趙仕興，唐錦蜀，蔣正濤，劉家喜

(四川省建筑設(shè)計(jì)院，四川成都610017)

1 工程概況

四川省投資集團(tuán)有限公司調(diào)度中心位于成都市天府大道東側(cè)，為一大型甲級寫字樓。大樓由三層地下室、四層裙房和其上南北兩座塔樓組成。地下室層高為3.500～5.400 m，裙房層高為5.200～4.800 m，辦公樓層高均為4.000 m。兩塔樓總高度分別為89.400 m、97.400 m。

本工程總建筑面積約為10×104m2。附建筑實(shí)景照片(圖1、圖2)。

圖1 四川省投資集團(tuán)有限公司大樓

圖2 施工中照片

2 本工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

由于建筑平面復(fù)雜、豎向體型變化較大，為本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來了一定的難度，主要表現(xiàn)在以下幾方面。

(1)南北兩塔樓因建筑周邊設(shè)置幕墻原因在16層以下無法分為兩個(gè)獨(dú)立結(jié)構(gòu)單元，僅在四層、六層和十六層有較強(qiáng)連接(連接寬度約為33 m，占塔樓總寬度的45%)，其余各層僅用走廊連接(連接寬度約為5 m，占塔樓總寬度的7%)，在16層以上分開為兩獨(dú)立結(jié)構(gòu)單元，形成弱連體結(jié)構(gòu)(圖3、圖4)。

(2)建筑平面上大下小，在東西方向端頭尤為突出，造成部分框架柱為外斜，在一層斜柱和內(nèi)部框架柱合為一根，形成分枝柱。

(3)混凝土筒體偏心較大，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)難以控制。

(4)建筑東西兩側(cè)由于設(shè)置通高的中庭，形成高達(dá)40 m的單層索網(wǎng)玻璃幕墻，水平向單索拉力約為600 kN，豎向單索拉力約為180 kN，水平索支承于兩塔樓鋼筋混凝土筒體和鋼管混凝土柱上，豎向索支承于裙房頂部標(biāo)高和16層的鋼桁架上，單索對主體結(jié)構(gòu)的影響較大。

(5)主樓典型柱網(wǎng)尺寸為8.4 m×10.5 m，標(biāo)準(zhǔn)層層高為4.0 m，裝修完凈高要求不小于3.0 m，結(jié)構(gòu)、水、電、空調(diào)、吊頂高度合計(jì)不大于1.0 m，筒體周邊走廊處結(jié)構(gòu)高度不得大于0.5 m。

(6)入口雨蓬懸挑長度達(dá)13 m，雨蓬桁架支承于30 m跨的鋼桁架上。

本工程屬于抗震超限高層建筑，通過了四川省建設(shè)廳組織的超限高層建筑抗震設(shè)防專項(xiàng)審查。

3 結(jié)構(gòu)選型和布置

工程設(shè)計(jì)使用年限為50 a，結(jié)構(gòu)安全等級為二級，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級為甲級。

抗震設(shè)防烈度為7度，基本地震加速度為0.10g，建筑場地類別為Ⅱ類，抗震設(shè)防類別為丙類，設(shè)計(jì)地震分組為一組。

采用鋼筋混凝土筒體—鋼框架結(jié)構(gòu)，抗側(cè)力體系由2個(gè)鋼筋混凝土筒體、兩榀豎向支撐和鋼框架組成。筒體剪力墻抗震等級為一級，連接體附近剪力墻為特一級。

利用建筑中部的樓、電梯間、設(shè)備用房形成中部鋼筋混凝土核心筒體，筒體角部和重要連接部位內(nèi)置型鋼，沿建筑周邊布置鋼管混凝土框架柱。因塔樓兩翼伸出核心筒較長，在塔樓端部布置豎向鋼支撐，采用偏心支撐。結(jié)合建筑布置，在四層、六層和十六層設(shè)置大型水平鋼桁架將兩塔樓連接，鋼桁架上部設(shè)置200 mm厚度的現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板以加強(qiáng)兩塔樓的連接。

為了減小筒體周邊走廊處結(jié)構(gòu)的高度，垂直于筒體周邊方向設(shè)置次梁，同時(shí)將鋼梁高度在走廊處減矮至380 mm以保證使用高度。典型框架梁截面為H550×200×10×18，典型次梁截面為H550×200×8×20。

將建筑物端部和與索幕墻相連的鋼管混凝土柱截面加大至700×900 mm，并保持豎向不變，以提高結(jié)構(gòu)的抗扭能力。

基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土筏板基礎(chǔ)，地基持力層為稍密卵石～中密卵石層。裙房部分筏板基礎(chǔ)下設(shè)置抗浮錨桿解決裙房抗浮問題。

