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        深業(yè)中城超限結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

        2019-11-01 06:26:04劉云浪李建偉陳有仲凌振杰
        廣東土木與建筑 2019年10期
        關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)模型

        劉云浪,李建偉,陳有仲,寧 旭,凌振杰,張 鑫

        (悉地國(guó)際設(shè)計(jì)顧問(wèn)(深圳)有限公司 深圳 518048)

        1 工程概況

        深業(yè)中城項(xiàng)目位于深圳市福田區(qū)紅荔西與農(nóng)園路交匯處。項(xiàng)目總占地面積為36 115 m2,總建筑面積為350 440 m2。該項(xiàng)目由4 層地下室、4 層裙房及5 棟高層塔樓組成。其中,1 號(hào)樓為150.300 m 超高層住宅(46 層,標(biāo)準(zhǔn)層層高為 3.150 m),2 號(hào)樓為 99.650 m 高層住宅(30 層,標(biāo)準(zhǔn)層層高為3.150 m),3 號(hào)樓為99.650 m 高層住宅(30 層,標(biāo)準(zhǔn)層層高 3.150 m),6A號(hào)樓為185.200 m 辦公和公寓(44 層,辦公標(biāo)準(zhǔn)層層高 4.200 m,公寓標(biāo)準(zhǔn)層層高 3.600 m),6B 號(hào)樓為159.150 m 酒店和公寓(42 層,標(biāo)準(zhǔn)層層高 3.600 m),效果圖如圖1所示。其中,1 號(hào)樓、6A 號(hào)樓、6B 號(hào)樓屬于超限高層建筑,以下將主要對(duì)該3 棟塔樓進(jìn)行描述。

        圖1 建筑效果圖Fig.1 Architectural Rendering View

        2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

        1 號(hào)樓為剪力墻結(jié)構(gòu)。底部標(biāo)準(zhǔn)層平面為T(mén) 字形,39~47 層剪力墻內(nèi)收后為矩形;塔樓高寬比6.32。存在高度超限、扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、凹凸不規(guī)則、尺寸突變等多項(xiàng)超限情況[1-3]。結(jié)構(gòu)構(gòu)成及典型平面圖如圖2所示。

        6A 號(hào)樓為框架-核心筒結(jié)構(gòu)。底部標(biāo)準(zhǔn)層平面為矩形40.7 m×41.2 m,整體高寬比為4.55;首層核心筒尺寸為20.1 m×25 m,核心筒高寬比為9.21。39 層~44層?xùn)|側(cè)柱子內(nèi)退7 m,在38 層設(shè)置轉(zhuǎn)換層。底部存在通高24 m 躍層柱。存在高度超限、扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、樓板不連續(xù)、豎向構(gòu)件不連續(xù)、躍層柱等多項(xiàng)超限情況[1-3]。結(jié)構(gòu)構(gòu)成及典型平面圖如圖3所示。

        6B 號(hào)樓為框架-核心筒結(jié)構(gòu)。底部標(biāo)準(zhǔn)層平面為矩形29.0 m×50.0 m,整體的高寬比為5.49;核心筒長(zhǎng)扁形,首層核心筒尺寸為10.4 m×26.8 m,核心筒高寬比為15.30,核心筒設(shè)計(jì)為雙筒,筒間距為6.6 m。29 層?xùn)|側(cè)剪力墻轉(zhuǎn)換為框架柱。6B 塔樓存在高度超限、扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、樓板不連續(xù)等多項(xiàng)超限情況[1-3]。結(jié)構(gòu)構(gòu)成及典型平面圖如圖4所示。

        主要針對(duì)以上結(jié)構(gòu)特點(diǎn),對(duì)上部樓層豎向收進(jìn)、躍層柱、雙筒間連系梁、墻轉(zhuǎn)柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了專項(xiàng)分析。

        圖2 1 號(hào)塔樓結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Illustration of Tower 1 structure

        圖3 6A 號(hào)塔樓結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Illustration of Tower 6A Structure

