李 熹

(福州市規(guī)劃設計研究院,福州 350108)

1 工程概況

本工程位于福州市鼓樓區(qū)古田路南側,西側為中美大廈(28層框架-剪力墻混凝土結構,一層地下室),東側為古樂路,南側為閩都創(chuàng)業(yè)公寓及高橋新村(8～9層框架結構)。擬建建筑為1幢28層框架-支撐芯筒結構辦公樓,大屋面標高116.70 m,建筑高度129.45 m;1幢24層框架-支撐芯筒結構酒店,大屋面標高91.85 m,建筑高度99.45 m。2幢高層間為5層商業(yè)裙樓,三者間設置抗震縫完全斷開,滿堂布置四層地下室。本工程+0.00相當于羅零7.60,場地整平標高約6.0 m,基坑周長約500 m,單層地下室面積約10 000 m2,坑底相對標高為-20.150 m,實際開挖深度約18.55 m,建筑效果圖如圖1所示,辦公樓剖面圖如圖2所示。

2 結構體系與結構布置

本工程兩座塔樓采用框架-支撐芯筒結構體系,外框架采用鋼管混凝土柱和型鋼混凝土梁組成的抗側力體系,內核心筒采用矩形鋼管混凝土柱和型鋼支撐組合而成的支撐芯筒抗側力體系。區(qū)別于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土剪力墻核心筒,本工程采用支撐芯筒主要出于以下幾點考慮:

圖1 建筑效果圖Fig.1 Architecture rendering drawing

圖2 辦公樓剖面圖(單位:mm)Fig.2 Office building section view (Unit:mm)

(1) 支撐芯筒可以減輕核心筒的自重,對地基和基礎的設計產生直接的經濟效益。

(2) 支撐芯筒可以方便地調整支撐布置和剛度,達到調整整個核心筒抗側剛度的目的。如以傳統(tǒng)的鋼筋混凝土剪力墻核心筒概念設計,本工程剪力墻墻厚為400～500 mm;對于層高突變的避難層、設備層,剛度的調整一般是通過墻厚的增減來實現,調整難度很大,容易形成薄弱層。而支撐芯筒可以通過調整支撐的截面、支撐的布置來實現剛度的調整,因而支撐芯筒更加科學合理。

因本工程與地鐵相鄰,工期緊,擬采用蓋挖逆作法進行地下室的設計與施工。傳統(tǒng)的剪力墻核心筒如采用逆作法施工,剪力墻的施工質量較難控制,因而常采用順作施工,效率不高,工期較長,不能完全發(fā)揮出逆作法的優(yōu)勢。采用支撐芯筒,主體芯筒的鋼管混凝土柱可以同時作為逆作法支撐體系的一部分,避免了傳統(tǒng)做法需要設置托梁的工序,充分利用主體結構,地上地下可以同時施工,減少了工期,經濟合理。

本工程較高塔樓(辦公樓)標準層平面布置圖如圖3所示,標準層布置軸側圖如圖4所示,1-1剖面如圖5所示,2-2剖面如圖6所示。

圖3 辦公樓標準層結構布置平面圖(單位:mm)Fig.3 Typical structure plan of office building (Unit:mm)

圖4 辦公樓標準層結構布置軸測圖Fig.4 Typical structure isometric view of office building

圖5 1-1剖面 Fig.5 1-1 section view

圖6 2-2剖面Fig.6 2-2 section view

3 設計參數

3.1 主要設計參數

本工程設計使用年限為50年,結構安全等級為二級;基本風壓取0.70 kN/m2,地面粗糙類別C類,風壓體型系數取1.4,結構抗震設防類別為標準設防類,場地類別為Ⅲ類,抗震設防烈度為7度(0.1g),設計地震分組為三組,阻尼比取0.04。

3.2 阻尼比的討論

影響結構阻尼比的因素很多,因此準確確定結構的阻尼比是一件比較困難的事情。本工程抗側力構件主要是鋼管混凝土柱,主梁常用的做法是采用鋼梁或者鋼筋混凝土梁,但是基于本項目甲方防火防腐維護成本及使用空間的要求,提出了主梁采用型鋼混凝土梁的方案,阻尼比指標主要以《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》[2]《鋼管混凝土結構技術規(guī)范》[3]《組合結構設計規(guī)范》[4]為參考依據。相關規(guī)范條文如表1所示。

