山地高層建筑

Word版本，下載可自由編輯山地高層建筑1工程概況與場地條件

本工程為以辦公和文化為主的進展項目，總建造面積約11.3萬m2。地上13層，局部有1層地下室，首層層高為15m，其余樓層層高在6～9m之間。主體建造總高度為106.95m，建造物平面尺寸為198m×54m(長×寬)，建造長寬比約為3.7，高寬比為1.98。兩側(cè)形成了36m×9m的大跨度柱網(wǎng)，中部為9m×9m的標準柱網(wǎng)。本工程建造效果見圖1，結(jié)構(gòu)平面布置圖見圖2，剖面圖見圖3。

本工程建造抗震設(shè)防類別為乙類，結(jié)構(gòu)平安等級為二級;建造抗震設(shè)防使用年限為50年，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度為0.1g，設(shè)計地震分組為第一組，建造場地類別為Ⅱ類。在項目設(shè)計之初，擬建場地經(jīng)開挖已形成高度約60m、斜度約70°～75°的巖質(zhì)邊坡(圖4)，并且邊坡已由錨桿舉行了加固，加固根據(jù)滿足邊坡自身的平安，以及提升1度的抗震設(shè)防要求舉行設(shè)計。經(jīng)過專項的抗震審查，因為邊坡設(shè)計未考慮主體建造物傳遞的附加豎向荷載和水平荷載，因此需圖1建造效果圖要建造避讓。對于這樣依山而建，并與山體全都呈退臺形式的建造，假如不能依賴邊坡座位支承和傳力，將給結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來巨大的影響和挑戰(zhàn)。

2結(jié)構(gòu)體系

因為現(xiàn)場山體開挖坡度陡峭，坡體加固處理不能滿足建造物支承和荷載傳遞的需要，使得結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和支承柱不能落在山體邊坡上，且因為建造逐漸縮進，會導(dǎo)致樓層質(zhì)心與剛心逐漸縮進、抗側(cè)力構(gòu)件不延續(xù)、結(jié)構(gòu)自身抗傾覆及崩塌能力極弱等不利因素。針對這種體型特殊復(fù)雜的特別復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)，必需將變化異樣的體型及設(shè)計限制條件轉(zhuǎn)化為有序和可行的結(jié)構(gòu)體系，才干確保工程的牢靠性和平安性。利用現(xiàn)場對山坡坡頂、坡底的具體勘察，坡底具有良好的中風化石灰?guī)r持力層，具備擔當塔樓產(chǎn)生的豎向荷載和水平荷載的能力，而坡頂結(jié)構(gòu)的受力點必需遠離邊坡的邊緣，以降低塔樓荷載對邊坡穩(wěn)定性可能產(chǎn)生的影響，在水平方向設(shè)計與巖石咬合的抗剪鍵以反抗推力，并確保其在多遇地震到罕遇地震作用下的平安性。

具備以上條件之后，再利用適當?shù)慕Y(jié)構(gòu)傳力形式，將塔樓產(chǎn)生的豎向荷載和水平荷載有效地傳遞到坡頂和坡底，結(jié)構(gòu)傳力途徑暗示見圖5，圖5中G1，G2均為重力。由圖5可以看出，上部結(jié)構(gòu)的分量和水平荷載一方面利用轉(zhuǎn)換梁傳遞至坡頂支座基礎(chǔ)，另一方面利用轉(zhuǎn)換柱及端部剪力墻和斜墻傳遞至坡底基礎(chǔ)，豎向荷載對坡頂產(chǎn)生的內(nèi)推水平荷載對邊坡穩(wěn)定有利。依據(jù)上述設(shè)想，建立具有框架和剪力墻雙重體系，并由支撐斜柱、斜墻和轉(zhuǎn)換梁聯(lián)系的特別結(jié)構(gòu)形式，塔樓結(jié)構(gòu)模型。

3斜墻及斜墻處樓板處理

本項目結(jié)構(gòu)依山而建，在①～⑤軸，瑏瑩～瑐瑣軸之間布置斜墻，斜墻一方面?zhèn)鬟f從上部轉(zhuǎn)換梁傳來的豎向荷載，另一方面擔當X向地震作用和風荷載作用，端部斜墻布置與豎向荷載傳遞路徑暗示如圖7所示，斜墻傾斜角度約60°～80°。7層處因為直墻和斜墻的折角可使該層樓板擔當一定的拉力。結(jié)構(gòu)分析表明，在豎向荷載標準組合作用下，僅靠此處樓板本身擔當拉力時樓板拉應(yīng)力較大，初步設(shè)計時在此處樓板下部設(shè)置交錯斜撐分擔樓板拉應(yīng)力，保證樓板在豎向荷載作用下不產(chǎn)生過大的拉力，舉行交錯斜撐分析設(shè)計時偏保守地采納樓板開裂的剛度以盡可能分擔更多的拉力。

