章 靜

(上海天華建筑設(shè)計(jì)有限公司，上海 200235)

1 概述

在南昌市的城市發(fā)展規(guī)劃中，坐落于西湖區(qū)桃花鎮(zhèn)的朝陽洲板塊，是未來南昌中心城區(qū)八大片區(qū)之一。本項(xiàng)目用地位于南昌市朝陽洲內(nèi)，南臨城市主干道路，西、東、北臨次干道路，地勢平坦，用地面積15 813.00 m2，計(jì)容積率面積55 345.5 m2。該區(qū)域緊鄰南昌市老城區(qū)，北臨贛江，與紅角洲新區(qū)隔江相望，地理位置優(yōu)越。

整個(gè)項(xiàng)目僅有一棟超高層辦公樓，塔樓總高185 m，不設(shè)裙房。辦公樓底層為大堂、銀行、休息區(qū)等功能，層高8.4 m，2層～35層均為辦公區(qū)，層高4.2 m。其中14層，26層為避難層，設(shè)置避難區(qū)域，層高4.8 m。屋頂設(shè)有最高處39.8 m高的幕墻塔冠構(gòu)架。

2 地震動(dòng)參數(shù)及場地地震危險(xiǎn)性分析

2.1 規(guī)范值

擬建場地按照國家規(guī)范為6度區(qū)，其場地地表50年超越概率63%，10%，2%，阻尼比0.05的水平向設(shè)計(jì)地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜參數(shù)特征值如表1所示。三維模型見圖1。

表1 6度區(qū)水平向設(shè)計(jì)地震動(dòng)反應(yīng)譜特征參數(shù)值

2.2 地震安評(píng)結(jié)果

按照江西省規(guī)定，超高層建筑須進(jìn)行地震安全性評(píng)估，根據(jù)地震安評(píng)的結(jié)果其場地地表50年超越概率63%，10%，2%，阻尼比0.05的水平向設(shè)計(jì)地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜參數(shù)特征值如表2所示。

表2 新力中心地震安評(píng)提供的地表水平向設(shè)計(jì)地震動(dòng)反應(yīng)譜特征參數(shù)值

工程場地的基巖水平向峰值加速度見表3。對于峰值加速度貢獻(xiàn)最大潛在震源區(qū)為工程場地所在的南昌潛在震源區(qū)。

表3 新力中心工程場地基巖水平向加速度峰值 gal

兩者相比，地震安評(píng)的結(jié)果明顯不利，我們在設(shè)計(jì)中需要按照不利的情況去考慮。

3 結(jié)構(gòu)體系及抗震等級(jí)

經(jīng)分析比較，本項(xiàng)目主樓上部結(jié)構(gòu)采用鋼筋(部分為型鋼)混凝土框架—鋼筋混凝土筒體結(jié)構(gòu)。本工程型鋼混凝土柱僅為減小柱子尺寸和增加抗震延性。

主樓核心筒采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu);地上17層及以下框架柱采用型鋼混凝土(采用十字形鋼骨)，地上17層以上框架柱采用鋼筋混凝土;底部加強(qiáng)區(qū)周邊環(huán)向框架梁采用型鋼混凝土，與核心筒相連的徑向框架梁采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。塔樓抗震等級(jí)的選取見表4。

表4 塔樓抗震等級(jí)

型鋼混凝土柱典型截面示意圖見圖2。

圖1 三維模型簡圖

圖2 型鋼混凝土柱典型截面示意圖

考慮到型鋼混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)復(fù)雜，特別是鋼筋穿越及錨固問題往往給施工帶來不少難度，故本工程型鋼混凝土柱截面主要采用十字形鋼骨，其翼緣與環(huán)向鋼骨混凝土梁連接，該梁基本是構(gòu)造鋼筋，構(gòu)造簡單;而徑向混凝土梁鋼筋配制較多，則與鋼骨腹板側(cè)連接，鋼骨柱混凝土區(qū)域已能滿足錨固長度要求;由于徑向采用混凝土梁，避免了在核心筒墻體中設(shè)置鋼骨，其構(gòu)造與普通混凝土結(jié)構(gòu)相同。