表1阻尼比規(guī)范相關條文

Table 1Code rules for damping ratio

由本工程梁柱所使用的材料可知,本工程的結構可定性為混合結構,阻尼比宜取0.04,取值大于《鋼管混凝土結構技術規(guī)范》[3]中采用鋼梁的實心鋼管混凝土結構的阻尼比0.035,是合理的。

3.3 位移角的討論

本工程抗側力構件主要是鋼管混凝土柱,位移控制參考指標以《鋼管混凝土結構技術規(guī)范》[3]《組合結構設計規(guī)范》[4]《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》[2]《建筑抗震設計規(guī)范》[1]為依據,本工程由于采用了支撐芯筒,結構體系上可以參考框架結構、框架-支撐結構、框架-核心筒結構來進行界定,雖然采用了支撐芯筒,但是完全參照框架-核心筒位移指標來進行設計又顯得不太合理,傳統(tǒng)框架-核心筒的位移指標大部分是基于鋼筋混凝土的實踐和經驗得來的,由《鋼管混凝土結構技術規(guī)范》[3]的條文說明可知,鋼管混凝土的抗震性能和抗倒塌性能優(yōu)于鋼筋混凝土結構,位移指標可以得到適當放寬,《鋼管混凝土結構技術規(guī)范》[3]里框架-核心筒的“核心筒”指的是鋼筋混凝土剪力墻核心筒,而本工程采用的是支撐芯筒,從體系上來說又類似框架-支撐結構體系,從這個角度出發(fā),位移角也可以適當放寬,若勉強要滿足框架-核心筒1/800的要求,則結構的主要抗側構件尺寸(如支撐)將大幅加大,不利于建筑的空間使用和門洞布置,從綜合經濟和使用角度來說并不合理。根據本工程超限審查專家組的意見[9],本工程的位移角指標可參考《建筑抗震設計規(guī)范》[1]附錄G.1.4-4條的規(guī)定,按框架和框架-核心筒結構內插確定,因本工程主梁采用型鋼混凝土的做法在高層建筑中比較少見,位移角指標保守取為1/700。

3.4 抗震等級

本工程根據《鋼管混凝土結構技術規(guī)范》[3]對于框架-支撐、框架-核心筒,《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》[2]對于鋼管混凝土框架-鋼筋混凝土核心筒,以及《組合結構設計規(guī)范》[4]對于鋼管混凝土框架-鋼筋混凝土核心筒的規(guī)定,設防烈度為7度,高度小于130 m,框架和支撐芯筒的抗震等級確定為二級。

4 結構超限情況

4.1 結構體系超限

結構體系超限分析如表2所示。

表2結構體系超限情況

Table 2Out of code assessment for structure system

4.2 不規(guī)則情況分析

不規(guī)則情況分析如表3所示。

表3結構不規(guī)則情況

Table 3Regularity assessment for structure system

4.3 超限情況小結

辦公樓采用規(guī)范未規(guī)定的新結構體系,辦公樓存在兩項不規(guī)則:扭轉不規(guī)則,樓板不連續(xù)。

5 結構性能目標

根據《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》[2]3.11.1及3.11.2規(guī)定,本工程總體結構性能目標為C級;根據《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》[2]3.11.1及3.11.2規(guī)定,《建筑抗震設計規(guī)范》[1]M.1.1規(guī)定,本工程構件性能目標如表4所示。

