不超过3.4.3-1条规定的1.5，属于扭转不规则。从住宅标准层平面一可以看出，16~30层每隔2层有1层楼板局部凹入，其B/Bmax=11.7/30.4=0.38>0.3，属于凹凸不规则。从主宅标准层平面二可计算出楼板开洞面积7.0X7.2/1024=5%<30%，故楼板连续。通过以上分析可以看出，本工程属于平面不规则结构。
　　3结构抗震设计
　　3.1结构选型
　　根据底部2层裙房大空间布置和上部住宅的要求,工程采用框支—剪力墙结构体系。为保证下部能最大限度实现大空间的功能,设计中把转换层设在第3层顶板处,采用梁式转换,结构受力途径明确。
　　3.2结构计算结果分析
　　工程采用pkpm软件进行分析计算。为保证结构设计能够涵盖结构的实际受力状态,分别采用了底板嵌固和顶板嵌固两种力学模型。当采用地下室顶板作为嵌固端时,整个建筑变为两个独立的结构单元,即附楼A和主楼B。当采用地下室底板作为嵌固端时,结构则成为由地下室相连的多塔楼结构。无论哪种计算模型,都存在质心分布不均匀、双向偏心、扭转效应十分明显的情况。因此通过在结构单元的端部、电梯楼梯间布置剪力墙抗侧力结构,调整剪力墙墙厚和在剪力墙上开洞,增加扭转刚度。具体措施是:在电梯楼梯间布置剪力墙形成核心筒,并加厚此处的剪力墙,使平面刚度重心相对平面形心往右下方移动,并适当加高和加宽周边框架梁的方法,经反复调整、试算,使平面质心与形心尽量接近,减小结构扭转效应。结构自振周期及风荷载与水平地震作用下的主要计算结果见表1、表2,均满足规范规定的限值。同时对水平构件进行弹性楼板与刚性楼板两种假定,分别计算梁、柱配筋,设计时取两者较大值。
　　表1结构自振周期
　　塔类型 周期 周期比
　　 T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 Tt/T1<0.9
　　单塔A 1.47 1.38 1.24 0.41 0.40 0.35 0.21 0.84(t=3)
　　单塔B 2.13 1.74 1.47 0.56 0.52 0.44 0.28 0.82(t=2)
　　多塔 2.24 1.87 1.52 0.93 0.78 0.55 0.31 0.83(t=2)
　　
　　表2主要计算结果
　　计算项目 水平地震作用 风荷载 规范要求
　　 x向 y向 x向 y向 
　　基底剪力/kN A塔 4808.75 5080.03 2378.9 2662.1 
　　 B塔 5225.71 4747.19 2543.7 2980.4 
　　 多塔 10228.50 10045.70 5034.2 5548.3 
　　剪重比/% A塔 2.02 2.04   >1.60
　　 B塔 1.69 1.69   
　　 多塔 1.66 1.64   
　　最大层间位移角（δmax/h）rad A塔 1/3464 1/3466 1/9999 1/9999 <1/1000
　　 B塔 1/2953 1/2028 1/9999 1/4384 
　　 多塔 1/2879 1/1979 1/9999 1/4205 
　　最大层间位移与平均位移比 A塔 1.14 1.24 1.17 1.14 <1.40
　　 B塔 1.31 1.02 1.08 1.01 
　　 多塔 1.27 1.19 1.09 1.08 
　　有效质量系数/% A塔 99.90 99.71   >90
　　 B塔 99.86 99.50   
　　 多塔 99.89 99.67   
　　注：δmax为最大层间位移，h为层高。
　　3.3转换构件的计算
　　除整体计算外,对工程中主要受力构件—框支梁与框支柱单独进行受力和变形分析。采取措施如下述。
　　1)框支梁截面600mm×1800mm~600mm×2000mm。
　　2)框支柱截面1000mm×1000mm,按照规范,框支柱按规范进行调整,调整后,转换层中全部框支柱承受的地震剪力大于底部剪力的30%,加大了框支柱的抗震储备。
　　3)为保证下部空间整体结构有适宜的刚度、强度、延性和抗震能力,尽量强化转换层下部主体结构的刚度,使转换层上下部主体结构的刚度及变形特征尽量接近,计算中定义1~3层为薄弱层,计算中乘以1.15的放大系数,以加强转换层下部的强度。
　　3.4加强底部大空间结构到上部住宅结构的过渡区域的构造措施
　　1)核心筒作为抗震的主要构件,核心筒的刚度一直延续到层6,即核心筒剪力墙截面到层7才改变,以加强此处的抗剪刚度。
　　2)加强层3的刚度,板厚取180mm,双层双向配筋φ12mm@150mm。周边框架梁增加纵向抗扭钢筋,形成楼板的平面内边框。
　　3)在上、下层暗柱无法连通的情况下,在相应下层剪力墙顶部设框架梁,框架梁刚度足够大,以保证上部暗柱中钢筋的锚固长度,增强暗柱的刚度。
　　4)除对转换层、框支柱进行重点加强外,对转换层以上的相邻两层剪力墙亦进行重点加强:剪力墙端部暗柱竖向钢筋和箍筋以及剪力墙水平和竖向分布钢筋的构造要求均按相应的抗震等级提高一级。
　　5)对转换层以上跨高比<2及内力较大的连梁,在梁内增设交叉斜筋以提高抗剪能力并增加延性。
　　6）在结构计算过程中，重点控制以下的目标参数，经过多次调整优化，使之达到规范要求，主要有如下七个：
　　1、轴压比：主要为控制结构的延性，规范对墙肢和柱均有相应限值要求，见抗规6.3.7和6.4.6。
　　2、剪重比：主要为控制各楼层最小地震剪力，确保结构安全性，见抗规5.2.5。
　　3、刚度比：主要为控制结构竖向规则性，以免竖向刚度突变，形成薄弱层，见抗规3.4.2。
　　4、位移比：主要为控制结构平面规则性，以免形成扭转，对结构产生不利影响。见抗规3.4.2。
　　5、周期比：主要为控制结构扭转效应，减小扭转对结构产生的不利影响，要求见高规
　　6、刚重比：主要为控制结构的稳定性，以免结构产生滑移和倾覆，要求见高规。
　　7、层间受剪承载力比：控制竖向不规则性；要求见高规。
　　4结论
　　高层建筑结构抗震设计需要详细的分析计算、概念设计和有效的构造措施加以保证。
　　1)重视结构方案设计，采用合理的结构布置，以解决地震和风荷载带来的不利影响。
　　2)采用多种不同计算模型进行结构整体计算以及重要部位的局部计算,保证结构设计能够涵盖结构的各种实际受力状态。
　　3)采取结构措施加强裙房与主楼连接处的薄弱部位,设置梁式转换结构。
　　4)对受力复杂、扭转效应大的构件，在有条件的情况下，应用专业的有限元软件如ansys进行应力分析，和satwe的计算结果进行比对。
　　5）考虑现场施工的难易程度，尽量使设计的结构既安全经济，又方便施工。
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