翁錦華　莊晨

(福州市建筑設(shè)計院　福建福州　350011)

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福建海峽銀行辦公大樓結(jié)構(gòu)超限設(shè)計

翁錦華莊晨

(福州市建筑設(shè)計院福建福州350011)

分析介紹了福建海峽銀行辦公大樓結(jié)構(gòu)設(shè)計特點及結(jié)構(gòu)體系，超限類型及核心筒剪力墻、躍層柱抗震性能目標，超限設(shè)計時多遇地震下多個計算程序核對及彈性動力時程分析、設(shè)防地震下關(guān)鍵結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能目標計算、罕遇地震下的推覆計算，以及結(jié)構(gòu)設(shè)計采用的空心樓板、型鋼混凝土柱、預(yù)應(yīng)力梁等。

結(jié)構(gòu)超限設(shè)計；抗震性能目標；空心樓板；型鋼混凝土柱

1　工程概況

本工程為商業(yè)辦公樓，總建筑面積65 974m2。地上26層，一層至五層為裙房，六層至二十六層為辦公樓, 總建筑高度約115m，地下設(shè)二層地下室,建筑功能為停車及相關(guān)設(shè)備配套用房，地下室為全埋式，埋深約11.5m，人防單元設(shè)在地下二層；裙房與塔樓之間不設(shè)縫(圖1)。

2　設(shè)計參數(shù)

本工程建筑設(shè)計使用年限50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級二級，地基基礎(chǔ)設(shè)計等級甲級，建筑抗震設(shè)防標準為丙類；框架-核心筒結(jié)構(gòu)中，剪力墻的抗震等級二級，框架的抗震等級為二級，地下一層結(jié)構(gòu)抗震等級為二級，地下二層抗震等級為三級；人防抗力級別為常六級、核六級；地下室防水等級為一級；建筑防火分類等級為一類，耐火等級為一級。

根據(jù)《福建海峽銀行辦公大樓工程場地地震安全性評價報告》，工程抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度為0.10g，設(shè)計地震分組為第二組；場地類別Ⅲ類考慮，結(jié)構(gòu)阻尼比5%。反應(yīng)譜特征周期0.55s，多遇水平地震影響系數(shù)最大值0.086(規(guī)范值為0.08)。

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009-2001(2006年版)，工程基本風壓按50年重現(xiàn)期0.70kN/m2采用,承載力設(shè)計時基本風壓取值為0.77kN/m2，地面粗糙度為B類，風載體型系數(shù)1.3。

3　結(jié)構(gòu)體系

本工程高度115m，采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系(圖2)，主樓框架-核心筒的框架柱下部采用型鋼混凝土柱，本工程地面以上部分柱最大截面1 200mm×1 200mm，最小800mm×800mm；裙房采用普通鋼筋混凝土柱，地面以上部分最大截面600mm×800mm。主樓地面以上部分核心筒最外圈的剪力墻厚度為600mm，裙房端部開間地面以上部分剪力墻厚度為300mm；結(jié)構(gòu)大部分均為普通鋼筋混凝土梁，主要梁截面300mm×800mm、500mm×800mm，局部跨度>10.0m及主樓框架-核心筒部分的外圈框架梁截面500mm×1 000mm，次梁截面300mm×600mm；裙房報告廳廳部分因功能需要出現(xiàn)17.5m跨度，該部分梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土梁，主樓懸挑跨度>4.0m的挑梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土梁。

4　超限類型及抗震性能目標

本工程存在以下幾方面的不規(guī)則情況：由于裙房與塔樓之間不設(shè)縫，出現(xiàn)塔樓偏置，單塔與大底盤的質(zhì)心偏心距大于底盤相應(yīng)邊長20%；另外，經(jīng)結(jié)構(gòu)計算表明，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，Y向局部樓層考慮偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比大于1.2、小于1.40；此外，樓板不連續(xù)，二層至四層開洞寬度大于有效寬度的50%，尺寸突變，裙房以上縮進大于25%，裙房一層至四層局部有穿層柱出現(xiàn)。故本工程為超限高程建筑。

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[1](JGJ3-2010)3.11.1條，本工程對關(guān)鍵部位結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行性能設(shè)計，在指定地震地面運動下的結(jié)構(gòu)抗震性能水準詳見表1。

