江 昊， 丁潔民， 吳宏磊

(1.同濟(jì)大學(xué)建筑工程系，上海 200092;2.同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院，上海 200092)

0 工程概況

本工程為某市現(xiàn)代化城市綜合體.主要功能為酒店、酒店式公寓、辦公總部、商業(yè)及銀行.地上建筑總面積97，997m2，建筑層數(shù)53層，塔樓屋面高度232m;地下共2層，主要用作停車場(chǎng)，地下室大底板結(jié)構(gòu)標(biāo)高－10.6m.工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年，安全等級(jí)為二級(jí)，抗震設(shè)防烈度為6度(0.05 g)，場(chǎng)地土特征周期為0.35s，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，建筑結(jié)構(gòu)阻尼比為0.04.基本風(fēng)壓為0.45kN/m2(50年).圖1為本項(xiàng)目建筑效果圖與立面圖，圖2為建筑平面圖.

1 結(jié)構(gòu)體系與布置

1.1 結(jié)構(gòu)體系及研究參數(shù)

本工程采用框架－核心筒結(jié)構(gòu)體系，現(xiàn)澆混凝土樓板.

外框?qū)蚣埽诵耐搀w系的受力特性影響很大，本文以某超高層建筑為例，針對(duì)以下2個(gè)方面對(duì)外框布置的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行研究:

1、外框柱距

2、外框柱子形狀

1.2 原方案結(jié)構(gòu)及構(gòu)件參數(shù)

以上2個(gè)參數(shù)分析均基于塔樓初步設(shè)計(jì)原方案.原方案基本模型塔樓結(jié)構(gòu)高度232m，外框采用SRC(型鋼混凝土柱)及H型鋼梁，核心筒采用RC(鋼筋混凝土)筒體結(jié)構(gòu)，普通層樓板厚度120mm，避難層樓板厚200mm，結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層層高為4.2m，避難層層高為6.0m.

圖1 剖面圖

塔樓平面尺寸為42.6m ×42.6m(1814.8m2)，核心筒尺寸為 19.9m ×20.4m(407.0m2)，占總平面的22.4%，核心筒延伸至塔樓頂部無(wú)收進(jìn).塔樓結(jié)構(gòu)整體高寬比5.4，核心筒高寬比11.6.設(shè)置3道避難層，分別位于第16，27，36層.構(gòu)件截面尺寸見(jiàn)表1.墻和柱的混凝土等級(jí)為C60～C50，樓板為C30，鋼材采用 Q345.

模型彈性分析采用美國(guó) CSI公司開(kāi)發(fā)的ETABS9.7.4 軟件進(jìn)行計(jì)算.

圖2 底層平面圖

表1 構(gòu)件結(jié)構(gòu)尺寸(單位:mm)

2 外框布置選型

2.1 外框柱距比較

外框柱距比較共3個(gè)方案，計(jì)算模型及構(gòu)件參數(shù)見(jiàn)表2，方案標(biāo)準(zhǔn)層平面圖及立面圖見(jiàn)圖3，4.ZJ2和ZJ3模型柱距分別為ZJ1(原方案)模型的1/2和1/3，柱子大小根據(jù)等面積原則變換.型鋼柱SRC含鋼率控制在《鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(YB9082－2006)規(guī)定的4%.根據(jù)建筑功能要求，塔樓底部3層需要大開(kāi)間，ZJ2與ZJ3第1～3層仍采用9～10m柱距.由立面圖可以看出，ZJ2與ZJ3在第4～6層設(shè)置轉(zhuǎn)換桁架，主要用以傳遞塔樓上部密柱部分的豎向荷載.

表2 柱距比較模型

17F～27F SRC1200方柱 SRC850方柱 SRC700方柱5F～16F SRC1400方柱 SRC1000方柱 SRC800方柱1F～4F SRC1400方柱 SRC1400方柱 SRC1400方柱

表3 柱距比較分析結(jié)果

表3給出了三個(gè)模型的彈性計(jì)算結(jié)果.