4主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件

剪力墻采納混凝土材料，其厚度在底部最大為1000mm，個別剪力墻因為底部局部剪力較大，在內(nèi)部配置了鋼板或型鋼，形成鋼板剪力墻或鋼骨剪力墻。上部結(jié)構(gòu)的剪力墻厚度由1000mm減小至700mm(端墻)和600mm(中部墻)，剪力墻的混凝土強度等級為C50。因為結(jié)構(gòu)變形和承載力較大，需要適當增強柱子的剛度和承載能力，因此，逼近邊坡一側(cè)的框架柱主要為型鋼混凝土柱。柱截面尺寸介于1000×1000～1500×1500之間。遠離邊坡一側(cè)的框架柱普通為一般混凝土柱。而對于在傳力體系中起關(guān)鍵作用的斜柱則所有采納1200(1800)×3000的型鋼混凝土矩形柱(含鋼率6%)。轉(zhuǎn)換梁的跨度約為30m，截面高度為3000mm，為型鋼混凝土梁(含鋼率5%～6%)，以保證轉(zhuǎn)換梁具有足夠的剛度和承載能力。建造兩端跨度36m的樓板采納大跨度鋼蜂窩梁板結(jié)構(gòu)(圖8)，將結(jié)構(gòu)和機電空間結(jié)合在一起，從而獲得較好的使用空間。其他部分樓層結(jié)構(gòu)采納一般混凝土梁板體系，并對整體樓板舉行應(yīng)力分析和設(shè)計，為保證樓板具有足夠的平面內(nèi)剛度、保證水平力的轉(zhuǎn)遞以及滿足大跨區(qū)域使用的舒服度設(shè)計要求，將部分樓板的厚度增大至200mm。

5性能化抗震設(shè)計

考慮到坡地高層建造抗震設(shè)計的復(fù)雜性和本結(jié)構(gòu)的特點，采納傳統(tǒng)的抗震設(shè)計指標難以對結(jié)構(gòu)體系的真切表現(xiàn)做出評價，因此在抗震審查確認將本工程總體定性為特別類型的高層建造后，采納性能化抗震設(shè)計思想和辦法舉行結(jié)構(gòu)設(shè)計是本項目的必定之選。按照本工程的超限狀況和結(jié)構(gòu)特點，以及場地條件、社會效益、結(jié)構(gòu)的功能和構(gòu)件重要性，并考慮經(jīng)濟因素，結(jié)合概念設(shè)計中的“強柱弱梁、強剪弱彎、強節(jié)點弱構(gòu)件”的基本概念，將本工程結(jié)構(gòu)總體的抗震性能目標定為C級。結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件為轉(zhuǎn)換柱、轉(zhuǎn)換梁、支承大跨梁的端部剪力墻以及受拉樓板處加強的面內(nèi)支撐構(gòu)件;耗能構(gòu)件為框架梁、連梁;一般豎向構(gòu)件為剪力墻、框架柱。按照設(shè)計條件及要求，為保證此建造的平安性，實際抗震設(shè)計的設(shè)防烈度采納較當?shù)靥嵘欢鹊臉藴逝e行設(shè)計，抗震措施根據(jù)乙類建造的要求加強，詳細性能化抗震設(shè)計目標［3］見表1。

6結(jié)構(gòu)分析

因為結(jié)構(gòu)的特別性，計算模型基本按實際狀況考慮，采納ETABS建立模型(圖9)舉行彈性分析，同時通過MIDAS建立模型檢驗分析結(jié)果。其中，剪力墻采納殼單元模擬，部分樓層局部樓板因承受了較大的面內(nèi)荷載，采納殼單元來模擬樓板的面內(nèi)應(yīng)力變化狀況。

6.1自振周期本工程采納ETABS和MIDAS兩種軟件舉行彈性分析，塔樓的前6階周期和振型如表2所示，第1扭轉(zhuǎn)周期T3與第1平動周期T1的比值為0.74(按ETABS計算結(jié)果)，滿足高規(guī)［3］要求。