4 超限情況

塔樓存在以下方面的結(jié)構(gòu)超限內(nèi)容:1)結(jié)構(gòu)高度超限;2)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，考慮偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比大于1.2;3)地上2層樓板不連續(xù)，開洞面積大于30%;地下夾層頂存在錯(cuò)層大于梁高;4)地上14層往上外圍框架柱均為斜柱;5)塔樓大屋面以上存在39.8 m高的幕墻支承鋼構(gòu)架(塔冠)。

可見這是一個(gè)帶異形鋼塔冠的、超限嚴(yán)重的混合結(jié)構(gòu)超高層，而塔冠分析則是重中之重。

5 塔冠分析

5.1 結(jié)構(gòu)布置

塔冠自大屋面(標(biāo)高152.4 m)升起，高度10 m～39.8 m變化，頂邊線呈螺旋狀，最高點(diǎn)標(biāo)高為192.2 m;由玻璃幕墻及其支撐系統(tǒng)構(gòu)成(開口)。支撐系統(tǒng)主要由24榀高度不等的豎向桁架、5榀水平桁架及人字撐組成，如圖3所示。

圖3 塔冠結(jié)構(gòu)布置圖

圖4 風(fēng)荷載作用下塔冠位移圖（單位：mm）

12榀豎向桁架的外立柱1由外框柱升起，通過可靠的構(gòu)造實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)剛接;間隔布置的另外12榀豎向桁架的外立柱2則落于外框梁上，節(jié)點(diǎn)視為鉸接;豎向桁架的內(nèi)斜柱柱底均支承于核心筒上(核心筒升至162.2 m標(biāo)高);外立柱與內(nèi)斜柱間設(shè)置水平腹桿(間距2.5 m)，形成空腹桁架。

152.4 m～162.2 m高度范圍內(nèi)外立柱設(shè)置2道水平系桿及2道與核心筒連接的水平撐桿;162.2 m～192.2 m高度范圍內(nèi)設(shè)置5道水平桁架以增強(qiáng)各榀桁架間的整體性;由于塔冠敞口，在外立面內(nèi)設(shè)置了人字撐以增強(qiáng)塔冠結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度。塔冠的桿件均采用熱軋無縫鋼管，材料Q345B;桿件的截面、計(jì)算長度及長細(xì)比如表5所示。

表5 塔冠基本構(gòu)件特性

5.2 動(dòng)力特性分析

塔冠結(jié)構(gòu)整體計(jì)算分析空間結(jié)構(gòu)模塊分析;模態(tài)分析顯示:第1 周期為0.385 s，根據(jù)《抗規(guī)》13.2.2 條，塔冠建入模型進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì);前3個(gè)振型均為平動(dòng)，扭轉(zhuǎn)振型出現(xiàn)在第4階，周期為0.229 s，說明塔冠結(jié)構(gòu)具備良好的抗扭剛度。水平荷載作用下，主要桿件的應(yīng)力比如表6所示。

表6 塔冠主要桿件應(yīng)力比

風(fēng)荷載作用下，豎向桁架最大位移為62 mm，撓度為1/473，滿足規(guī)范限值要求，說明塔冠結(jié)構(gòu)具備合適的側(cè)移剛度(見圖4)。

5.3 抗震措施

根據(jù)《抗震規(guī)范》，6度區(qū)鋼框架(＞50 m時(shí))抗震等級(jí)取為四級(jí);考慮到塔冠所在位置較高，將抗震等級(jí)提高為三級(jí)。桿件容許長細(xì)比、圓管外徑與壁厚比限值等構(gòu)造要求如表7所示。

表7 桿件構(gòu)造要求

塔冠鋼結(jié)構(gòu)部分抗震性能要求:小震滿足規(guī)范各項(xiàng)要求;中震彈性;大震允許進(jìn)入屈服，鋼材應(yīng)力可超過屈服強(qiáng)度，但不能超過極限強(qiáng)度。