        3 上部樓層剪力墻內(nèi)收分析

        1 號(hào)樓結(jié)構(gòu)在39 層~47 層剪力墻內(nèi)收,通過(guò)分析剪力墻內(nèi)收結(jié)構(gòu)(以下簡(jiǎn)稱“內(nèi)收結(jié)構(gòu)”)和不內(nèi)收結(jié)構(gòu)(以下簡(jiǎn)稱“不內(nèi)收結(jié)構(gòu)”)(見(jiàn)圖5)的樓層剛度比、樓層剪力、層間位移角以及剪力墻內(nèi)力等,以評(píng)估上部8 層剪力墻局部?jī)?nèi)收對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。

        圖4 6B 號(hào)塔樓結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Illustration of Tower 6B Structure

        圖5 內(nèi)收結(jié)構(gòu)和不內(nèi)收結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Illustration of Vertical Setback or Not

        3.1 樓層剛度比

        內(nèi)收結(jié)構(gòu)在39 層剪力墻內(nèi)收層剛度有小突變,主要為豎向構(gòu)件消失所致,但總體能保證結(jié)構(gòu)的剛度較平穩(wěn)過(guò)渡。樓層剛度比曲線如圖6所示。

        圖6 樓層剛度比曲線Fig.6 Illustration of Story Lateral Stiffness Ratio

        3.2 樓層剪力

        由于不內(nèi)收結(jié)構(gòu)剛度增加、質(zhì)量增加,導(dǎo)致樓層的地震剪力增加,X 向約增加10%~12%,Y 向增加5%~10%。內(nèi)收結(jié)構(gòu)在39 層剛度及質(zhì)量均有突變,因此39 層樓層剪力略有突變,但總體變化平緩。樓層剪力曲線如圖7所示。

        圖7 樓層剪力曲線Fig.7 Illustration of Story Shear

        3.3 最大層間位移角

        內(nèi)收結(jié)構(gòu)Y 向最大層間位移角較為敏感,主要表現(xiàn)在39 層剛度突變減弱后,Y 向最大層間位移角突然增加。在地震作用下,結(jié)構(gòu)X 向最大層間位移角相當(dāng);在風(fēng)荷載作用下,不內(nèi)收結(jié)構(gòu)X 向最大層間位移角均比內(nèi)收結(jié)構(gòu)大,主要是由于39 層以上受風(fēng)面積加大導(dǎo)致風(fēng)荷載增加所致。內(nèi)收結(jié)構(gòu)與不內(nèi)收結(jié)構(gòu)最大層間位移角曲線如圖8所示。

        圖8 最大層間位移角曲線Fig.8 Illustration of Inter-story Drift Angles

        3.4 剪力墻內(nèi)力

        選取非內(nèi)收區(qū)Q1 和內(nèi)收取Q2 兩片剪力墻(見(jiàn)圖9)相鄰層剪力進(jìn)行分析。如圖10所示,在地震作用下,剪力墻內(nèi)收后,非內(nèi)收區(qū)墻肢(往上延伸墻肢)Q1剪力在內(nèi)收樓層發(fā)生剪力突變,39 層墻肢剪力是38層墻肢剪力的2 倍;39 層以上墻肢剪力比不內(nèi)收結(jié)構(gòu)大,最大增幅約50%,38 層及以下墻肢剪力比不內(nèi)收結(jié)構(gòu)小,最大降幅約45%,且越靠近內(nèi)收樓層影響越大。剪力墻內(nèi)收后,內(nèi)收區(qū)墻肢(39 層取消的墻肢)Q2在38 層及以下墻肢剪力比不內(nèi)收結(jié)構(gòu)大,約為不內(nèi)收結(jié)構(gòu)的1.9 倍,且越靠近內(nèi)收樓層影響越大。結(jié)合性能化設(shè)計(jì),對(duì)該區(qū)域剪力墻進(jìn)行了加強(qiáng)。

        圖9 選取典型剪力墻示意圖Fig.9 Illustration of Typical Shear Wall

        圖10 地震作用下剪力墻剪力分布圖Fig.10 Shear Distribution of Shear Wall under Earthquake

        4 躍層柱分析

        為滿足建筑效果和大使用空間的需要,6A 號(hào)樓底部8 顆(占比50%)存在跨4 層(24 m)的通高躍層柱。

        4.1 計(jì)算長(zhǎng)度

        由于相鄰樓蓋對(duì)躍層柱存在有限約束,本工程采用歐拉公式反算構(gòu)件計(jì)算長(zhǎng)度的方法[8]進(jìn)行復(fù)核,初始軸力為32475 kN,臨界系數(shù)為21.1,臨界荷載為68 5231 kN,抗彎剛度為 1.28×107kN·m2,幾何長(zhǎng)度為24 m,計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)為0.57。按歐拉公式反算構(gòu)件計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)0.57<1.0,偏安全按規(guī)范1.0 取值。