6.2樓層剪力和傾覆力矩分配表3為按ETABS模型計算得到的小震作用下及風荷載作用下基底總剪力和基底總傾覆力矩。圖10～12分離為地震作用下剪力、傾覆力矩及剪重比沿樓層的分布。小震作用下產(chǎn)生的基底總剪力與基底總傾覆力矩為風荷載作用下的4倍以上，是主要的水平荷載。

6.3最大層間位移角樓層的最大層間位移角如表4所示，由表可知，無論在風荷載作用下還是地震作用下，最大層間位移角均遠小于規(guī)范限值1/800。究其緣由，一方面是由于外荷載較小，結(jié)構(gòu)響應(yīng)小;另一方面為塔樓抗側(cè)力構(gòu)件截面尺寸由軸壓比、整體穩(wěn)定性和承載力圖12地震作用下剪重比沿樓層分布圖控制，不宜進一步減小。

7罕遇地震作用下的非線性地震反應(yīng)分析與抗震性能評價

為達到在罕遇地震作用下防崩塌的抗震設(shè)計目標，采納以抗震性能為基準的設(shè)計思想和以位移為基準的抗震設(shè)計辦法。非線性分析采納LS-DYNA軟件舉行，依據(jù)表1所設(shè)定的抗震性能目標，采納七條地震波計算結(jié)構(gòu)在地震作用下的非線性響應(yīng)，阻尼比為0.05，其目標譜采納規(guī)范反應(yīng)譜，Tg取值根據(jù)《建造抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011—2023)［4］(簡稱抗規(guī))要求增強0.05s。按照本項目基底嵌固于地面和8，9層轉(zhuǎn)換梁嵌固于60m高的山坡頂端的特點，參考抗規(guī)關(guān)于山地建造水平地震影響系數(shù)放大的規(guī)定，討論山體地震波傳遞特點后，本次計算需在基底和8，9層轉(zhuǎn)換部位施加多點激勵。輸入X向為主的地震波后，七條地震波計算的層間位移角最大值為1/149，平均層間位移角為1/211，見圖13，滿足抗規(guī)1/100的層間位移角限值的要求。輸入Y向為主的地震波后，七條地震波計算的層間位移角最大值為1/100，平均層間位移角為1/117，見圖14，滿足抗規(guī)1/100的層間位移角限值的要求。

8山地建造地震作用的討論

8.1山地建造的地震作用放大系數(shù)按照抗規(guī)第4.1.8條，本項目的山坡場地條件符合條文的規(guī)定，局部突出地形頂部的地震影響系數(shù)的放大系數(shù)λ為［4］:λ=1+ξα(1)式中:ξ為附加調(diào)節(jié)系數(shù)，與建造場地距離突出臺地邊緣的距離L1與相對高差H的比值有關(guān);α為局部突出地形的地震驚參數(shù)的增大幅度，與突出地形的高度H、巖質(zhì)和非巖質(zhì)地層以及建造場地距離突出臺地邊緣的側(cè)向平均坡降角度有關(guān)。計算表明，本場地地震影響系數(shù)的放大系數(shù)λ=1.6?？梢娍挂?guī)的計算公式本身已考慮了突出臺地形的高差、坡降角度以及場地突出臺地邊緣的相對距離、巖質(zhì)和非巖質(zhì)狀況對于地震影響系數(shù)的影響。因此公式本身對于臺地建造的地震作用估算是適合的。但是，本項目的特別性在于本建造同時支承于坡頂和坡底，因此對于此類復(fù)雜建造坡頂部的地震激勵除了至少滿足抗規(guī)的要求外，尚應(yīng)估算山坡本身的動力特性對于地震波傳遞和上部結(jié)構(gòu)的影響。

8.2場地的地質(zhì)條件擬建場地東南側(cè)正舉行邊坡開挖，邊坡主要為巖質(zhì)邊坡，巖坡向西北傾斜，邊坡總高度約為60m。西北側(cè)為剛建成的道路，西南、東北兩側(cè)為空地，總體地形如圖15所示，剖面及現(xiàn)場分離見圖3，4。坡底的持力層為中風化石灰?guī)r﹐巖層距離地面約0.5～2.5m﹐籠罩層主要由中硬～懦弱土構(gòu)成，總體上屬Ⅱ類中軟場地土;坡頂?shù)某至右矠橹酗L化石灰?guī)r﹐巖層距離地面約0.0～1.30m﹐籠罩層主要由耕土構(gòu)成﹐總體上屬Ⅱ類軟場地土。本項目坡頂采納豎向支座(豎向受力樁)和水平支座(抗推力樁)分別的形式，如圖5所示，按照設(shè)計要求，籠罩層需要整體鏟除，因此坡頂?shù)牡卣鸺钍侵苯永没鶐r傳遞的。