對(duì)表3的結(jié)果進(jìn)行分析，可以得到以下結(jié)論:

(1)3個(gè)模型的質(zhì)量比較接近，建?；咀裱酥拥让娣e換算原則.

(2)3個(gè)模型的第一與第二振型均以平動(dòng)為主，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期T3與平動(dòng)為主的第一自振周期T1之比小于0.85，符合《抗規(guī)》[1]規(guī)定.對(duì)比周期結(jié)果表明，柱距減小減少了外框的剪力滯后效應(yīng)，同時(shí)增大了外框的整體性，使塔樓整體平動(dòng)剛度和扭轉(zhuǎn)剛度都增大，但柱距減小到一定程度后，剛度增大效果將不再顯著.

(3)計(jì)算結(jié)果表明，風(fēng)荷載作用下的層間位移角遠(yuǎn)大于地震作用下的層間位移角，3個(gè)模型均滿足《高規(guī)》[2]第 3.7.3 －3 條的限制 1/538，且 ZJ2和ZJ3較小柱距模型具有更好的抗側(cè)能力，層間位移角都比ZJ1小.3個(gè)模型風(fēng)荷載下層間位移角見(jiàn)圖5.值得注意的是在ZJ2的轉(zhuǎn)換層處(4～6層)，風(fēng)荷載層間位移角出現(xiàn)了一小段不光滑的突變，這種情況的出現(xiàn)，是由于角度較大的轉(zhuǎn)換桁架腹桿參與了抗側(cè)，增大了這幾層的抗側(cè)剛度而引起的.ZJ3相對(duì)較小傾斜角度的轉(zhuǎn)換桁架腹桿則沒(méi)有引起這段變化.

圖3 柱距比較方案標(biāo)準(zhǔn)層平面圖

圖4 柱距比較方案立面圖

圖5 柱距比較模型層間位移角

(4)從表3及圖6可以看出，ZJ1外框承擔(dān)剪力在7%左右，ZJ2在18%左右，而ZJ3達(dá)到20%左右.

結(jié)果表明減小框架－核心筒的外框柱距能明顯的提高外框承擔(dān)的剪力百分比.同時(shí)從圖中可以看出ZJ2與ZJ3轉(zhuǎn)換層處出現(xiàn)了外框剪力的突變?cè)黾?，ZJ2轉(zhuǎn)換桁架腹桿角度較大，引起的突變更顯著.ZJ2及ZJ3底部框架承擔(dān)的傾覆力矩在34%左右，大于ZJ1的18%，這也表明外框柱距減小使外框更多的參與了塔樓的抗側(cè).

(5)據(jù)《高規(guī)》[2]第 9.3.5 －1 條規(guī)定:外框筒柱距不宜大于4m.故ZJ1于ZJ2為框架－核心筒結(jié)構(gòu)，ZJ3屬于筒中筒結(jié)構(gòu).據(jù)《高規(guī)》表3.3.1－2，6度區(qū)B級(jí)高度框架－核心筒最大使用高度為210m，筒中筒為280m.故ZJ3沒(méi)有高度超限.檢察塔樓規(guī)則性超限情況，發(fā)現(xiàn)ZJ1存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，ZJ2存在樓層承載力突變且有斜柱，ZJ3僅存在斜柱.故ZJ3超限情況最少.

據(jù)以上分析ZJ2及ZJ3抗側(cè)能力優(yōu)于ZJ1，而ZJ2轉(zhuǎn)換層桁架腹桿角度偏大會(huì)引起樓層剛度與剪力突變，超限情況最多，ZJ3超限情況最少.綜合考慮選擇ZJ3作為最優(yōu)方案.