        4.2 墻柱內(nèi)力

        為考察躍層柱的影響,建立躍層柱結(jié)構(gòu)模型(以下簡(jiǎn)稱“躍層結(jié)構(gòu)”)與非躍層柱結(jié)構(gòu)模型(以下簡(jiǎn)稱“非躍層結(jié)構(gòu)”),進(jìn)行比較分析,兩結(jié)構(gòu)模型樓層剪力相當(dāng)。躍層柱Z1 與非躍層柱Z2、剪力墻Q1 與Q2(如圖11所示)等構(gòu)件剪力分配如圖12、圖13所示。

        圖11 選取典型墻柱示意圖Fig.11 Illustration of Typical Walls and Column

        圖12 地震作用下剪力墻剪力分布圖Fig.12 Shear Distribution of Shear Wall under Earthquake

        圖13 地震作用下柱剪力分布圖Fig.13 Shear Distribution of Column under Earthquake

        柱躍層后,躍層柱承擔(dān)剪力減小,樓層部分剪力轉(zhuǎn)移到了同層剪力墻和非躍層柱上,同層剪力墻和非躍層柱剪力增大。剪力墻在1~4 層剪力增大3%~11%,躍層柱Z1 在1~4 層柱剪力減小26%~87%,非躍層柱Z1 在1~4 層柱剪力增大3%~17%。結(jié)合性能化設(shè)計(jì),對(duì)1~4 層非躍層的墻柱進(jìn)行抗剪加強(qiáng)。

        5 雙筒間連系梁分析

        6B 號(hào)樓雙筒間連系梁長(zhǎng)6.6 m,梁高700 mm,跨高比9.4。分別定義為框架梁和連梁以評(píng)估對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。建立按框架梁定義的結(jié)構(gòu)模型(以下簡(jiǎn)稱“框架梁模型”)與按連梁定義的結(jié)構(gòu)模型(以下簡(jiǎn)稱“連梁模型”),框架梁結(jié)構(gòu)與連梁結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)分別按如下設(shè)定:框架梁中梁剛度2.0,連梁剛度折減0.7。

        5.1 模態(tài)及樓層剪力

        框架梁模型和連梁模型主要對(duì)X 向指標(biāo)和內(nèi)力影響較大,對(duì)Y 向幾無(wú)影響。由于連梁剛度調(diào)整影響,連梁模型X 向剛度較弱,周期延長(zhǎng)約6%,同時(shí)X 向樓層剪力減小。結(jié)構(gòu)模態(tài)如表1所示,樓層剪力如圖14所示。

        表1 結(jié)構(gòu)模態(tài)Tab.1 Table of Structural Modal

        圖14 樓層剪力曲線Fig.14 Illustration of Story Shear

        5.2 構(gòu)件內(nèi)力

        在X 向地震作用下,連系梁內(nèi)力在框架梁模型中比在連梁模型中大,彎矩增大28%~86%,剪力增大18%~76%,低區(qū)較高區(qū)增大幅度更為明顯;與連系梁相鄰的雙筒內(nèi)連梁內(nèi)力在框架梁模型中較大,增加幅度約4%;與連系梁相鄰的剪力墻內(nèi)力增加2%~13%,越靠近連系梁的剪力墻影響越大。連系梁跨高比9.4,且框架梁模型各構(gòu)件內(nèi)力較大,根據(jù)包絡(luò)思想,該連系梁偏安全按框架梁設(shè)計(jì)。在地震作用下該梁彎矩及剪力均較大,表現(xiàn)出連梁受力特征,故該梁箍筋采取通長(zhǎng)加密配置。該梁滿足設(shè)防地震下受剪不屈服的要求,且經(jīng)大震動(dòng)力彈塑性分析,該梁 20%在 LS 階段[5,9]以內(nèi),80%在 IO 階段[5,9]以內(nèi),滿足性能目標(biāo)要求[10]。

