黄显学,范李劼,章增当,周增柱

(温州设计集团有限公司,浙江 温州 325000)

1 工程概况

本工程包括一栋业务综合楼(1#楼,6层)和一栋防汛车库物资用房(2#楼,2层),1#楼和2#楼之间通过钢连廊连接,1#楼局部地下室(1层)作为设备用房。本工程用地面积12 898 m2,总建筑面积为11 219 m2,其中地上建筑面积10 982 m2,地下室面积237 m2,本文主要介绍1#楼结构设计。1#楼为扇形平面建筑,由弧形的6层主楼和扇形的1层裙房组成,主楼和裙房之间设变形缝分别进行结构设计。建筑效果图见图1。

图1 建筑效果图

1#楼主楼为丙类建筑,结构设计基准期50年,安全等级二级,抗震设防烈度为6度(0.05 g),设计地震分组为第一组,场地类别为Ⅳ类,特征周期0.65 s；地面粗糙度B类,50年重现期的基本风压为0.6 kN/ m2。基础采用φ600先张法预应力管桩,设计等级为丙级,以④-3层圆砾层作为桩端持力层。

2 结构体系及建模分析

1#楼主楼为多层建筑,采用现浇钢筋混凝土框架结构及主次梁楼盖体系,模型使用中国建筑科学研究院PKPMCAD工程部编制的结构分析程序《多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件SATWE》(2010-V4.3.4版)进行结构分析。

2.1 建模方向的确定及对比

1#楼主楼在建模时碰到模型方向的问题。将圆在坐标轴内分成四部分,为保持与建筑图的一致性,模型建在坐标轴第三象限内,制图方便；而根据高规[1]B.0.1-5条对扇形平面风荷载体型系数的规定,扇形对称轴宜与X轴或Y轴重合,两种方案方向差45°,见图2。

图2 模型方案

从体型上分析,模型第一平动会出现在图2箭头方向,宜将最弱轴调至X轴或Y轴,初步考虑采用第二种方案。现通过软件将两种方案建模后,对主要参数进行比较分析,两种方案的参数见表1。

表1 不同方向模型计算指标对比

从表1可以得出以下结论：

1)两种方案建模对周期基本无影响,两个模型周期基本一致,各周期的方向角和最不利地震角相差约45°。

2)1#楼为多层框架结构建筑,对本楼而言,两种方案建模对地震作用下位移角和位移比影响较小,“不利地震作用下最大位移角”两个模型是一致的；抗规[2]规定框架结构6度区最大高度60 m,笔者将两个模型楼层组装至58.1 m,经分析得到各地震力作用下两个模型位移角和位移比相差不大,针对高层及其他结构体型的建筑仍需进一步研究。

3)两个模型的“风荷载作用下最大层间相对水平位移角”相差较大,尤其体现在弱轴方向,方案二Y向“风荷载作用下最大层间相对水平位移角”要比方案一小很多,SATWE仅计算X和Y两个方向的风荷载,方案二更能体现结构薄弱面,当高层建筑由风荷载起控制作用时,应选择方案二进行建模。

综上所述,本次设计模型按方案二进行建模分析。

2.2 结构不规则分析

1#楼主楼存在以下几项不规则项：1)扭转不规则,最大位移比大于1.2；2)楼板局部不连续,2层楼面门厅大开洞,有效板宽38%小于50%。

针对上述不规则项采取的主要措施:1)对于扭转不规则,加大两端边跨柱及梁截面使周期比满足控制在0.88,并考虑偶然偏心计入双向地震的影响,结构计算时采用空间结构计算模型并计入双向水平地震作用下的扭转影响；2)为削弱楼板开洞的不利影响,将2层楼板加厚,双层双向配筋,同时,计算中考虑弹性板,以准确分析楼板削弱处周围构件的内力,确保洞口周边构件的设计安全。另外,笔者使用中国建筑科学研究院PKPMCAD工程部编制的结构分析程序《复杂多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件PMSAP》(2010—V4.3.4版)进行结构指标校核,见表2。

表2 不同软件模型计算指标对比

通过两个不同力学模型的计算软件分析,计算结果相近,各项指标满足规范要求(考虑偶然偏心的地震作用下最大扭转位移比均小于1.4),模型及计算结果合理有效,计算模型符合结构实际工作状况,计算结果可以作为工程设计的依据。

表3为模型各楼层受剪承载力及承载力比值,表中数据显示各楼层受剪承载力均大于其相邻上一层受剪承载力的80%,不存在抗剪薄弱层,属于承载力变化规则的结构；图3为模型楼层刚度比,各层刚度比比值满足规范限值要求。因此,2层大开洞处抗侧刚度无明显突变,对整体影响较小。

表3 楼层刚度比

说明：Ratx1,Raty1(刚度比1):X、Y方向本层塔侧移刚度与上一层相应塔侧移刚度70%的比值或上三层平均侧移刚度80%的比值中之较小值(按抗规3.4.3;高规3.5.2-1)。

图3 多向受剪承载力比简图

3 混凝土和钢筋用量分析

分别从板、梁和柱三方面定性分析1#楼主楼混凝土和钢筋用量：1)扇形平面内圈弧长小外圈弧长大,因此靠近外圈的房间板跨大板厚也大,本次设计一般用房外圈板厚取110 mm,内圈板厚取100 mm,板混凝土用量会较矩形平面混凝土用量大；2)扇形截面存在大量弧形梁,弧形梁软件默认梁抗扭折减系数为1.0,有楼板的普通梁抗扭折减系数为0.4,因此为满足弧形梁抗扭要求,建模时梁宽会加大且梁抗扭筋也会加大,梁混凝土和钢筋用量均较矩形平面的混凝土和钢筋用量大；3)有凹角的建筑容易聚风,在风荷载体型系数取值上,扇形平面根据高规[1],体型系数统一取到最不利值1.5,一般的矩形平面取到1.3,规范[3]规定超过45 m的矩形平面体型系数取到1.4均比1.5小,当结构受风荷载控制时扇形平面受荷载作用更大,结构梁柱混凝土及钢筋用量均会比矩形平面用量大。

笔者将扇形截面换算成等面积矩形截面进行建模分析并进行工程量统计对比。假设扇形平面内径为r,外径为R：

矩形平面宽B=(R-r)；

再将矩形长9等分布置柱网,柱截面和梁截面与原扇形模型一致,板厚按需要布置,矩形平面布置图见图4。经计算,模型指标参数和配筋满足规范要求,对扇形模型和矩形模型分别进行结构工程量统计,结果见表4。

表4 工程量统计

图4 矩形平面布置图

通过工程量统计对比,两个模型柱截面是一致的,因此当矩形平面面积小时,柱混凝土和钢筋含量比扇形平面微高一点；对于梁板的混凝土和钢筋含量,矩形平面比扇形平面小,尤其钢筋含量差距更大。模型统计结果与定性分析基本保持一致,因此在造价方面,矩形平面比扇形平面省。

4 结 语

通过对1#主楼扇形平面,多层现浇框架结构的建模和研究得出以下几点结论：

1)扇形平面采用PKPM建模时,宜将扇形对称轴放置在X轴或Y轴,使得风荷载作用下指标和构件受力更准确。

2)扇形平面弧长较径向方向长,可以采用加强边跨结构构件的方法抗扭；对于门厅大开洞,可以采取加强板并双向双层配筋的方法加强该楼层整体性。

3)在同等条件下,扇形平面比矩形平面的混凝土和钢筋用量更多,费用更高,如想节省造价不宜采用扇形平面。

4)其他结构体系及高层建筑的扇形平面,需另外研究。