表1　關(guān)鍵構(gòu)件抗震性能水準表

5　超限設(shè)計主要措施、分析方法

為了確保超限設(shè)計抗震性能目標的實現(xiàn)，本結(jié)構(gòu)采用以下主要措施及分析方法。

5.1計算程序

根據(jù)規(guī)范要求，為保證力學分析的可靠性，采用MIDAS BUILDING (2011)及PKPM的SATWE兩個軟件進行多遇地震下的靜力計算分析(多遇地震作用下地震反應(yīng)譜參數(shù)根據(jù)《地震安全性評價報告》輸入)，并驗證結(jié)構(gòu)各部位在多遇地震作用下的性能目標。MIDAS及SATWE均為三維空間分析軟件，采用殼單元模擬剪力墻，膜單元模擬樓板，適合于結(jié)構(gòu)體型復雜的工程，兩個軟件的力學模型能夠很好模擬本工程的實際情況。

比較兩個程序多遇地震下的靜力計算結(jié)果，取得基本一致后，進一步采用SATWE軟件進行設(shè)防地震的計算分析,采用MIDAS BUILDING軟件進行靜力彈塑性計算分析。

5.2裙房與塔樓不設(shè)縫處理

由于建筑需要，裙房與塔樓之間不設(shè)縫，因此塔樓與大底盤之間質(zhì)心間距超出底盤尺寸的20%，且整體結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)位移比超過1.20，結(jié)構(gòu)采取了以下幾個措施保證結(jié)構(gòu)的抗震性能：裙房端部開間樓梯間位置設(shè)置剪力墻，以減少扭轉(zhuǎn)位移比；裙房屋面層樓板厚度適當增加；裙房屋面層上下各一層均采用抗震構(gòu)造措施加強；采用塔樓帶裙房和不帶裙房兩種模型的多遇地震的計算，復核各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的配筋，保證結(jié)構(gòu)在裙房破壞的情況下仍能正常使用。

5.3樓板大開洞問題的解決

本結(jié)構(gòu)在二層至四層由于建筑功能需要，樓板開洞面積較大，為考慮開洞對結(jié)構(gòu)的影響，在計算中采用彈性板進行計算，同時通過增加相鄰層及本層洞邊的樓板厚度，并雙層雙向配筋減少開洞對整體抗震性能的削弱。

5.4關(guān)鍵構(gòu)件性能設(shè)計要求

由于樓板開洞，結(jié)構(gòu)局部在地面至四層樓面之間出現(xiàn)躍層柱，在計算中對該部分柱人工定義柱的計算長度，采取中震彈性的性能設(shè)計，保證其在設(shè)防地震下仍為彈性；核心筒剪力墻底部加強區(qū)按中震不屈服復核。

5.5計算分析輸入

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[1](JGJ3-2010)4.3.4條規(guī)定，本結(jié)構(gòu)采用彈性時程分析法進行多遇地震下的補充計算，結(jié)合本場地實際情況及結(jié)構(gòu)的特點，選用兩條天然波(T632，T633)及一條人工波(R631)(三條波均由《地震安全性評價報告》提出，且選取的地震波均需滿足規(guī)范要求)，輸入SATWE進行多遇地震下的彈性動力時程分析，按照安評報告取場地地面最大加速度為37cm/s2。計算結(jié)果取時程分析法計算結(jié)果的包絡(luò)值與振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的較大值。

采用SATWE 進行設(shè)防地震作用下的結(jié)構(gòu)承載力復核，并驗證結(jié)構(gòu)各部位在設(shè)防地震下的性能目標，設(shè)防地震作用下地震反應(yīng)譜參數(shù)根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》輸入。

進行結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的推覆計算，罕遇地震作用下地震反應(yīng)譜參數(shù)根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》輸入。

5.6抗震構(gòu)造措施

核心筒底部加強區(qū)剪力墻水平和豎向分布鋼筋的配筋率不小于0.30%；底部加強區(qū)以上部位剪力墻軸壓比大于0.3時，設(shè)置約束邊緣構(gòu)件。

6　多遇地震作用下的結(jié)構(gòu)計算

6.1結(jié)構(gòu)整體計算結(jié)果

地震影響系數(shù)最大值采用安評報告提供的數(shù)值αmax=0.086，Tg=0.55s，計算結(jié)果見表2。

表2　多遇地震結(jié)構(gòu)整體計算結(jié)果

6.2樓層地震剪力的分配

規(guī)定水平力下底層各剪力墻承擔的地震剪力及框架承擔的地震剪力見表3。

表3　框架和剪力墻承擔剪力、傾覆力矩情況

剪力墻承擔的地震剪力約占樓層總剪力的80%～85%左右?？蚣艹袚牡卣鸺袅φ紭菍涌偧袅Υ笥?0%。根據(jù)《高規(guī)》[1]9.1.11條，取結(jié)構(gòu)底部總剪力的20%和框架部分地震剪力最大值的1.5倍二者的較小值對框架部分承擔的地震剪力進行調(diào)整。

