陳 虎， 張良平， 謝亞駒

(1 深圳招商房地產(chǎn)有限公司， 深圳 518067； 2 深圳華森建筑與工程設(shè)計(jì)顧問有限公司， 深圳 518054；3 深圳華僑城房地產(chǎn)有限公司， 深圳 518053)

1 工程概況

項(xiàng)目位于廣東省珠海市，結(jié)構(gòu)高度190m，地上46層，首層層高6.5m，2，3層層高均為5.3m,辦公標(biāo)準(zhǔn)層(4～22層)層高4.8m；公寓標(biāo)準(zhǔn)層(23～46層)層高3.3m；地下共5層，地下5層～地下1層層高分別為3.5，3.5，3.5，5.3，6.0m；結(jié)構(gòu)體系為框架-核心筒結(jié)構(gòu)，嵌固端為首層板面。建筑效果圖如圖1所示。

圖1 建筑效果圖

地基土類型為軟弱土；場(chǎng)地類別為Ⅳ類，設(shè)計(jì)地震分組為第一組；風(fēng)荷載取50年一遇的基本風(fēng)壓0.85kN/m2，地面粗糙度類別為A類；區(qū)域抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g[1-2]。

2 方案比選

由于建筑外立面要求達(dá)到底部內(nèi)收和上部外伸的建筑體型效果，因此需采用結(jié)構(gòu)柱進(jìn)行轉(zhuǎn)換。從節(jié)省材料、對(duì)建筑空間使用影響小、樓層剛度變化小的角度考慮，采取斜柱轉(zhuǎn)換和搭接塊轉(zhuǎn)換兩種轉(zhuǎn)換形式均較為可行。結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層平面布置如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層平面布置圖

斜柱轉(zhuǎn)換方案為在6～8層設(shè)置斜柱過渡(圖3)。斜柱的線剛度與相鄰桿件相比不會(huì)顯著增大，不易出現(xiàn)側(cè)向剛度突變的問題，且傳力清晰直接，對(duì)節(jié)點(diǎn)的保護(hù)程度高，容易實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)”的設(shè)計(jì)原則[3-4]。

圖3 斜柱轉(zhuǎn)換示意圖

搭接塊轉(zhuǎn)換方案為在6～8層板面之間設(shè)置搭接塊過渡(圖4)。由于軸心錯(cuò)位，上部柱子向下傳遞的豎向荷載會(huì)使下部柱子產(chǎn)生很大的彎矩，使下部柱子和搭接塊受力復(fù)雜。

圖4 搭接塊轉(zhuǎn)換示意圖

通過計(jì)算得到，斜柱轉(zhuǎn)換和搭接塊轉(zhuǎn)換方案整體計(jì)算指標(biāo)差別不大，均可滿足規(guī)范要求。豎向荷載作用下，搭接塊及相鄰上下層框架承擔(dān)剪力比，與斜柱、搭接塊相連的梁軸力對(duì)比分別見圖5,6。

由圖5可以看出，斜柱轉(zhuǎn)換方案由于柱傾斜后軸向剛度對(duì)側(cè)向剛度的貢獻(xiàn)明顯增加，從而對(duì)水平地震作用下的結(jié)構(gòu)受力特性產(chǎn)生顯著影響，以致框架部分承擔(dān)的剪力驟增。由圖6可以看出，豎向荷載作用下，與搭接塊相連的梁拉力及壓力最大分別為328，-980kN，與斜柱相連的梁拉力及壓力最大分別為2 459，-1 883kN，前者明顯比后者要小。

圖5 豎向荷載作用下層框架承擔(dān)剪力比

圖6 豎向荷載作用下5～7層梁軸力

兩種結(jié)構(gòu)方案均滿足設(shè)計(jì)要求，考慮搭接塊轉(zhuǎn)換方案在建筑立面及室內(nèi)效果方面的優(yōu)勢(shì)，最終選擇搭接轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)方案。如圖7所示，在6～8層兩層范圍設(shè)置搭接塊，以實(shí)現(xiàn)建筑在6層以上沿建筑立面外擴(kuò)的目的。

圖7 搭接塊立面詳圖

3 搭接塊的整體設(shè)計(jì)

在豎向荷載作用下，搭接塊的基本受力特點(diǎn)是與搭接塊上下端相連的水平構(gòu)件承受大小基本相等、方向相反的軸力，該軸力力偶形成的力矩抵抗了上下柱偏位產(chǎn)生的傾覆力矩，結(jié)構(gòu)上梁受拉，下梁受壓。

豎向荷載作用下，搭接塊的主拉應(yīng)力和主壓應(yīng)力軌跡如圖8所示。具體為搭接塊的頂部水平受拉，下柱的豎直延伸段作為豎直壓桿，上柱底端與下柱頂端連線上的混凝土作為斜壓桿。

