林元慶 徐會業(yè)

(中國核電工程有限公司鄭州分公司，鄭州450052)

1 工程概況

鄭州升龍廣場位于鄭東新區(qū)，是一個集商業(yè)、購物、餐飲、娛樂、休閑和辦公的大型城市綜合體。本文主要介紹其中的超高層寫字樓，該結(jié)構(gòu)主體高度144.3 m，地下3層，地上35層，結(jié)構(gòu)頂設(shè)停機(jī)坪，其頂標(biāo)高為154.0 m，地下3層為停車庫，1～5層為商業(yè)，7層以上為辦公，其中6層及22層為避難層，層高分別為4.1 m及4.3 m;地下 －3～ －1層層高分別為4.5 m、4.5 m 和5.5 m，地上層高:1 層5.5 m，2 ～3 層4.9 m，4 ～5 層4.5 m，7 層以上3.95 m;該結(jié)構(gòu)建筑標(biāo)準(zhǔn)層平面圖及效果圖見圖1、圖2。

建筑結(jié)構(gòu)的安全等級為二級，結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50年。工程抗震設(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計地震分組為第一組，設(shè)計基本地震加速度值為0.15 g;建筑場地類別為Ⅲ類，100年重現(xiàn)期的基本風(fēng)壓值為 0.50kN/m2，地面粗糙度為C類。

2 結(jié)構(gòu)體系

該塔樓采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，其主要抗側(cè)力體系由鋼筋混凝土核心筒和外框架組成，結(jié)構(gòu)樓蓋采用雙向密肋空腔樓蓋，其樓蓋外圍為明框梁，內(nèi)部由厚度為450 mm的雙向密肋空腔樓板及暗梁組成，雙向密肋空腔樓板厚度450 mm，上下層板厚60 mm，空腔厚度330mm(見圖8);商業(yè)采用框架結(jié)構(gòu)，與塔樓設(shè)縫分開;核心筒主要墻厚為:外圍最大厚度為700 mm，沿高度在700 mm～400 mm之間變化，筒內(nèi)墻厚為400 mm～300 mm;主要框架柱截面尺寸為:最大截面為1400×1400 mm(型鋼柱)，型鋼延伸高度為10層，沿高度截面尺寸在1400×1400 mm～900×900 mm變化;主要框架梁及暗梁尺寸:外框架梁 1000×700 mm(X向)，1000×700 mm(Y向)，暗梁1000×450 mm。

圖2 建筑效果圖

3 地基基礎(chǔ)

本工程塔樓地基基礎(chǔ)為樁筏基礎(chǔ)，樁基采用鉆(沖)孔灌注樁，樁徑800 mm，有效樁長為33 m和39 m，樁端持力層為第13層粉質(zhì)粘土;為了提高單樁承載力和控制樁底沉渣厚度，采用樁端后壓漿技術(shù)，壓漿后單樁承載力特征值不小于6 150 kN，典型筏板厚度為2 700 mm。

4 結(jié)構(gòu)超限情況

本工程B塔結(jié)構(gòu)主體高度144.3 m，超過規(guī)范A級高度高層建筑最大適用高度130 m的限值，但在B級高度高層建筑最大適用高度180 m的限值范圍內(nèi)[1];建筑標(biāo)準(zhǔn)層平面及剖面圖見圖1和圖2;在平面規(guī)則性上，結(jié)構(gòu)平面形狀規(guī)則，不存在凹凸不規(guī)則及樓板局部不連續(xù)情況，在考慮偶然偏心規(guī)定的水平力作用下，樓層的最大彈性水平位移和層間位移與該樓層平均值的比值在Y方向上最大為1.27，大于1.20的限值，屬于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則結(jié)構(gòu);在豎向不規(guī)則性上，不存在側(cè)向剛度不規(guī)則、豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)及樓層承載力突變情況，屬于豎向規(guī)則結(jié)構(gòu);根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點》的規(guī)定，本工程屬于高度超限的不規(guī)則結(jié)構(gòu)，應(yīng)進(jìn)行超限高層專項審查。