6.3豎向構(gòu)件驗算

結(jié)構(gòu)一層柱最大軸壓比為0.85，剪力墻最大軸壓比為0.45，計算結(jié)果表明，在多遇地震作用下，框架柱、剪力墻均能保持彈性狀態(tài)。

本工程還對去掉裙房后的塔樓部分進行多遇地震下的計算，復核這種情況下的結(jié)構(gòu)構(gòu)件配筋，保證結(jié)構(gòu)在裙房破壞的情況下，主體塔樓仍能正常使用。

6.4彈性時程分析

工程按照安評報告，選取兩條天然波(T632，T634)和一條人工波(R631)，取場地地面最大加速度為37cm/s2，輸入SATWE進行多遇地震下的彈性動力時程分析，得出以下結(jié)論：

(1)在地震力作用下，結(jié)構(gòu)的最大層間位移角為1/1 826(X向，15層)、1/1 319(Y向，15層),均滿足規(guī)范的要求；

(2)各時程工況底部總剪力見表4，從表中可見每條地震波底部剪力均不小于CQC法結(jié)果的65%，平均底部剪力均不小于CQC法結(jié)果的80%，說明地震波選擇可行。

表4　各時程工況底部總剪力　kN

工程時程分析補充計算結(jié)果滿足規(guī)范的各項要求，且時程結(jié)果總體上小于規(guī)范反應(yīng)譜結(jié)果，按照《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[1]4.3.5條，取時程法計算結(jié)果的包絡(luò)值和反應(yīng)譜法計算結(jié)果的較大值作為結(jié)構(gòu)設(shè)計的依據(jù)。

6.5多遇地震分析小結(jié)

通過多遇地震下的計算，結(jié)果表明：

(1)兩個計算程序結(jié)果基本一致，表明計算模型能很好的模擬工程的實際情況；

(2)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性驗算及重力二階效應(yīng)均滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[1]5.4的規(guī)定;

(3)大多數(shù)樓層的水平地震剪力滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程 》[1]4.3.12 條規(guī)定，不滿足部分已作調(diào)整;

(4)風荷載及地震作用下的樓層層間位移滿足規(guī)范有關(guān)的規(guī)定限值；

(5)風荷載及地震作用下各構(gòu)件強度均滿足規(guī)范有關(guān)的設(shè)計規(guī)定；

(6)剪力墻、柱的軸壓比滿足規(guī)范有關(guān)的規(guī)定限值；

(7)結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一周期Tt與平動為主的第一周期T1之比小于0.85，滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[1]4.3.5條規(guī)定；

(8)結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)規(guī)則性驗算顯示扭轉(zhuǎn)比小于1.4，滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[2]及《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[1]的規(guī)定。

總體而言，結(jié)構(gòu)在風及多遇地震作用下，能保持良好的抗側(cè)性能和抗扭性能，主要指標均滿足抗震設(shè)計第一階段的結(jié)構(gòu)性能目標要求。

7　設(shè)防地震作用下的結(jié)構(gòu)承載力復核

7.1本工程在設(shè)防地震作用下結(jié)構(gòu)的抗震性能目標(表1)

設(shè)防地震作用下的地震計算參數(shù)按規(guī)范取值，地震影響系數(shù)最大值αmax=0.23，場地特征周期Tg=0.55s。

7.2計算條件及假定

7.2.1核心筒中震不屈服，在結(jié)構(gòu)分析程序進行設(shè)防地震作用下結(jié)構(gòu)承載力計算時，采用如下計算條件：

(1)地震影響系數(shù)最大值取規(guī)范提供的0.23；

(2)荷載分項系數(shù)取1.0，保留組合系數(shù)；

(3)結(jié)構(gòu)計算不考慮構(gòu)件抗震等級；

(4)材料強度取標準值；

(5)風荷載不參與計算。

計算結(jié)果核心筒剪力墻的配筋均未出現(xiàn)超筋，核心筒底層剪力墻的最大軸壓比為0.44。

7.2.2躍層柱中震彈性，在結(jié)構(gòu)分析程序進行設(shè)防地震作用下結(jié)構(gòu)承載力計算時，采用如下計算條件：

(1)地震影響系數(shù)最大值取規(guī)范提供的0.23；

(2)荷載分項系數(shù)按規(guī)范取值；

(3)結(jié)構(gòu)計算不考慮構(gòu)件抗震等級；

(4)材料強度取設(shè)計值；

(5)風荷載不參與計算。

計算結(jié)果中震彈性時躍層柱最大軸壓比為0.78。

7.3從中震計算的配筋及軸壓比結(jié)果可以看出

(1)核心筒墻體在底部6層所需配筋增加較多，但抗彎和抗剪均不屈服，也都滿足最小抗剪截面要求；七層以上核心筒墻體均為構(gòu)造配筋，剪力墻不屈服，可以滿足預(yù)定抗震性能目標；