圖3 七、十五層平面布置

圖4 四、六、十六層平面布置

4 計(jì)算分析

采用中國建筑科學(xué)研究院PKPM工程部編制的PKPM系列SATWE和美國CSI公司開發(fā)的ETABS軟件進(jìn)行計(jì)算。

4.1 計(jì)算結(jié)果

4.1.1 STAWE與ETABS反應(yīng)譜彈性計(jì)算

計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 STAWE與ETABS反應(yīng)譜計(jì)算

4.1.2 STAWE多遇地震彈性動(dòng)力時(shí)程分析

地震波選用:選用SATWE自帶的人工波RH2TG035和四川省地震局提供的天然波TH3TG035 TH4TG035，地震加速度峰值為37 cm/s2。

主要計(jì)算結(jié)果如表2(括弧內(nèi)為與反應(yīng)譜法地震力之比值)。

表2 STAWE多遇地震動(dòng)力時(shí)程分析

彈性動(dòng)力時(shí)程分析法與STAWE反應(yīng)譜法結(jié)果吻合，并滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ3－2002)第3.3.5條要求。

4.1.3 STAWE罕遇地震彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析

采用彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析法(EPDA)進(jìn)行彈塑性分析(表3)。

地震波選用:選用SATWE自帶的人工波RH2TG035和天然波TH3TG035、TH4TG035，地震加速度峰值為220 cm/s2。

表3 最大彈塑性層間位移角(△u/h)

最大彈塑性層間位移角遠(yuǎn)小于規(guī)范限值(1/100)，主要承重構(gòu)件上也未出現(xiàn)塑性鉸，結(jié)構(gòu)滿足大震不倒的設(shè)防要求。

4.1.4 性能設(shè)計(jì)

本工程各構(gòu)件的抗震性能目標(biāo)如下:

鋼管混凝土柱、抗震墻、連接體鋼桁架:小震彈性，中震不屈服，大震允許進(jìn)入塑性，控制結(jié)構(gòu)變形。

連梁、框架梁:小震彈性，中震可以屈服，大震允許進(jìn)入塑性，控制結(jié)構(gòu)變形。

4.2 ANSYS節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分析

對鋼管混凝土樹狀節(jié)點(diǎn)在工程荷載下進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。部分結(jié)果如下(圖5～圖7)。

5 試驗(yàn)

結(jié)合本工程的特點(diǎn)，委托重慶大學(xué)進(jìn)行了鋼管混凝土樹狀節(jié)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)和1∶150風(fēng)洞模型試驗(yàn)。

5.1 鋼管混凝土樹狀節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)共選取了6個(gè)1/2比例的試件，分為兩組。第一組檢驗(yàn)節(jié)點(diǎn)周邊梁上作用豎向荷載時(shí)，鋼梁與鋼管混凝土柱的連接性能、極限承載能力和最終的破壞形態(tài);第二組檢驗(yàn)當(dāng)主體結(jié)構(gòu)受到地震作用時(shí)，節(jié)點(diǎn)周邊梁施加低周反復(fù)荷載時(shí)節(jié)點(diǎn)的極限承載能力、破壞形態(tài)和位移延性系數(shù)，結(jié)果見圖8～圖12。

圖5 鋼管混凝土樹狀節(jié)點(diǎn)區(qū)域的鋼管的應(yīng)力云圖

圖6 鋼管內(nèi)混凝土的應(yīng)力云圖

圖7 柱鋼管及鋼梁的應(yīng)力云圖

圖8 鋼管混凝土樹狀節(jié)點(diǎn)的低周期反復(fù)加載

圖9 鋼管混凝土樹狀節(jié)點(diǎn)的靜載加載裝置

試驗(yàn)表明:

節(jié)點(diǎn)破壞均發(fā)生于梁端頭，柱(包括柱內(nèi)混凝土和隔板)未發(fā)生破壞，主要表現(xiàn)為梁轉(zhuǎn)動(dòng)、翼緣屈服、腹板屈服、與柱連接處撕裂等，滿足強(qiáng)柱弱梁的要求。

梁延性系數(shù)均u≥3，一般在3.0～4.0之間，滯回曲線飽滿，節(jié)點(diǎn)有良好的耗能力。

本節(jié)點(diǎn)能有效傳遞橫梁、斜柱內(nèi)力，并具有良好的抗震能力，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)是安全、可靠的。

5.2 1∶150風(fēng)洞模型試驗(yàn)

