陳建興

(1.華東建筑設(shè)計(jì)研究總院,上海 200002; 2.上海超高層建筑設(shè)計(jì)工程技術(shù)研究中心,上海 200002)

1 概述

蘇州兆潤財(cái)富中心(圖1)位于蘇州工業(yè)園區(qū)湖西CBD,地上部分包括東、西兩座塔樓和裙房,地上部分建筑面積約158 000 m2,主要功能為高級(jí)辦公和商業(yè)。東塔和西塔地上分別為32層和45層,建筑高度分別為165 m和230 m,結(jié)構(gòu)高度分別為139 m和199 m;裙房4層,屋面高度約21.5 m。

本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限50年,安全等級(jí)為二級(jí)。50年一遇基本風(fēng)壓為0.45 kN/m2,抗震設(shè)防烈度6度,場地特征周期為0.45 s。根據(jù)地震安評(píng)報(bào)告,本項(xiàng)目地震作用未規(guī)范反應(yīng)譜的2.125倍。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,小震計(jì)算采用安評(píng)報(bào)告的地震動(dòng)參數(shù),中震和大震作用計(jì)算取規(guī)范的地震動(dòng)參數(shù)。

圖1 建筑實(shí)景圖Fig.1 Architectural perspective

2 結(jié)構(gòu)體系和選型

2.1 抗震縫設(shè)置

蘇州兆潤財(cái)富中心地上部分東西向較長約142 m,東、西塔樓之間設(shè)有中庭,其北側(cè)為完全敞開空間,南側(cè)在3～5層為長條形樓板聯(lián)系東、西塔樓,因此東、西塔樓間的聯(lián)系非常薄弱且不均勻。為此設(shè)計(jì)人員在中庭西側(cè)設(shè)置防震縫(圖2),將地上結(jié)構(gòu)分成東、西兩個(gè)獨(dú)立且規(guī)則的結(jié)構(gòu)單體,防震縫寬度100 mm。

圖2 塔樓和防震縫設(shè)置Fig.2 Layout of seismic isolation joint

2.2 塔樓結(jié)構(gòu)選型

結(jié)合建筑平面布置,塔樓抗側(cè)力結(jié)構(gòu)采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)(圖3),由框架和核心筒組成雙重設(shè)防體系的抗側(cè)結(jié)構(gòu)體系[1]來抵抗風(fēng)荷載和地震作用引起的剪力和傾覆力矩。

圖3 塔樓結(jié)構(gòu)體系示意Fig.3 Frame-core wall structural system in the towers

塔樓從上到下平面保持不變,結(jié)構(gòu)平面布置見圖4。核心筒為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),位于平面中央,容納塔樓豎向交通和設(shè)備用房,提供結(jié)構(gòu)主要的抗側(cè)剛度。東塔核心筒平面呈長條形,外墻厚度從下到上由750 mm縮小到450 mm,內(nèi)墻厚度從下到上由600 mm縮小到250 mm。西塔核心筒平面接近正方形,外墻厚度由900mm縮小至450 mm,內(nèi)墻厚度由400 mm縮小至250 mm。核心筒混凝土強(qiáng)度從下到上逐漸從C60變化為C40。

圖4 塔樓結(jié)構(gòu)平面布置圖Fig.4 Typical floor plan of towers

外框結(jié)構(gòu)可選擇混合結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),混合結(jié)構(gòu)由鋼管混凝土柱和鋼框架梁組成外框架,對(duì)應(yīng)的樓蓋為鋼梁-壓型鋼板組合樓板。鋼筋混凝土框架對(duì)應(yīng)的樓蓋結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土梁板式樓蓋。

相對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),混合結(jié)構(gòu)有以下優(yōu)點(diǎn):①混合結(jié)構(gòu)延性更好,抗震性能更優(yōu);②結(jié)構(gòu)總質(zhì)量比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)輕15%,地震力明顯小于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu);③圓鋼管混凝土柱承載力高,而且柱內(nèi)力更小(總質(zhì)量小),柱的截面面積明顯小于鋼筋混凝土柱,單層柱的截面面積可節(jié)省18 m2,建筑空間利用率更高;④樓蓋結(jié)構(gòu)高度比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)少100 mm,同時(shí)鋼梁腹板可以開洞方便設(shè)備管線穿越,從而為建筑提供更優(yōu)凈高;⑤圓鋼管混凝土柱和壓型鋼板組合樓板均可以免模施工,施工速度快,為綠色節(jié)能結(jié)構(gòu)。雖然混合結(jié)構(gòu)比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)用鋼量高,材料費(fèi)用比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)高15%,綜合比選,塔樓采用混合結(jié)構(gòu)。