(2)底部加強區(qū)核心筒墻體按中震不屈服分析底部不出現(xiàn)受拉區(qū)；

(3)局部躍層混凝土柱均未發(fā)生彎曲和剪切破壞，滿足中震彈性要求。

因此本工程可以實現(xiàn)設(shè)防地震下關(guān)鍵結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能目標。

8　罕遇地震下的推覆計算及結(jié)論

為確保結(jié)構(gòu)的安全性，實現(xiàn)“大震不倒”的抗震目標，工程還補充進行了罕遇地震下的彈塑性變形驗算。計算采用的軟件為MIDAS BUILDING，罕遇地震作用下的地震計算參數(shù)按規(guī)范取值，地震影響系數(shù)最大值αmax=0.50，場地特征周期Tg=0.55s，計算采用靜力彈塑性計算方法，得到X、Y向靜力彈塑性工況下罕遇地震下的能力譜和需求譜曲線，罕遇地震下的結(jié)構(gòu)層間彈塑性位移角X向最大為1/267，在結(jié)構(gòu)14層，Y向最大為1/261，在結(jié)構(gòu)11層，最大層間彈塑性位移角結(jié)果均小于規(guī)范規(guī)定的1/100的要求；結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的變形可以實現(xiàn)“大震不倒”的抗震設(shè)防目標。

9　結(jié)構(gòu)設(shè)計特點

9.1空心樓板的應(yīng)用

本結(jié)構(gòu)采用梁板結(jié)構(gòu)體系，由于上部結(jié)構(gòu)樓板開間及進深較大，通過多方比較及與甲方溝通，上部標準層大板(進深10.5m)采用蜂巢芯空心板，其中250mm厚蜂巢芯板等效厚度相當于138.8mm，使用了16 585m2，300mm厚蜂巢芯板等效厚度相當于156.4mm，使用了4 481m2，裙房由于大開洞未采用空心板，屋面不采用空心板；地面層未采用空心板以避免裂縫產(chǎn)生的不利影響，地下二層頂板采用竹芯空心板，其中人防區(qū)域采用320mm厚竹芯空心板，板頂厚度100mm，等效厚度相當于216mm滿足人防要求，非人防區(qū)域采用270mm厚竹芯空心板等效厚度相當于166mm，竹芯空心板共使用了5 584m2。

空心樓板實質(zhì)是密肋梁設(shè)計，本工程采用空心樓板設(shè)計，結(jié)構(gòu)總重減少約76 740kN，可減少本工程直徑1 200mm沖孔灌注樁約13根，以本工程沖孔灌注樁樁長50m計算，按定額節(jié)約樁基造價近百萬元，另外，重量減輕，地震作用減小，主梁、柱斷面、配筋也更為經(jīng)濟；缺點是板造價增加、澆搗混凝土施工時須注意抗浮固定。

空心樓板的適用范圍為荷載大、大板、層高有要求等情況；計算板配筋時，采用實際厚度，計算主梁、柱及基礎(chǔ)時，采用等效板厚，其經(jīng)濟性才能得以體現(xiàn)。

9.2型鋼混凝土柱的應(yīng)用

框架-核心筒結(jié)構(gòu)中，框架的抗震等級為二級，柱軸壓比要求小于0.85，本工程采用型鋼混凝土柱，根據(jù)《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[3](JGJ138-2001)，柱軸壓比要求小于0.80，但公式變?yōu)镹/(fc*Ac+fa*Aa)；采用普通鋼筋混凝土柱時，斷面要1 500mm×1 500mm，改用型鋼混凝土柱，斷面最大只要1 200mm×1 200mm，對建筑的空間利用及效果十分有利。工程型鋼混凝土柱只用到11層(計算至第十層)，型鋼柱與梁連接采用鋼牛腿，主梁鋼筋每排控制6根，中間2根焊在鋼牛腿上，邊上2+2根穿過鋼柱，所穿鋼筋孔洞均為工廠預(yù)留，不在工地現(xiàn)場切割，設(shè)計時牛腿的標高須注意與焊接鋼筋相吻合。