由于建筑的平、立面比較復(fù)雜，且在中庭部分采用的單索玻璃幕墻對風(fēng)非常敏感，本工程進(jìn)行了風(fēng)洞模型試驗(yàn)。試驗(yàn)在中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心低速氣動(dòng)力研究所4 mX3 m風(fēng)洞工業(yè)試驗(yàn)段進(jìn)行，見圖13。

圖10 靜載下鋼管混凝土樹狀節(jié)點(diǎn)破壞圖

圖11 低周期反復(fù)加載下鋼管混凝土樹狀節(jié)點(diǎn)破壞圖

圖12 低周期反復(fù)加載下某梁的P—△曲線

試驗(yàn)?zāi)M了0°～360°的方向角，間隔15°。

試驗(yàn)結(jié)果表明，重現(xiàn)期為50 a時(shí)，最小負(fù)壓為－1.759 kPa，最大正壓為0.697 kPa;重現(xiàn)期為100 a時(shí)，最小負(fù)壓為－2.052 kPa，最大正壓為0.813 kPa。迎風(fēng)面主要受正壓作用，屋面、側(cè)面和背風(fēng)面主要受負(fù)壓作用，尤其以轉(zhuǎn)角處背風(fēng)區(qū)負(fù)壓較大。

6 重要節(jié)點(diǎn)和構(gòu)件設(shè)計(jì)

本工程部分構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)構(gòu)造比較特殊、復(fù)雜，主要有以下幾種類型。

6.1 分枝柱節(jié)點(diǎn)

圖13 有周圍環(huán)境(實(shí)際情況)時(shí)風(fēng)洞試驗(yàn)場景

受力復(fù)雜，連接構(gòu)件較多(最多有9根構(gòu)件)，內(nèi)部水平和豎向隔板較多，且內(nèi)部要澆筑混凝土，對施工要求很高，設(shè)計(jì)過程中對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了焊接工藝評定，多次修改節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，最后通過應(yīng)力分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了受力合理和施工可行。

6.2 變截面梁節(jié)點(diǎn)

為滿足建筑凈高要求，在走廊周邊采用變高度梁，梁高由550變矮到380，變矮處梁翼緣和腹板相應(yīng)加厚。

6.3 支承索幕墻鋼桁架

由于鋼桁架跨度較大，并承擔(dān)巨大的索幕墻拉力，且與索幕墻連接要求高，桿件內(nèi)力巨大，桿件數(shù)量較多，設(shè)計(jì)難度較大。鋼桁架弦桿采用箱形截面，腹桿采用工字型截面，考慮到其重要性，設(shè)計(jì)應(yīng)力比小于0.6，并預(yù)留起拱高度1.5/1000。為保證桁架下方走道使用高度，桁架端部高度減小至1400，該部位改為實(shí)腹式。

6.4 鋼桁架與型筋混凝土和鋼管柱連接節(jié)點(diǎn)

該類節(jié)點(diǎn)的支座受力巨大，鋼桁架很高，必須考慮其支座側(cè)向穩(wěn)定的問題。

設(shè)計(jì)時(shí)在筒體上設(shè)置鋼牛腿支撐桁架，采用疊層橡膠支座，在筒體內(nèi)預(yù)埋鋼板和桁架腹板連接，螺栓孔均采用長圓孔，以解決支座傳遞豎向力和水平力的問題。

6.5 索幕墻與主體結(jié)構(gòu)的連接

南側(cè)塔樓橫索兩端均設(shè)埋件與筒體相連;北側(cè)塔樓橫索一端設(shè)預(yù)埋件與筒體相連，另一端與鋼管混凝土柱相連，埋件位置均與筒體內(nèi)設(shè)置的型鋼柱焊接。

為將與鋼管混凝土柱相連的橫索拉力可靠傳遞至筒體，在樓層標(biāo)高設(shè)置水平鋼桁架，將七根框架柱和筒體抗震墻相連。

豎索上端與十六層鋼桁架下弦側(cè)面連接，下端與四層鋼桁架上弦通過箱形短鋼柱連接。為解決十六層鋼桁架下弦抗扭問題，在下弦標(biāo)高設(shè)置水平支撐。

7 結(jié)束語

本工程通過各種計(jì)算分析和實(shí)驗(yàn)研究，解決了一系列的結(jié)構(gòu)技術(shù)難題，并使建筑較好的實(shí)現(xiàn)了建筑師和業(yè)主的苛刻要求。

該工程現(xiàn)在已投入使用，狀況良好，達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)效果，為成都市人民南路增添了一道亮麗的風(fēng)景線。

［1］JGJ 3－2002高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］

［2］GB50011－2001建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］

［3］徐培福.復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2005