2.2 外框柱子形狀比較

由于建筑立面及室內(nèi)視野對(duì)柱子開(kāi)間的要求，基于以上模型ZJ3，對(duì)外框柱子形狀比較3個(gè)方案，計(jì)算模型及構(gòu)件參數(shù)見(jiàn)表4，方案標(biāo)準(zhǔn)層平面圖見(jiàn)圖7.

XZ2和XZ3模型柱子大小根據(jù)等面積原則變換，由XZ1方形柱變成長(zhǎng)寬比為1:2的矩形柱.從圖7可以看出，XZ2柱子長(zhǎng)邊與外框邊垂直，柱間開(kāi)間較大，柱間距2763mm，建筑視野效果較好.XZ3柱子長(zhǎng)邊與外框邊平行，柱間距2193mm，建筑視野效果較差.

圖6 柱距比較模型外框承擔(dān)剪力

圖7 柱距比較方案標(biāo)準(zhǔn)層平面圖

圖8 柱子形狀比較模型層間位移角

表4 柱子形狀比較模型

表5給出了三個(gè)模型的計(jì)算結(jié)果

表5 柱子形狀比較分析結(jié)果

對(duì)表5的結(jié)果進(jìn)行分析，可以得到以下結(jié)論:

(1)3個(gè)模型的質(zhì)量比較接近，建?；咀裱酥拥让娣e換算原則.

(2)XZ3周期與扭轉(zhuǎn)周期比都較小，抗側(cè)能力最佳.XZ2則與XZ3相反，降低了塔樓的總體剛度，周期增大.塔樓層間位移角也體現(xiàn)了這一特點(diǎn).圖8為風(fēng)荷載下層間位移角比較圖.

(3)從圖9可以看出，XZ1外框承擔(dān)剪力在19%左右，XZ2在16%左右，而XZ3達(dá)到22%左右.結(jié)果表明柱子長(zhǎng)邊平行于外框邊能明顯的提高外框承擔(dān)的剪力百分比，而柱子長(zhǎng)邊垂直于外框邊則效果相反.

據(jù)以上分析XZ3結(jié)構(gòu)抗側(cè)能力優(yōu)于XZ1與XZ2.但是由于建筑效果要求，XZ3無(wú)法達(dá)到室內(nèi)視野及采光的要求.3個(gè)方案雖然存在抗側(cè)性能差異，但差異不大且抗側(cè)指標(biāo)都能控制在規(guī)范限制以內(nèi)，故選取建筑效果更優(yōu)的XZ2方案.

圖9 柱子形狀比較模型外框承擔(dān)剪力

2.3 結(jié)構(gòu)最終方案

根據(jù)以上分析，結(jié)構(gòu)外框最終方案為:第1～3層為SRC稀柱(9m～10m)，7層以上為矩形(長(zhǎng)邊垂直于外框邊)SRC密柱(柱距3m～3.3m)，4～6層布置轉(zhuǎn)換桁架傳遞柱子豎向荷載.

3 結(jié)論與建議

1)柱距減小使塔樓整體平動(dòng)剛度和扭轉(zhuǎn)剛度都增大，但柱距減小到一定程度后，剛度增大效果將不再顯著.同時(shí)減小柱距能明顯的提高外框承擔(dān)的剪力百分比，使框架與核心筒兩個(gè)系統(tǒng)更加合理的分配地震剪力.

2)由于超高層建筑底部通常需要大開(kāi)間，故進(jìn)行密柱方案設(shè)計(jì)時(shí)需要注意避免由轉(zhuǎn)換層桁架剛度突變過(guò)大而引起的塔樓豎向布置不合理.

3)矩形柱子長(zhǎng)邊平行于外框邊抗側(cè)性能較優(yōu)，但柱間開(kāi)間較小無(wú)法達(dá)到室內(nèi)視野及采光的要求，在抗側(cè)指標(biāo)都能控制在規(guī)范限制以內(nèi)時(shí)，選擇矩形柱子垂直于外框邊方案.

[1]中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB50011－2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

[2]中華人民共和國(guó)建設(shè)部.JGJ3－2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

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