9.3預(yù)應(yīng)力混凝土懸挑梁及預(yù)應(yīng)力大跨度梁

預(yù)應(yīng)力梁設(shè)計主要是為了減小斷面、控制裂縫、撓度，保證建筑凈高使用，工程裙房報告廳部分因功能需要出現(xiàn)17.5m跨度，采用預(yù)應(yīng)力混凝土梁，該部分預(yù)應(yīng)力梁設(shè)計時，因剛度要求，其下柱斷面平面內(nèi)尺寸較大，設(shè)計時須注意其對裙房報告廳平面的影響；本工程主樓上部多層平面局部挑梁跨度達6m，工程對跨度>4.0m的挑梁均采用預(yù)應(yīng)力混凝土梁，考慮豎向地震作用；由于本工程十一層以下采用型鋼混凝土柱，與型鋼混凝土柱相交的預(yù)應(yīng)力混凝土挑梁采用雙梁布置，以避開型鋼混凝土柱中的型鋼，更好地傳遞彎矩。

9.4外墻內(nèi)斜與外斜的處理

本工程立面造型特殊，外部墻面為翹曲型，許多外墻向外傾斜以及向內(nèi)傾斜，向外傾斜最大7.37°，4.5m單層層高內(nèi)就傾斜540mm左右，設(shè)計有以下3種處理方式：

(1)砌斜磚墻，但斜度太大的有安全隱患。

(2)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土板120mm～150mm，滿足建筑要求，防水好，但自重大、難施工，且影響結(jié)構(gòu)的剛度。

(3)采用預(yù)制復合輕質(zhì)水泥纖維墻板，自重輕， 密度1kN/m2～2kN/m2左右，預(yù)制復合輕質(zhì)水泥纖維墻板抗沖擊、抗壓、抗彎、隔聲、耐火、傳熱均能滿足設(shè)計要求，缺點是造價略高，施工時須注意接縫處防水問題、裂縫問題的處理以杜絕后患。

本工程大量斜墻部分斜度較小的采用砌斜磚墻，其余最后采用了預(yù)制復合輕質(zhì)水泥纖維墻板，加快了施工進度。

9.5金庫設(shè)計

根據(jù)《銀行業(yè)務(wù)庫安全防范要求》[4](GA858-2010)要求，庫房的墻、頂板、底板應(yīng)為六面鋼筋混凝土整體現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，庫房墻體宜選用C50以上的商品混凝土， 墻體厚度應(yīng)大于等于240mm。若將金庫墻與主體結(jié)構(gòu)連接，輸入主體結(jié)構(gòu)中計算，由于剛度的突變，上下層梁柱剪力墻多處會出現(xiàn)計算異常，本工程在金庫設(shè)計時，將金庫墻與主體結(jié)構(gòu)柱墻脫離、與上一層梁板不連接，金庫底板利用主體結(jié)構(gòu)樓板、金庫頂板單獨設(shè)置，不利用主體結(jié)構(gòu)頂板，將墻體當作荷載輸入，避免了計算異常，滿足了結(jié)構(gòu)設(shè)計及金庫設(shè)計的要求。

10　結(jié)論

超限高層福建海峽銀行辦公大樓結(jié)構(gòu)設(shè)計采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)大量使用了空心樓板、型鋼混凝土柱、預(yù)應(yīng)力混凝土梁，通過對結(jié)構(gòu)的性能化設(shè)計，證明結(jié)構(gòu)在風及多遇地震作用下，能保持良好的抗側(cè)性能和抗扭性能；在設(shè)防地震下局部關(guān)鍵結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能目標能滿足中震彈性要求、中震不屈服要求；結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的變形能滿足 “大震不倒”的抗震設(shè)防目標。

[1]JGJ3-2010 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[2]GB50011-2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[3]JGJ138-2001 型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.

[4]GA858-2010銀行業(yè)務(wù)庫安全防范要求[S].北京：中國標準出版社，2010.

Structural Design Out-of-codes of Fujian Haixia Bank Office Tower

WENG JinhuaZHUANG Chen

(Fuzhou Architectural Design Institute, Fuzhou 350011)

This article introduce the structural design characteristics and structure system of Fujian Haixia Bank Office Tower ,it also discuss the out-of-codes type 、seismic performance objectives of the core shear walls and the cross-column、checking with multiple software and the elastic time processing analysis under frequent earthquake、performance-based seismic design of the key components、push-over analysis under rare earthquake. Besides, this article introduce the hollow floor、the steel reinforced concrete column and the prestressed concrete beam.

Structural design out-of-codes;Seismic performance objectives;Hollow floor;Steel reinforced concrete column

翁錦華(1966.08-)男，教授級高工。E-mail:1633166909@qq.com

2016-08-05

TU3

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1004-6135(2016)09-0047-06