5 抗震性能目標(biāo)及措施

根據(jù)本工程的超限情況，為了提高結(jié)構(gòu)的承載力和延性變形能力，設(shè)計時采取了抗震性能設(shè)計方法和比現(xiàn)行規(guī)范更為嚴(yán)格的抗震措施，同時考慮到經(jīng)濟(jì)性，該結(jié)構(gòu)的抗震性能目標(biāo)[2]細(xì)化后見表1。

為了實現(xiàn)上述所提出的結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)，本工程采取的主要抗震措施有:1)采用不少于兩個不同的力學(xué)模型，并對其計算結(jié)果進(jìn)行分析對比;2)對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性時程分析，對其結(jié)果進(jìn)行分析比較，用以補(bǔ)充反應(yīng)譜法的計算結(jié)果;3)根據(jù)抗震性能設(shè)計目標(biāo)對結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行中震下的計算分析;4)對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行大震下動力彈塑性時程分析，以確保結(jié)構(gòu)實現(xiàn)“大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo);5)對核心筒剪力墻的邊緣構(gòu)件按筒體結(jié)構(gòu)的要求進(jìn)行加強(qiáng)，其底部加強(qiáng)部位以上軸壓比大于0.30的剪力墻墻肢設(shè)置約束邊緣構(gòu)件;6)對連梁進(jìn)行延性設(shè)計，通過設(shè)置交叉暗撐或鋼筋，提高其抗剪承載力及延性;7)結(jié)構(gòu)底部部分樓層框架柱采用型鋼混凝土柱，以提高框架柱的承載力和延性;8)雙向密肋空腔樓蓋采用有限元分析方法，其上下層板及肋梁根據(jù)有限元分析結(jié)果進(jìn)行設(shè)計。

表1 性能目標(biāo)

6 結(jié)構(gòu)分析

結(jié)構(gòu)分析主要采用PMSAP和ETABS軟件進(jìn)行整體計算分析和比較，同時為了詳細(xì)分析雙向密肋空腔樓蓋的受力特性以及在結(jié)構(gòu)整體中的作用，在結(jié)構(gòu)分析中還采用了MIDAS軟件專門針對雙向密肋空腔樓蓋進(jìn)行有限元分析，結(jié)構(gòu)計算模型、軟件及主要用途見表2，結(jié)構(gòu)計算模型如圖3所示。

圖3 結(jié)構(gòu)計算模型

表2 計算模型匯總

6.1 小震彈性分析主要結(jié)果

小震下PMSAP和ETABS計算的前六階周期如表3所示，PMSAP計算的結(jié)構(gòu)總質(zhì)量為253 655 t，ETABS計算的結(jié)構(gòu)總質(zhì)量為254 600 t;兩種軟件計算的結(jié)構(gòu)周期比分別為0.79和0.80，滿足規(guī)范不大于0.85的要求，結(jié)構(gòu)具有較好的抗扭剛度;結(jié)構(gòu)的最大層間位移角及位移比如表4所示;結(jié)構(gòu)各樓層的層間位移角均滿足規(guī)范的限值要求，結(jié)構(gòu)的最大位移比1.27，滿足規(guī)范對結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的控制要求;結(jié)構(gòu)X向及Y向的剛重比分別為4.66和3.52，滿足規(guī)范的要求，同時可以不考慮重力二階效應(yīng)的影響。根據(jù)規(guī)范的要求，對本工程進(jìn)行了小震下的彈性時程分析，共選取了2組天然地震波和1組人工模擬地震波，其水平向?qū)?yīng)的加速度峰值取55cm/s2，雙向輸入分析，每條地震波計算的基底剪力均大于反應(yīng)譜法的65%，平均值大于反應(yīng)譜法的80%，滿足規(guī)范對地震波選用的要求;彈性時程分析結(jié)果表明:反應(yīng)譜得到的樓層剪力在結(jié)構(gòu)上部局部樓層略小于時程分析得到的樓層剪力平均值，反應(yīng)譜法對高振型的影響考慮不夠，在計算時對上部樓層的地震剪力適當(dāng)放大，采用ETABS軟件對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性時程分析的結(jié)果與PMSAP計算的結(jié)果類似;采用反應(yīng)譜法計算的結(jié)果與時程分析法結(jié)果基本吻合，反應(yīng)譜法能較好地反映該結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。