        6 墻轉(zhuǎn)柱節(jié)點(diǎn)分析

        6B 號(hào)樓東側(cè)由于功能改變,在29 層開(kāi)始電梯筒不再上升,為保證使用面積最大化,方案要求在29 層以上東側(cè)核心筒剪力墻轉(zhuǎn)換成兩顆柱。為保證內(nèi)力有效傳遞,將柱往28 層延伸一層作為墻轉(zhuǎn)柱節(jié)點(diǎn)過(guò)渡段。墻轉(zhuǎn)柱節(jié)點(diǎn)三維示意如圖15所示。

        在保證構(gòu)件滿足按規(guī)范設(shè)計(jì)要求基礎(chǔ)上,為研究復(fù)雜的墻轉(zhuǎn)柱節(jié)點(diǎn)應(yīng)力擴(kuò)散情況,把墻柱節(jié)點(diǎn)單獨(dú)取出,采用通用有限元軟件Abaqus 進(jìn)行在重力荷載作用下的有限元應(yīng)力分析。為消除邊界條件對(duì)節(jié)點(diǎn)受力的影響,計(jì)算范圍取相鄰1~2 跨,上下延伸兩層作為子結(jié)構(gòu)分析模型,子結(jié)構(gòu)以上恒載、活載按實(shí)際加載至節(jié)點(diǎn),保證子結(jié)構(gòu)不丟失荷載。采用實(shí)體單元模型,在交界區(qū)域的剖分尺寸控制在0.15 m。柱截面尺寸700 mm×2 000 mm,墻截面厚 400 mm,C50 混凝土。實(shí)體模型三維示意如圖16所示,應(yīng)力云圖如圖17所示。

        圖15 墻轉(zhuǎn)柱節(jié)點(diǎn)三維示意圖Fig.15 Illustration of Shear Wall Change into Columns

        圖16 實(shí)體模型三維示意圖Fig.16 Illustration of Solid Model

        圖17 應(yīng)力云圖Fig.17 Illustration of Stress

        在1.35 恒+0.98 活組合工況下,與柱根相交部位墻體最大壓應(yīng)力為22 MPa,其它部分應(yīng)力小于19 MPa;柱在截面1、截面2、截面3 處的軸力分別為23 910 kN、19 210 kN、13 860 kN,根據(jù)這 3 個(gè)截面的軸力分布可以看出,上部柱的軸力往墻體擴(kuò)散,截面3 處擴(kuò)散程度為58.5%。墻柱交界區(qū)域,在重力荷載代表值作用下墻最大軸壓比為0.41<0.5,滿足規(guī)范要求。上柱應(yīng)力水平較高,墻上起柱的柱根部位壓應(yīng)力集中,但不大于混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。經(jīng)大震動(dòng)力彈塑性分析,墻轉(zhuǎn)柱位置,28 層剪力墻剪切應(yīng)變發(fā)生突變,按小震、中震配筋基礎(chǔ)上,28 層剪力墻配筋率需提高至0.35%。

        7 結(jié)語(yǔ)

        深業(yè)中城項(xiàng)目從方案到施工圖設(shè)計(jì),歷經(jīng)一年多,經(jīng)過(guò)廣東省超限審查委員會(huì)的論證,于2015年10月通過(guò)了廣東超限審查,目前已封頂。經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)人員的研究和分析,得出如下結(jié)論:

        ⑴結(jié)構(gòu)布置合理,針對(duì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)采取對(duì)應(yīng)加強(qiáng)措施,滿足結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計(jì)要求。

        ⑵分析了上部樓層豎向收進(jìn)后,對(duì)結(jié)構(gòu)指標(biāo)及相鄰構(gòu)件內(nèi)力的影響,并采取了加強(qiáng)措施。

        ⑶復(fù)核了躍層柱計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù),并對(duì)躍層區(qū)構(gòu)件內(nèi)力進(jìn)行了分析,并據(jù)此對(duì)躍層樓層的非躍層墻柱進(jìn)行抗剪加強(qiáng)。

        ⑷分析了雙筒間連系梁的受力特點(diǎn),并采取合適計(jì)算模型和加強(qiáng)措施。

        ⑸對(duì)墻轉(zhuǎn)柱節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分布進(jìn)行了分析,并有針對(duì)性采取加強(qiáng)措施。

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