東塔樓框架柱的鋼管從下到上由1 400 mm縮小為600 mm,西塔樓框架柱的鋼管從下到上由1 500 mm縮小為600 mm?？蚣芰焊叨?00～900 mm。

外框架與核心筒之間的樓面梁采用鉸接,避免框架柱與核心筒之間豎向變形差引起的二次彎矩。

在塔樓的頂部有較高的塔冠,東塔和西塔的塔冠高分別為25 m和30 m。塔冠結(jié)構(gòu)采用鋼框架支撐結(jié)構(gòu)體系以減輕結(jié)構(gòu)重量(圖5)。

圖5 塔冠框架支撐結(jié)構(gòu)(單位:mm)Fig.5 Braced frame structure of the crown (Unit:mm)

3 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和抗震性能目標(biāo)

3.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

由于建筑布局、造型以及功能布置的特殊要求,本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)有以下特點(diǎn):①由于地塊較小,東、西塔樓比較接近,高度較高,風(fēng)荷載作用存在塔樓相互干擾的問題;②為保證建筑功能聯(lián)系性,整個(gè)項(xiàng)目僅設(shè)置一道抗震縫,裙房與塔樓之間不再設(shè)縫,裙房所在樓層裙房凸出塔樓范圍邊長的35%,扭轉(zhuǎn)位移比較大達(dá)1.38等平面不規(guī)則;③東、西塔樓通過平面南北錯(cuò)動(dòng)獲得建筑需要的立面造型,而且塔樓平面東北角不能設(shè)柱,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)外框梁在東北角部不能封閉;④塔樓底部5層外框柱暴露在外面,形成5層高約30.8 m的跨層柱;⑤塔樓頂部結(jié)合立面變化設(shè)置不同高度的塔冠,塔冠突出結(jié)構(gòu)大屋面25～30 m,塔冠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需考慮鞭梢效應(yīng)。

3.2 抗震性能目標(biāo)

結(jié)構(gòu)整體上屬于抗震超限的高層建筑,根據(jù)工程超限情況和結(jié)構(gòu)特點(diǎn),結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中選擇合理的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系,結(jié)構(gòu)布置力求均勻規(guī)則,采用性能化設(shè)計(jì)方法,通過整體結(jié)構(gòu)彈性分析、彈塑性分析結(jié)構(gòu)以及特殊部位精細(xì)分析,結(jié)合分析結(jié)果,對(duì)特殊部位和關(guān)鍵部位進(jìn)行加強(qiáng),確保整體結(jié)構(gòu)抗震性能。本工程的抗震性能目標(biāo)如表1所示。

考慮塔樓下部5層為人數(shù)相對(duì)集中的商業(yè)功能,適當(dāng)提高底部結(jié)構(gòu)的抗震性能,將剪力墻底部加強(qiáng)區(qū)高度延伸至F7層樓面,同時(shí)提高底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻和框架柱的抗震性能,使其滿足中震不屈服的要求。

表1結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)

Table 1 Seismic performance of structure

4 整體結(jié)構(gòu)分析

整體結(jié)構(gòu)分析采用通用有限元軟件ETABS,塔樓結(jié)構(gòu)地下一層的剛度大于首層的兩倍,計(jì)算時(shí)塔樓嵌固在地下室頂板,樓板采用彈性膜單元模擬。

結(jié)構(gòu)前3階振型如表2所示,結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)周期比均小于0.85,說明扭轉(zhuǎn)與平動(dòng)耦聯(lián)比例較低,滿足規(guī)范要求。

表2結(jié)構(gòu)前3階振型

Table 2 Natural modes of structures

整體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)主要性能指標(biāo)見表3。東塔兩個(gè)方向的剪重比均大于1.6%,西塔兩個(gè)方向的剪重比大于1.2%,滿足規(guī)范要求。東塔兩個(gè)方向的層間位移角均小于1/800,西塔兩個(gè)方向的層間位移角均小于1/615,滿足規(guī)范的要求。

