艾 威， 陳 寶

(中信建筑設(shè)計研究總院有限公司， 武漢 430014)

1 工程概況

智慧生態(tài)城創(chuàng)新服務(wù)中心位于武漢經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)，地處武漢市區(qū)西南三環(huán)外沿，吸引了眾多投資者和人群，是智慧城的總部及發(fā)展源泉。地上部分包含五個“貝殼狀”的單體多高層建筑，建筑效果圖見圖1，各單體平面示意圖見圖2。

圖2 各單體平面示意圖

本項目地上結(jié)構(gòu)由五個單體(1#，2#，3#，4#，5#樓)構(gòu)成，建筑高度為21.9～80.7m，單體間設(shè)置架空綠化景觀層，并通過設(shè)置防震縫斷開。各單體平面均為橢圓形，建筑外形為“貝殼狀”，通過外圈框架圓斜柱來達到結(jié)構(gòu)層層收進的效果。1#，3#，4#樓底層橢圓長軸為70～80m，短軸為30～40m，柱距為10～12m。2#，5#樓底層橢圓長軸約為45m，短軸約為25m，柱距為9.5m。1#樓建筑共4層，首層層高為9.0m，2，3層層高均為8.0m，頂層層高為7.8m，建筑高度為32.8m；2#樓建筑共4層，首層層高為9.0m，2，3層層高均為4.2m，頂層層高為3.6m，建筑高度為17.4m；3#樓建筑共12層，首層層高為9.0m，2層層高為8.4m，標準層層高為4.2m，頂層層高為4.1m，建筑高度為59.3m；4#樓建筑共16層，首層層高為9.0m，2，3層層高為8.4m，標準層層高為4.2m，頂層層高為4.5m，建筑高度為80.7m；5#樓建筑共9層，首層層高為9.0m，標準層層高為4.0m，頂層層高為3.8m，建筑高度為40.8m。屋頂采用單層網(wǎng)殼實現(xiàn)大空間的采光觀景平臺。

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50年，結(jié)構(gòu)設(shè)計基準期為50年，結(jié)構(gòu)安全等級為二級，地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為甲級，抗震設(shè)防類別為標準設(shè)防類(丙類)。工程所屬場地為建筑抗震一般地段，場地土類別為Ⅲ類，抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計基本地震加速度值為0.05g，設(shè)計地震分組為第一組。地震影響系數(shù)最大值αmax=0.054，特征周期Tg=0.45s；50年一遇基本風壓為0.35kN/m2，10年一遇基本風壓為0.25kN/m2，地面粗糙度為B類；50年一遇基本雪壓為0.50kN/m2；結(jié)構(gòu)計算阻尼比取為0.05[1]。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系，屋頂鋼構(gòu)架采用單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，架空綠化層為框架結(jié)構(gòu)，3#，4#樓之間架空綠化層設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)連橋，與各單體間通過設(shè)置防震縫斷開，主體結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)模型見圖3。

圖3 整體結(jié)構(gòu)模型

各單體結(jié)構(gòu)形式類似，平面形狀均為橢圓形。3#樓標準層結(jié)構(gòu)平面布置見圖4，在建筑中部樓梯、電梯間設(shè)置剪力墻，與周邊的框架柱形成多道抗震防線。為實現(xiàn)“貝殼狀”層層收進的建筑效果，外圈框架柱采用圓形斜柱，單根斜柱的傾斜角度(簡稱傾角)大部分在0°～15°之間，局部最大達到25°，自底層至頂層，斜柱傾角逐層增大，3#樓剖面見圖5。

圖4 3#樓標準層結(jié)構(gòu)平面布置

圖5 3#樓剖面圖

以斜柱傾角最大的3#樓為例，底層剪力墻厚度為500mm，外圈框架圓斜柱直徑為1 000～1 200mm，矩形框架柱截面為800×800～1 000×1 000，框架梁最大跨度為12m，主要梁截面為400×800。

3 結(jié)構(gòu)靜力計算

本項目的5棟單體，除2#樓為多層建筑外，其余4棟均為A級高度的高層建筑，體型較為規(guī)則。為實現(xiàn)建筑造型，結(jié)構(gòu)外圈框架采用圓斜柱且傾角較大，結(jié)構(gòu)設(shè)計時采用YJK(1.9.3)和MIDAS Building 2019(V1.1)兩個計算軟件分別對建筑高度較高的3#樓和4#樓進行了多遇地震和風荷載作用下的靜力彈性分析。單體嵌固端均為地下室頂板，結(jié)構(gòu)的動力特性、最大層間位移比、層間位移角等整體指標見表1[2]。