表3 結(jié)構(gòu)前六階周期

表4 結(jié)構(gòu)最大層間位移角及位移比

6.2 中震及大震分析主要結(jié)果

中震計算時的水平地震影響系數(shù)最大值取αmax中震=0.34，其計算結(jié)果與小震相比，底部加強(qiáng)部位部分核芯筒剪力墻配筋由中震控制，部分框架柱抗剪配筋由中震控制，其承載力能滿足中震的性能目標(biāo)要求。

結(jié)構(gòu)大震動力彈塑性分析結(jié)果表明，主要抗側(cè)力構(gòu)件沒有發(fā)生嚴(yán)重破壞，多數(shù)連梁屈服耗能，大部分框架梁參與塑性耗能，大震下，其筒體剪力墻滿足抗剪彈性的目標(biāo)要求，未出現(xiàn)剪切型損傷，少量角部混凝土受壓出現(xiàn)裂縫，核芯筒大震下的應(yīng)力及損傷見圖4和圖5，框架柱未出現(xiàn)剪切型損傷，結(jié)構(gòu)最大層間彈塑性位移角滿足規(guī)范的要求，能實現(xiàn)結(jié)構(gòu)大震不倒的性能目標(biāo)。

7 雙向密肋空腔樓蓋的特點、結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計

雙向密肋空腔樓蓋(樓蓋1)是本工程分析與設(shè)計的重點與難點，也是建筑使用和銷售亮點(為每個標(biāo)準(zhǔn)層核心筒外圈至外圍框架梁之間提供約2 000 m2的無梁使用空間)，樓蓋為頂板、密肋梁及底板組成的整體空間結(jié)構(gòu)(見圖6、7)，與同一結(jié)構(gòu)體系普通鋼筋混凝土梁板樓蓋(樓蓋2)及鋼梁混凝土樓板樓蓋(樓蓋3)相比具有以下幾個特點:1)樓蓋1外圍框架布置(包括柱距及梁格布置)更為隨意，同時可避免出現(xiàn)因核心筒墻體與外圍框架柱無法對齊而出現(xiàn)大量斜拉梁和連梁平面外搭梁情況，提供更大的結(jié)構(gòu)凈高;2)樓蓋作為空間整體參與結(jié)構(gòu)受力，為結(jié)構(gòu)提供更為適中抗側(cè)剛度，框架與核心筒間傳力更為均勻、直接、有效，避免出現(xiàn)剪力墻面外承受巨大彎矩而對結(jié)構(gòu)抗震不利情況。

圖4 剪力墻混凝土受壓的應(yīng)變等級

圖5 剪力墻鋼筋的拉壓應(yīng)變等級

圖6 雙向密肋空腔樓蓋有限元模型(M IDASGEN)

圖7 雙向密肋空腔樓板剖面示意圖

針對樓蓋1以上特點，在分析模型處理及計算分析軟件選用上遵循以下幾個原則:1)真實模擬空間箱體平面內(nèi)外剛度，特別是對結(jié)構(gòu)整體剛度貢獻(xiàn);2)真實模擬空間箱體與周邊構(gòu)件的連接關(guān)系，特別是與剪力墻的連接關(guān)系;3)真實模擬箱體由于與周邊連接不同而造成結(jié)構(gòu)剛度的區(qū)域變化;4)真實模擬空間箱體受力特征及變形特點。

結(jié)構(gòu)分析采用有限元分析軟件PMSAP、ETABS及MIDAS程序，對樓蓋1的頂板、肋梁及底板在ETABS中采用等效抗彎剛度殼單元，在PMSAP中采用夾心板來模擬，MIDAS采用全殼單元空間模型(此模型能真實模擬密肋梁與上下層板形成的空間效應(yīng));在設(shè)計過程中進(jìn)行了大量實驗?zāi)Ｐ?包括樓蓋1，2，3及密肋樓蓋)的分析與研究，重點研究樓蓋1在不同工況荷載作用下變形性狀及樓蓋應(yīng)力分布。以下選取部分分析對比結(jié)果:模型1為框筒結(jié)構(gòu)，梁采用桿系模型，模型2為框筒結(jié)構(gòu)，箱體模型，梁用殼元，上下層板，樓板用殼元。模型見圖8，恒載及地震下的彎矩比較結(jié)果見表5和表6。