東、西塔結(jié)構(gòu)X向、Y向的剛重比均大于1.4,結(jié)構(gòu)滿足整體穩(wěn)定的要求。西塔兩個(gè)方向的剛重比小于2.7,結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形分析中需考慮P-Δ效應(yīng)的影響。

表3整體結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)

Table 3 Mechanical behaviors of structures

東、西塔樓本層與上一層的剛度比均大于0.7,本層與上三層平均剛度的比值均大于0.8,說明整體結(jié)構(gòu)不存在軟弱層。

5 靜力彈塑性分析[3]

靜力彈塑性分析采用PKPM系列軟件PUSH進(jìn)行分析。以西塔推覆曲線為例(圖6),結(jié)構(gòu)在設(shè)防烈度地震作用下基本保持彈性。在罕遇地震作用下框架結(jié)構(gòu)仍基本保持彈性,核心筒連梁出現(xiàn)塑性鉸,底部剪力墻開始拉裂,主要構(gòu)件抗震性能目標(biāo)滿足要求。當(dāng)水平推覆力繼續(xù)增大,越來越多連梁開始進(jìn)入屈服、底部更多剪力墻墻肢拉裂,框架梁開始屈服,整體結(jié)構(gòu)剛度繼續(xù)不斷下降。罕遇地震下,西塔X向、Y向樓層的最大彈塑性層間位移角分別為1/418和1/342,均小于1/100的限值要求。罕遇地震下結(jié)構(gòu)層間變形沿豎向變化均勻,說明結(jié)構(gòu)剛度不存在突變,也不存在薄弱層。

圖6 基底剪力和頂部位移曲線Fig.6 Curves of base shear-displacement at top

6 設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題及對(duì)策

6.1 相鄰塔樓風(fēng)荷載干擾系數(shù)計(jì)算

本項(xiàng)目兩個(gè)塔樓的平面位置關(guān)系如圖7所示,兩個(gè)塔樓距離較近,在風(fēng)荷載計(jì)算中考慮了相鄰高層建筑的干擾。設(shè)計(jì)中參考了上海市高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程[4],對(duì)受擾建筑的順風(fēng)向風(fēng)荷載體型系數(shù)乘以干擾因子ηm來考慮施擾建筑的影響。表4為東、西塔樓兩個(gè)方向的風(fēng)荷載干擾系數(shù)計(jì)算?？紤]相鄰建筑物干擾后,風(fēng)荷載體型系數(shù)最大可放大1.043倍。

6.2 外框不封閉的影響分析

由于建筑特殊體型和角柱缺失導(dǎo)致塔樓東北角凹角部位框架梁缺失,外框架無法封閉。以西塔樓為例,假設(shè)外框架在凹角處增加框架梁,形成封閉框架(圖8),通過對(duì)比分析,評(píng)價(jià)外框架是否封閉對(duì)整體結(jié)構(gòu)剛度、扭轉(zhuǎn)變形以及框架承擔(dān)的地震作用等塔樓整體性能的影響。

圖7 東西塔樓平面尺寸和距離(單位:mm)Fig.7 Location of two towers (Unit:mm)

表4相鄰建筑風(fēng)荷載干擾系數(shù)計(jì)算

Table 4 Interference factors of wind consider disturbance

圖8外框架封閉布置圖Fig.8 Layout of structure with closed outer frame

對(duì)比分析表明,外框架封閉后,結(jié)構(gòu)平動(dòng)周期減小約0.39%,結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)周期減小約0.1%,結(jié)構(gòu)最大扭轉(zhuǎn)位移比也基本接近,說明外框架是否封閉不影響結(jié)構(gòu)整體動(dòng)力特性。

由于塔樓外框架為稀柱框架,這類框架的抗側(cè)剛度和抗傾覆能力主要由平面內(nèi)框架(腹板框架)提供,與之垂直的翼緣框架幾乎不提供剛度,因此框架是否封閉幾乎不影響外框架剛度。計(jì)算表明結(jié)構(gòu)X向框架承擔(dān)的地震剪力和傾覆力矩沒有明顯變化;而Y向框架,增加角部框架梁相當(dāng)于其東側(cè)腹板框架增加一跨,由3跨變成4跨,因此該方向框架剛度有較明顯的增大,承擔(dān)的地震作用也略有增加(圖9)。