對比表1中結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，兩種計算軟件統(tǒng)計的結(jié)構(gòu)總質(zhì)量誤差在5%以內(nèi)，結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)也比較吻合。結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期T扭和平動為主的第一自振周期T1之比不大于0.9，滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)[3](簡稱高規(guī))中第3.4.5條扭轉(zhuǎn)周期比的規(guī)定。在考慮多遇地震(6度)和50年一遇的風荷載作用下，結(jié)構(gòu)的層間位移和傾覆力矩由地震作用控制，整體穩(wěn)定性由地震作用和風荷載共同控制。

多遇地震作用下各樓層層間位移角曲線如圖6所示，本層與上一層樓層受剪承載力比值如圖7所示。由圖6,7可知結(jié)構(gòu)具有較好的剛度和承載力，無明顯的承載力突變，結(jié)構(gòu)Y向側(cè)向剛度較X向稍弱，框架圓斜柱傾角的增加未對整體結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度產(chǎn)生較大削弱，結(jié)構(gòu)整體受力性能良好。

圖6 樓層層間位移角

圖7 樓層受剪承載力比值

3#樓樓層層間位移角最大值為1/1 652，出現(xiàn)在

結(jié)構(gòu)靜力彈性分析整體指標 表1

第4層，4#樓樓層層間位移角最大值為1/1 517，出現(xiàn)在第5層，均小于高規(guī)中表3.7.3框架剪力墻結(jié)構(gòu)的限值1/800。各樓層受剪承載力與上一層樓層受剪承載力比值在0.8～1.5之間，滿足高規(guī)3.5.3條的要求。

從圖3可知，電壓補償器作為系統(tǒng)中用于接收和反饋信號的核心部件，位于輻射大廳，一端通過長約10 m的信號電纜與輻照晶體管連接，另一端則通過長約100 m屏蔽雙絞電纜與測量間的測試系統(tǒng)相連，將VCC，VBB，VRB和VRC反饋至測試轉(zhuǎn)接盒。為避免電阻直接受中子輻照引起性能下降，產(chǎn)生測量誤差，將輻照板上的電阻RB，RC與晶體管分開，放置于電壓補償器中。

高層建筑在風荷載作用下產(chǎn)生過大的振動加速度會使人感到不適，按高規(guī)中第3.7.6條取10年一遇(重現(xiàn)期R=10)的風荷載標準值，并分別采用YJK，MIDAS Building軟件計算結(jié)構(gòu)頂點最大加速度，結(jié)構(gòu)阻尼比取為0.02，3#樓的計算結(jié)果見表2。結(jié)構(gòu)頂點風振加速度滿足辦公建筑不大于0.25m/s2的要求。

風荷載標準值(R=10)作用下結(jié)構(gòu)頂點最大加速度/(m/s2)表2

4 斜柱對框架梁和樓板受力性能的影響

為實現(xiàn)建筑立面的縮進要求，結(jié)構(gòu)外圈框架柱均為圓斜柱。與普通框架柱相比，對斜柱在樓面處水平力分量的相關(guān)分析是結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點和難點，并且需要采取相應(yīng)的加強措施來保證水平力的有效傳遞。本節(jié)主要分析：1)多遇地震作用下斜柱對各層框架梁和樓板內(nèi)力的影響；2)罕遇地震作用下斜柱和與其相連框架梁的損傷分析。

4.1 多遇地震作用下斜柱對框架梁的影響

為分析地震作用下斜柱對框架梁受力性能的影響[4]，采用YJK(1.9.3)和MIDAS Gen 2010(V2.1)計算軟件，以3#樓為例進行整體受力分析。圖4中框架斜柱(編號KZ1，KZ2)和與其相連的框架梁(編號KL1，KL2)在恒載和Y向地震(斜柱傾斜方向)作用下的軸力見表3，4。其中受拉為正，受壓為負。

由表3和表4可以看出，YJK和MIDAS Gen計算得出的斜柱和框架梁的軸力結(jié)果相差不大，反映的變化規(guī)律基本一致?？蚣苄敝涂蚣芰涸诤爿d作用下軸力較大，水平地震作用下軸力較小，斜柱頂水平力的大小主要由豎向荷載控制。

斜柱傾角自底層向頂層不斷增大，恒載作用下，與斜柱相連的框架梁在底部樓層承受拉力，頂部樓層承受壓力，KL1，KL2均在2層出現(xiàn)最大拉力，分別為59，62kN，在9層出現(xiàn)最大壓力，分別為80，63kN。由于斜柱傾角的變化，4～8層框架梁存在受拉和受壓兩種受力狀態(tài)。