表4構件性能目標

Table 4Performance goals for structure members

6 多遇地震結構分析

本工程分別采用盈建科和MIDAS BUILDING兩種軟件對結構體系進行分析,具體對比結果如表5所示。通過對比可知,兩種軟件在主要計算控制指標上數值接近,由軟件得到的計算結果是比較合理準確的,結構設計可以滿足安全可靠的要求。根據《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》[2]4.3.4條的規(guī)定,大于100 m的7度丙類高層需要采用彈性時程分析法進行多遇地震下的補充計算。因此本工程選取了7條地震波(5條地震波,2條人工波)對結構體系進行了多遇地震的時程分析,分析結果表明,本工程選擇的單條波計算所得結構底部剪力不小于振型分解反應譜法計算結果的65%,多條波計算所得結構底部剪力的平均值不小于振型分解反應譜法計算結果的80%,多組時程波的平均地震影響系數曲線與振型分解反應譜法所用的地震影響系數曲線相比,在對應于結構主要振型的周期點上相差不大于20%,滿足《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》[2]和《建筑抗震設計規(guī)范》[1]的要求。

表5整體結構計算結果對比

Table 5Comparison of results for structure system

7 多道防線分析

本結構采用框架-支撐芯筒結構體系,支撐芯筒為抗震第一道防線,外框架為抗震第二道防線,由于軟件統(tǒng)計的是所有框架柱和支撐的剪力和傾覆彎矩,采用人工計算復核外框架和支撐芯筒的剪力和傾覆彎矩分配比例,計算結果如表6所示。核心筒的剪力比和傾覆彎矩比均大于50%,可以作為抗震第一道防線,外框架的剪力比大于10%,滿足《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》[2]9.1.11條對框架-核心筒結構外框架的要求,可以作為抗震第二道防線。 經復核,本工程各層框架承擔的地震剪力均不小于結構底部縱地震剪力的20%,根據《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》[2]9.1.11條的條文說明,框架地震剪力可不進行調整。

表6底部傾覆彎矩分配比例

Table 6Distribution ratio of bottom overturning moment

8 設防地震結構分析

根據表4構件性能目標及超限審查的要求,底部加強部位以下的豎向構件和支撐均按中震不屈服復核,局部躍層柱按中震彈性復核。躍層柱承擔的剪力應不小于相應樓層框架柱平均剪力的1.2倍,需考慮在中震下水平位移所產生的二階效應,并按躍層柱高度進行穩(wěn)定性驗算及采取加強措施。經復核,底層豎向構件中震最大應力比為0.94,支撐最大應力比為0.99,躍層柱最大應力比為0.98,均滿足規(guī)范要求。

9 罕遇地震結構分析

采用MIDAS BUILDING對本工程結構體系進行靜力彈塑性分析,得出以下結論:

(1) 罕遇地震下X方向最大層間位移角為1/103,Y方向最大層間位移角為1/156,均滿足規(guī)范要求。

(2) 罕遇地震下,支撐芯筒先于外框架進入非線性狀態(tài),框架能充分發(fā)揮抗震第二道防線的作用。對于支撐芯筒,芯筒內的支撐比芯筒內的框架柱先進入非線性狀態(tài),可以起到耗能作用,保護了芯筒內的框架柱。

(3) 本工程在性能點處大部分柱鉸處于彈性狀態(tài),只有少部分底部加強區(qū)的柱鉸進入了FEMA規(guī)定的IO(直接使用)彈塑性狀態(tài)。對于框架梁鉸,約17%處于IO(直接使用)彈塑性狀態(tài),8%處于LS(生命安全)彈塑性狀態(tài),僅在底部加強區(qū)出現了個別的CP(防止倒塌)塑性鉸,其余大部分框架鉸仍處于彈性狀態(tài)。

以上結果表明本工程結構體系耗能良好,安全可靠。

10 結 論

本文對閩投營運中心的框架-支撐芯筒結構體系進行了綜合的計算分析和闡述,并對相關的一些設計參數作出了探討。通過兩種軟件和多種地震情況下的對比分析,本工程所采用的結構體系具有多道抗震防線,耗能性良好,能滿足規(guī)范要求的各項指標,實現了抗震性能化設計,安全合理。由于建筑方案的限制,支撐芯筒中支撐布置的方案可選擇性不多,對于支撐芯筒中最優(yōu)最合理的支撐布置可以進行更深一步的研究?？蚣?支撐芯筒結構體系跟傳統(tǒng)的框架核心筒結構體系有一些區(qū)別,外框架和支撐芯筒的協(xié)同作用也有待更進一步的研究。