8.3山坡對于地震作用的影響分析

8.3.1坡頂?shù)卣痼@作用估算按照場地的地質(zhì)條件，對山坡舉行簡化的二維和三維有限元模擬分析。結(jié)果表明，巖質(zhì)山坡的基本周期在0.1s左右，而擬建場地勘察期間考慮籠罩層的場地微震測試成績建議囫圇場區(qū)的卓越周期可采納0.158s，可見巖質(zhì)山坡本身的彈性剛度十分大，從地震波的傳遞和反應(yīng)譜邏輯看，本項目山坡為短周期時(卓越周期0.1～0.16s)，坡底和坡頂?shù)南辔徊钗⑿?，即位移差對結(jié)構(gòu)的影響不大，但是相應(yīng)的加速度放大效應(yīng)卻很顯著。圖16，17分離為采納二維有限元模擬分析山坡時得出的坡頂和坡底加速度及位移時程曲線(人工波2)比較。圖16坡頂和坡底加速度時程曲線(人工波2)由圖16，17可見，坡頂?shù)牡卣鸺铀俣确逯递^坡底的放大較多，但坡頂、坡底的位移時程則基本全都。因此舉行時程補充地震分析時，坡頂和坡底需輸入相應(yīng)的地震波舉行多點激勵計算，以評估結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。

8.3.2山坡動力特性的影響結(jié)構(gòu)分析表明，山坡本身的動力特性對于結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)有較大的影響，而山坡的動力特性與其自身在各水準地震作用下進入塑性的程度有關(guān)。因為貴陽市屬于6度區(qū)，普通在罕遇地震作用下，巖石山坡的剛度退化很小。因此，討論了巖質(zhì)山坡基本周期在0.10～0.20s之間時對于本項目的設(shè)計影響，圖18為人工波作用下且山坡基本周期為0.2s時，結(jié)構(gòu)各部位的擬加速度反應(yīng)譜。圖18結(jié)構(gòu)各部位的擬加速度譜(人工波2)由圖18可見，當山坡的基本周期在0.2s以內(nèi)時，山坡具有足夠大的剛度，可避開山坡與結(jié)構(gòu)的基本振型重疊，即避開山坡與結(jié)構(gòu)發(fā)生共振現(xiàn)象而令地震作用顯著放大。由此可知，現(xiàn)有些結(jié)構(gòu)設(shè)計基本可以實現(xiàn)極端狀況下山坡和建造各自都可以較為自立，互相干擾效應(yīng)很小。

8.3.3山坡動力特性的進一步討論為進一步探討山坡動力特性對建造的影響，以本項目的模型為例，假設(shè)山體為土質(zhì)，即假設(shè)山體的剛度大大減小，則可預(yù)見，因為土質(zhì)山體本身的基本周期較長，山體和結(jié)構(gòu)有可能發(fā)生共振效應(yīng)，圖19為調(diào)節(jié)山體材料為土質(zhì)后，假定卓越周期為0.3s時的結(jié)構(gòu)各部位的地震響應(yīng)。由圖19可見:1)因為山坡下部結(jié)構(gòu)的低階振型都是短周期的狀況，因此下部結(jié)構(gòu)與山坡發(fā)生了顯然的共振現(xiàn)象，引起整體結(jié)構(gòu)包括上部結(jié)構(gòu)地震圖19結(jié)構(gòu)各部位的擬加速度譜(假設(shè)土質(zhì)山坡)加速度譜值的顯著增大;2)上部結(jié)構(gòu)本身的基本振動邏輯受山坡的影響程度不如下部結(jié)構(gòu);3)整體結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)顯著增大。以上探討討論表明，山坡的地質(zhì)狀況和動力特性對于邊坡建造的地震響應(yīng)影響很大，舉行具體勘察和合理的分析評估很有須要。

9結(jié)論

(1)本工程作為山地條件下的特別類型的高層建造，通過斜墻、斜柱和轉(zhuǎn)換梁的結(jié)構(gòu)形式解決了山坡地形退臺建造的坡頂和坡底支撐的問