6 塔樓整體動(dòng)力特性分析

塔樓整體彈性時(shí)程分析如下:

根據(jù)《高規(guī)》5.1.13要求，本工程為B級(jí)高度建筑，應(yīng)采用彈性時(shí)程分析法進(jìn)行多遇地震下的補(bǔ)充計(jì)算;按照《地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告》，多遇地震彈性時(shí)程分析時(shí)，選取卓越周期約為0.40 s的3條地震波進(jìn)行計(jì)算:人工波ArtWave-RH4TG040，天然波Nenana Mountain，Alaska-NO-2089，天然波 Imperial Valley-06-NO-172。由于結(jié)構(gòu)基本周期較長，天然波在長周期段反應(yīng)譜值衰減較快，因此對各條波的峰值放大至26 cm/s2。

6.1 頻譜分析

對比分析表明，在結(jié)構(gòu)基本振型的周期點(diǎn)上，時(shí)程波(3組平均)與規(guī)范譜的地震影響系數(shù)相差小于20%，滿足規(guī)范“統(tǒng)計(jì)意義上相符”的要求;同時(shí)，在其他低階的周期點(diǎn)上，地震波與規(guī)范譜的地震影響系數(shù)也較為一致，說明采用對地震波峰值放大的方法合理、有效(見圖5)。

圖5 規(guī)范譜與反應(yīng)譜對比圖

6.2 底部剪力對比

時(shí)程分析法與規(guī)范反應(yīng)譜法結(jié)構(gòu)底部剪力對比表明:每條地震波的計(jì)算值大于反應(yīng)譜法的65%且小于反應(yīng)譜法的135%，3條地震波的平均值大于反應(yīng)譜法的80%且小于反應(yīng)譜法的120%，滿足規(guī)范“安全性和經(jīng)濟(jì)性”的要求(見表8)。

表8 底部剪力對比表kN

上述分析表明，所選取的這組地震波滿足規(guī)范的要求，設(shè)計(jì)時(shí)地震作用效應(yīng)取時(shí)程法計(jì)算結(jié)果的包絡(luò)值與振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的較大值。

6.3 地震響應(yīng)分析

時(shí)程分析法結(jié)構(gòu)樓層位移、層間位移角與規(guī)范反應(yīng)譜法的結(jié)果進(jìn)行對比分析見表9。

表9 最大層間位移角對比

三條時(shí)程曲線計(jì)算所得的層間位移角與反應(yīng)譜法結(jié)果差距不大，均滿足規(guī)范要求，兩個(gè)方向的最大樓層位移曲線、最大層間位移角曲線的分析結(jié)果與規(guī)范反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果趨勢基本一致，沒有出現(xiàn)異常情況;薄弱層(首層)參數(shù)滿足規(guī)范要求。

三條時(shí)程曲線與CQC法各層剪力對比發(fā)現(xiàn):19層以下CQC法樓層剪力較大，19層以上時(shí)程分析法樓層剪力包絡(luò)值較大。

7 結(jié)語

從以上的分析可以看到，對于有比例較大的鋼結(jié)構(gòu)塔冠的超高層建筑，是否將鋼結(jié)構(gòu)塔冠建入整體模型中，對其動(dòng)力特性有明顯的改變，尤其是對于阻尼比、周期等重要參數(shù)。一般來說阻尼比會(huì)較原混凝土塔樓的要小，而周期也變大，結(jié)構(gòu)剛度減弱。從設(shè)計(jì)角度來說，對于控制結(jié)構(gòu)的整體指標(biāo)還是建議整體建模后看其整體的地震響應(yīng);而對于塔冠結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析，則需要分為單獨(dú)模型和整體模型兩者分別計(jì)算，并取大值包絡(luò)，這樣才是安全的。

[1] 建質(zhì)[2010]109號(hào)，超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)[Z].住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，2010.

[2] GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].