圖8 結(jié)構(gòu)分析模型

表5 恒載下彎矩比較

續(xù)表

表6 Y向地震下彎矩比較

同時由分析可知:在豎向荷載作用下，樓蓋應(yīng)力分布在核心筒周邊呈帶狀分布，在柱頭區(qū)域呈島狀分布(見圖9);在地震荷載下，應(yīng)力在框架與核心筒間樓蓋呈單向板梁拉壓分布(見圖11);樓蓋在恒載作用變形云圖(見圖10);同時由于其樓蓋的整體作用，有一大部分豎向荷載可直接通過樓蓋面外剛度傳給豎向構(gòu)件，使得框架暗梁的內(nèi)力大幅下降，見表5和表6(相對于普通樓蓋2中梁，采用桿系模型);樓蓋1不但承擔(dān)豎向荷載而且承擔(dān)一大部分水平荷載，在水平荷載作用下的上下層板呈現(xiàn)拉壓彎復(fù)合受力狀態(tài)。

圖9 雙向密肋空腔樓蓋應(yīng)力圖(恒載)

圖10 雙向密肋空腔樓蓋變形云圖(恒載)

圖11 雙向密肋空腔樓蓋應(yīng)力圖(Y向地震)

在對有限元軟件計算結(jié)果進(jìn)行正確分析基礎(chǔ)上，可進(jìn)行柱帽，核心筒周邊實心板帶布置及設(shè)計，確定肋梁及框架暗梁截面積配筋(見圖12、13、14)。在樓蓋設(shè)計中應(yīng)注意處理好以下幾個關(guān)鍵節(jié)點及其構(gòu)造:1)柱帽范圍內(nèi)框架暗梁，肋梁及柱帽本身三者配筋分配原則及比例，一般情況可根據(jù)計算結(jié)果先進(jìn)行框架暗梁配筋，再配置此區(qū)域肋梁鋼筋，肋梁鋼筋貫通柱帽區(qū)域，最后將此區(qū)域內(nèi)剩余鋼筋配置到柱帽除暗梁及肋梁外剩余區(qū)域;2)對肋梁由于其數(shù)量較多，可根據(jù)軟件應(yīng)力分析結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)歸并及分類，采用支座負(fù)筋加架立鋼筋配筋方式，在滿足計算結(jié)果基礎(chǔ)上，盡量做到經(jīng)濟(jì)，但在架立筋選用時需考慮肋梁軸向拉力對配筋影響。

圖12 雙向密肋空腔樓蓋結(jié)構(gòu)布置圖

圖13 肋梁配筋示意圖

圖14 雙向密肋空腔樓蓋剖面圖

8 組合結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點精細(xì)化空間設(shè)計及施工控制

型鋼與鋼筋混凝土柱組合，組成勁性柱。由于鋼材強(qiáng)度高，型鋼在本結(jié)構(gòu)中起到降低構(gòu)件截面尺寸，提高分擔(dān)大部分彎矩，軸力和剪力，提高結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度，同時型鋼翼緣板起到連接鋼筋混凝土梁內(nèi)縱筋作用;所以一旦無法確保型鋼混凝土澆筑及型鋼施工質(zhì)量，柱由于承載力不足，可能發(fā)生壓塌及失穩(wěn)破壞，梁由于錨固失效出現(xiàn)垮塌，可能會出現(xiàn)嚴(yán)重結(jié)構(gòu)安全質(zhì)量問題。

圖15 梁柱節(jié)點區(qū)鋼筋現(xiàn)場照片(常規(guī)設(shè)計)

由于型鋼柱截面及配筋均很大，如本工程最大柱截面尺寸為1 400×1 400，梁柱鋼筋直徑大，節(jié)點區(qū)鋼筋密集;同時由于柱內(nèi)型鋼存在，對梁筋穿插和擺布及梁筋錨固造成很大影響，同時也給柱箍筋安裝就位造成困難，其梁柱節(jié)點施工難度猶在框支結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點之上。從目前類似工程施工現(xiàn)場及設(shè)計圖紙來看，設(shè)計院對型鋼部分重要性及現(xiàn)場施工難度估計不足，圖紙表達(dá)深度不夠，此部分圖紙無法指導(dǎo)現(xiàn)場施工，施工現(xiàn)場梁柱鋼筋密集，節(jié)點連接構(gòu)造非?；靵y，鋼筋間隙小(見圖15)，混凝土澆筑及振搗困難，施工質(zhì)量無法保證。