恒載與Y向地震作用下KZ1，KL1軸力/kN 表3

恒載與Y向地震作用下KZ2，KL2軸力/kN 表4

為了保證樓層處水平力的有效傳遞，設(shè)計時采取以下加強措施：1)沿斜柱傾斜方向布置框架梁和次梁，以減小樓板水平方向承受的軸力；2)沿斜柱傾斜方向的框架梁和次梁均設(shè)置不小于216通長受力鋼筋，且均按單側(cè)配筋面積不小于0.1%bhw設(shè)置受扭腰筋；3)外圈環(huán)狀框架梁底筋和面筋均按不小于420通長配筋，箍筋直徑不小于10mm，并沿梁高設(shè)置間距不大于200mm的抗扭腰筋。

4.2 多遇地震作用下斜柱對樓板應(yīng)力的影響

由表3和表4可知，在恒載與地震荷載作用下，3#樓在6層處框架梁軸力達到最大。選取該層樓板進行應(yīng)力分析，在恒載+0.5活載+地震作用(X向或Y向)組合下，大部分樓板單元剪應(yīng)力均小于1.0MPa?！痘炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010)(2015年版)[6]6.3.3節(jié)規(guī)定了樓板斜截面受剪承載力公式，單位寬度的樓板剪應(yīng)力限值取0.7ftk=1.407MPa(混凝土強度等級為C30)。由此可知大震作用下樓板剪應(yīng)力均滿足要求。

1.2恒載+1.4活載組合下斜柱周邊樓板X向、Y向正應(yīng)力分布分別如圖8，9所示，其中拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負。由圖8，9可知，樓板在X向支座處板面與跨中處板底出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大達到5.0MPa，大于樓板混凝土軸心抗拉強度設(shè)計值ft=1.43MPa，需按計算配置受拉鋼筋；樓板Y向板面均為壓應(yīng)力，板底拉應(yīng)力最大為1.5MPa，略大于ft，僅需配置構(gòu)造鋼筋。上述樓板的應(yīng)力分布與常規(guī)樓板的受力狀態(tài)一致，說明斜柱對樓板的內(nèi)力影響較小。本項目樓板采用單向板，板厚100mm，板受力鋼筋滿足最小配筋率及計算要求，板面均按0.15%附加拉通鋼筋。

圖8 1.2恒載+1.4活載組合下樓板X向正應(yīng)力/MPa

4.3 罕遇地震作用下斜柱和相連框架梁、樓板的損傷分析

本工程選取2組天然波和1組人工波，采用SAUSAGE非線性分析軟件對4#樓進行6度罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的動力彈塑性時程分析，對主方向為X向、Y向的3組地震波，共6種工況進行頻譜分析得出，每條時程曲線的頻譜特性、有效峰值和持續(xù)時間均滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011—2010)(2016年版)[7](簡稱抗震設(shè)計規(guī)范)第5.1.2-3條的相關(guān)規(guī)定。地震動峰值加速度取為140gal，采用抗震設(shè)計規(guī)范第3.10.4條及其條文說明計算得到罕遇地震作用下3#樓的彈塑性層間位移角參考值如圖10所示，樓板X向?qū)娱g位移角最大值為1/252(3層)，Y向?qū)娱g位移角最大值為1/220(4層)，小于罕遇地震作用下的層間位移角限值1/200，均滿足規(guī)范要求。

圖10 罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的層間位移角

基于混凝土受壓損傷因子、受拉損傷因子和鋼筋的塑性應(yīng)變大小對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損壞程度進行評估。梁柱構(gòu)件性能等級取單元性能的最大值，墻板構(gòu)件性能等級取單元按面積加權(quán)平均后的性能等級。3組地震波在主方向X向、Y向作用下結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能等級的最終包絡(luò)結(jié)果見圖11，12。由圖11,12可知，罕遇地震作用下框架柱、框架梁、斜柱、墻柱均在輕度損壞及以下，墻梁部分出現(xiàn)嚴重損壞，樓板基本處于無損狀態(tài)。

圖11 結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能等級百分比

圖12 第3層框架梁柱、樓板性能水平

總體來看，結(jié)構(gòu)整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，未出現(xiàn)較大側(cè)向變形，層間位移角滿足要求，抗側(cè)力構(gòu)件損壞程度較輕，斜柱和與其相連的框架梁、樓板均能有效傳遞水平力，結(jié)構(gòu)抗震性能良好。

5 有限元分析

5.1 屋頂單層網(wǎng)殼有限元分析

為實現(xiàn)單體建筑屋頂曲面的外觀要求和大空間采光觀景平臺的功能要求，可采用鋼架和單層網(wǎng)殼兩種方案，見圖13。屋頂結(jié)構(gòu)平面投影長36m，寬5m，立面矢高13.28m。

圖13 屋頂結(jié)構(gòu)方案(3#樓)