圖9 框架承擔(dān)剪力及傾覆力矩比較Fig.9 Comparison of shear and overturning moment carried by frame between closed and unclosed frame

考慮到地震作用下水平力通過樓板傳遞給周圍的抗側(cè)力結(jié)構(gòu),塔樓東北角區(qū)域樓板水平無法直接傳遞到外框架上,該部位仍是水平力傳遞中較為薄弱的部位。為此設(shè)計(jì)中加強(qiáng)角部區(qū)域的樓面梁使框架與核心筒更好地協(xié)同工作。設(shè)計(jì)中對(duì)凹角區(qū)域內(nèi),柱與柱、柱與核心筒相關(guān)的鋼梁均采用剛接連接,從構(gòu)造上提高外框的整體性。為保證樓層地震力能有效傳遞至周圍框架和核心筒,對(duì)凹角的部位的樓板進(jìn)行加強(qiáng),采用雙層雙向通長配筋,提高水平力下樓板的協(xié)調(diào)能力。

圖10 針對(duì)框架不封閉的加強(qiáng)措施Fig.10 Measures taken to strengthen unclosed frame

6.3 跨層柱分析

西塔底部F2-F6層南側(cè)的樓板邊線內(nèi)退使框架柱外露,形成高達(dá)30.8 m的跨層柱。為加強(qiáng)樓板對(duì)南側(cè)框架柱的約束,提高外框架的二道防線作用,對(duì)跨層柱采取以下加強(qiáng)措施:①框架柱與核心筒之間的樓面鋼梁與框架柱剛接,樓面梁靠近框架柱的范圍內(nèi)采用箱形截面,提高樓面梁對(duì)框架柱的面外約束剛度;②加強(qiáng)樓面內(nèi)收邊梁,并與箱形樓面鋼梁剛接(圖11);③將F6層以下按薄弱層設(shè)計(jì)[5],地震作用放大1.25倍。采取上述加強(qiáng)措施后,底部六層外框架剛度明顯增加,其承擔(dān)的地震剪力與基底剪力的比值明顯增大(圖12)。

圖12 框架承擔(dān)地震剪力與基底總剪力比值變化Fig.12 Change of shear carried by frame after cross stories’ column strengthened

西塔跨層柱的約束模型和第一階屈曲模態(tài)見圖13。由于在樓層處樓面梁對(duì)跨層柱存在一定的約束,跨層柱第一階屈曲模態(tài)接近兩個(gè)半波,而理想鉸接柱為一個(gè)半波,說明的加強(qiáng)后樓面鋼梁和內(nèi)收邊梁對(duì)跨層柱的平面內(nèi)方向有明顯的約束,考慮約束后柱的屈曲荷載明顯增大。西塔南側(cè)跨層柱第一階屈曲模態(tài)屈曲荷載P為455 216 kN,兩端理想鉸接柱的歐拉臨界力Ncr為105 366 kN,柱的計(jì)算長度系數(shù)μ為0.48,考慮加強(qiáng)后的樓層實(shí)際約束,跨層柱的有效計(jì)算長度明顯減小,可以取14.7 m。

圖13 跨層柱約束模型及一階屈曲模態(tài)(單位:mm)Fig.13 Buckling mode of cross stories column (Unit:mm)

7 結(jié) 論

蘇州兆潤財(cái)富中心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)合建筑功能和布置,選擇框架核心筒雙重抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系,采用性能化設(shè)計(jì)方法,確定合理的抗震性能目標(biāo),通過整體結(jié)構(gòu)彈性和彈塑性分析驗(yàn)證整體結(jié)構(gòu)性能。

由于建筑特殊體型和功能布置的要求,本項(xiàng)目兩個(gè)塔樓較高且較近,塔樓之間風(fēng)荷載干擾明顯,塔樓東北角外框梁不閉合、塔樓底部存在較高的跨層柱等特點(diǎn)。針對(duì)塔樓特點(diǎn),進(jìn)行深入分析和對(duì)比,驗(yàn)證塔樓結(jié)構(gòu)性能,同時(shí)提出合理的加強(qiáng)措施,確保關(guān)鍵部位的結(jié)構(gòu)性能。