為保證型鋼混凝土結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點施工可靠性，結(jié)合梁柱節(jié)點受力及構(gòu)造特點，本文創(chuàng)造性地提出梁柱節(jié)點精細(xì)化空間設(shè)計方法，此方法反映在圖紙內(nèi)容主要包括:1)型鋼梁柱節(jié)點詳圖(包括梁柱鋼筋定位及梁鋼筋在柱內(nèi)錨固及連接方式見圖16、17);2)梁縱筋經(jīng)節(jié)點空間精細(xì)化設(shè)計后所對應(yīng)梁平法施工圖;3)柱內(nèi)型鋼拼接圖(含變截面)，柱內(nèi)型鋼翼緣板連接套筒定位圖;4)與上述節(jié)點做法對應(yīng)三維圖(見圖18、19)。此方法特點是對型鋼柱和框架梁按照節(jié)點區(qū)內(nèi)鋼筋占位最小化原則進(jìn)行鋼筋空間三維擺布和穿插，然后對每根鋼筋(包括梁柱縱筋及箍筋)進(jìn)行平面和豎向(含鋼筋空間彎曲錨固位置及角度)準(zhǔn)確定位;合理調(diào)整梁每排縱筋根數(shù)和間距，明確每根縱筋在節(jié)點區(qū)內(nèi)擺布位置和有效連接及錨固方式，在型鋼梁柱節(jié)點區(qū)及框架梁頂面及底面預(yù)留足夠施工空間(至少保證四個上下通透凈距在100 mm以上振搗孔)，可以有效解決型鋼梁柱節(jié)點區(qū)鋼筋密集，混凝土無法澆注或澆注不密實施工難題，確保達(dá)到強(qiáng)節(jié)點，強(qiáng)錨固的抗震設(shè)計要求，此設(shè)計方法已經(jīng)成功應(yīng)用多個混合結(jié)構(gòu)超高層中，取得良好效果。

圖16 型鋼節(jié)點詳圖

圖17 梁柱鋼筋連接及錨固圖

圖18 型鋼節(jié)點三維圖

9 結(jié)語

針對本工程為采用雙向密肋空腔樓蓋及型鋼混凝土組合柱的超限高層結(jié)構(gòu)，在設(shè)計中采用了抗震性能設(shè)計方法，經(jīng)過彈性、彈塑性中震及大震計算和分析以及采取比規(guī)范更嚴(yán)格的抗震措施后，結(jié)構(gòu)能達(dá)到預(yù)期的抗震性能設(shè)計目標(biāo)和規(guī)范要求;同時充分發(fā)掘雙向密肋空腔樓蓋在結(jié)構(gòu)受力、工程抗震及建筑使用上優(yōu)點;結(jié)構(gòu)分析采用仿真有限元軟件，在進(jìn)行大量試驗?zāi)Ｐ头治霰容^基礎(chǔ)上，確定樓蓋結(jié)構(gòu)布置原則、配筋及構(gòu)造要求;對大型梁柱節(jié)點，梁柱是空間統(tǒng)一整體，設(shè)計與分析必須統(tǒng)籌考慮，不可分開，施工圖表示深度須和現(xiàn)場施工難度相匹配，在本文中所采用的精細(xì)化空間設(shè)計方法，可以有效地解決型鋼混凝土柱與鋼筋混凝土梁節(jié)點處鋼筋密集，混凝土無法澆注或澆注不密實等施工難題，確保設(shè)計與施工達(dá)到強(qiáng)節(jié)點，強(qiáng)錨固的抗震設(shè)計要求，其設(shè)計方法值得其它類似工程借鑒。

圖19 梁縱筋在柱內(nèi)連接及錨固三維圖

[1]高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(JGJ3-2002)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002.

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