鋼架方案結(jié)構(gòu)桿件主要截面為焊接箱形截面(400×350×12×12)，單層網(wǎng)殼方案結(jié)構(gòu)桿件主要截面為方鋼管(200×100×6)，網(wǎng)格邊長為1.8～2.0m，夾角為45°～60°。對稱的兩榀網(wǎng)殼用型鋼梁連接，鋼梁截面為500×250(H×B)，長約13m，間距5m左右，水平方向布置次梁，次梁截面為400×200(H×B)。

考慮建筑的經(jīng)濟性，對屋頂兩種方案造價進行比較，見表5。由表5可知，單層網(wǎng)殼方案型鋼造價和玻璃造價均低于鋼架方案。

屋頂鋼架和單層網(wǎng)殼方案造價比較 表5

為簡化單層網(wǎng)殼與混凝土的連接，網(wǎng)架底部換梁處設(shè)置支托管，與混凝土柱頂鋼埋件直接現(xiàn)場焊接，單層網(wǎng)殼支座節(jié)點詳圖見圖14。計算時按鉸接支座與固定支座包絡(luò)，并通過建立整體結(jié)構(gòu)計算模型來探究上部網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與下部混凝土框架結(jié)構(gòu)受力的相互影響。

圖14 單層網(wǎng)殼支座節(jié)點

采用3D3S有限元分析軟件進行結(jié)構(gòu)的整體受力分析，考慮地震和溫度作用。計算結(jié)果顯示屋頂單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在恒載+活載+0.6風荷載+升溫的組合工況下變形最大，位移云圖見圖15，各組合工況下結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力與強度比值云圖見圖16。從圖15中可看出，單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的最大豎向位移為13.5mm，型鋼梁最大豎向位移為39.742mm(撓度為1/788)，滿足規(guī)范限值1/400的要求[8]。從圖16中可看出，網(wǎng)架桿件的最大應(yīng)力與強度比值主要在0～0.4以內(nèi)，型鋼梁最大應(yīng)力比為0.85。

圖15 單層網(wǎng)殼位移云圖/mm

圖16 單層網(wǎng)殼最大應(yīng)力與強度比值云圖

5.2 螺旋鋼樓梯有限元分析

在塔樓范圍外的地下室設(shè)置了兩部對稱的螺旋鋼樓梯，樓梯平面和剖面見圖17。地下1層層高5.7m，采用兩跑樓梯，每跑18步，中心梯井半徑為1.8m，樓梯寬度為1.8m，外邊線半徑為3.6m，內(nèi)邊弧形展開長度為11.3m，外邊為22.6m。兩側(cè)采用螺旋鋼梁作為結(jié)構(gòu)承力構(gòu)件，鋼梁截面為箱形截面250×400×16×16，鋼梁計算長度分別約為21m(外圈)、12m(內(nèi)圈)。采用3D3S軟件分析得到鋼梯梁的應(yīng)力比與位移云圖見圖18。由圖18可知鋼梁兩端均為剛接，最大應(yīng)力比為0.60，外圈鋼梁跨中最大位移為13.175mm，撓度為1/1 400，內(nèi)圈鋼梁跨中最大位移為7.5mm，撓度為1/1 600，均滿足設(shè)計要求。

圖17 地下室螺旋鋼樓梯

圖18 鋼梯梁應(yīng)力比、位移云圖

為保證鋼梁與混凝土結(jié)構(gòu)的剛性連接，鋼梯梁與基礎(chǔ)底板的連接節(jié)點(圖19)為外包剛性柱腳；鋼梯梁與混凝土梁連接時，鋼梯梁伸入混凝土梁內(nèi)1.5m，伸入混凝土梁部分在鋼梯梁上下翼緣設(shè)置栓釘和復(fù)合箍筋(圖20)。

圖19 鋼梯梁剛性柱腳節(jié)點

圖20 鋼梯梁與混凝土梁節(jié)點構(gòu)造

6 結(jié)語

本文主要介紹了智慧城創(chuàng)新服務(wù)中心項目的工程概況、結(jié)構(gòu)設(shè)計，并運用兩種計算軟件采用規(guī)范反應(yīng)譜法對3#，4#樓進行多遇地震作用下的結(jié)構(gòu)靜力計算，并結(jié)合罕遇地震彈塑性時程分析、樓板應(yīng)力分析對斜柱柱頂水平力的傳遞以及對相連框架梁、樓板內(nèi)力的影響進行了分析，對結(jié)構(gòu)薄弱部位采取有效的加強措施以保證結(jié)構(gòu)的抗震性能。項目中的鋼結(jié)構(gòu)連橋、屋頂單層網(wǎng)殼、螺旋鋼樓梯結(jié)構(gòu)設(shè)計合理而輕巧，滿足建筑的功能和美觀要求，并對特殊的節(jié)點提出了適當?shù)募訌姶胧瑸轭愃乒こ痰脑O(shè)計提供一定的借鑒和參考。