圖8 搭接塊主應(yīng)力軌跡示意圖

搭接塊轉(zhuǎn)換體系的主要設(shè)計(jì)要點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面：1)下柱是轉(zhuǎn)換體系的關(guān)鍵構(gòu)件，承受了很大的軸力、彎矩和剪力，由于下柱剛度遠(yuǎn)小于搭接塊，從局部來看，此區(qū)域是一個(gè)上強(qiáng)下弱的抗震薄弱部位，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)加強(qiáng)；2)搭接塊轉(zhuǎn)換的可靠度取決于與搭接塊相連梁板的承載能力和軸向剛度。8層梁板應(yīng)按拉彎構(gòu)件設(shè)計(jì)，而6層梁板應(yīng)按壓彎構(gòu)件設(shè)計(jì)，由于混凝土抗拉強(qiáng)度低，因此受拉梁板的設(shè)計(jì)更為關(guān)鍵；3)應(yīng)確保與8層梁、6層梁遠(yuǎn)端相連豎向構(gòu)件的水平力的可靠傳遞。

根據(jù)以上分析，結(jié)合抗震概念，擬將搭接塊、與搭接塊所處層的核心筒墻體及下層柱的抗震性能目標(biāo)設(shè)定為中震彈性，同時(shí)提高6層和8層梁的加強(qiáng)措施。

3.1 下柱的承載力驗(yàn)算

下柱選取型鋼混凝土結(jié)構(gòu)柱，結(jié)構(gòu)柱截面尺寸為1 600×1 600，內(nèi)置型鋼截面為H1 200×400×35×35，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60，采用Q345鋼，采用MIDAS Building模型計(jì)算搭接塊下層柱在小震和中震基本組合下的內(nèi)力，如圖9所示。由圖9可以看出，搭接塊下層柱壓彎驗(yàn)算能夠滿足中震彈性的性能目標(biāo)。

圖9 下層柱的壓彎驗(yàn)算

在施工圖階段采取的加強(qiáng)措施包括：從嚴(yán)控制軸壓比(在普通框架柱軸壓比限值的基礎(chǔ)上減小0.1)、按轉(zhuǎn)換柱配箍率要求配置箍筋、箍筋全高加密。

3.2 與搭接塊相連的框架梁受拉、受壓分析

在MIDAS Building分析中按兩種計(jì)算模型考慮，模型一為搭接塊在6～8層區(qū)域不考慮樓板的抗拉貢獻(xiàn)；模型二為將樓板設(shè)為彈性膜，考慮樓板的抗拉貢獻(xiàn)，考察6層及8層平面與搭接塊相連的框架梁軸力水平[5]，梁編號(hào)如圖10所示。設(shè)計(jì)取二者包絡(luò)，計(jì)算結(jié)果如表1，2所示。

圖10 搭接塊與連梁關(guān)系示意圖

通過對(duì)比考慮樓板抗拉貢獻(xiàn)與不考慮樓板抗拉貢獻(xiàn)的計(jì)算復(fù)核結(jié)果可知，樓板會(huì)分擔(dān)搭接塊傳來的水平分量，考慮到搭接轉(zhuǎn)換柱上層梁對(duì)整個(gè)轉(zhuǎn)換體系的關(guān)鍵性，在設(shè)計(jì)梁時(shí)不考慮樓板分擔(dān)的拉應(yīng)力，依據(jù)大震下梁的拉力配置縱向鋼筋，并沿梁截面的周邊均勻布置鋼筋，梁的頂、底面配筋與縱向受力筋合并考慮，見表3。

與搭接塊相連的框架梁軸力(不考慮樓板抗拉貢獻(xiàn)) 表1

與搭接塊相連的框架梁軸力(考慮樓板的抗拉貢獻(xiàn)) 表2

與搭接塊相連的框架梁實(shí)際配筋 表3

設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)加大圖10中上、下梁的截面。同時(shí)梁的主筋和腰筋通長配置，并滿足受拉鋼筋錨固要求。上梁、中梁按拉彎構(gòu)件驗(yàn)算，下梁按壓彎構(gòu)件驗(yàn)算，驗(yàn)算結(jié)果見圖11。由圖11可以看出，框架梁均滿足承載力要求。

圖11 框架梁的承載力驗(yàn)算結(jié)果

3.3 與上梁、下梁遠(yuǎn)端相連豎向構(gòu)件的設(shè)計(jì)

與拉壓梁相連的核心筒承受梁板傳來的水平力，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證其水平力的可靠傳遞。核心筒墻肢編號(hào)見圖12，通過計(jì)算得到與拉、壓梁相連的核心筒墻體承載力滿足中震彈性的性能目標(biāo)，其中代表性墻體驗(yàn)算結(jié)果如圖13所示。

圖12 搭接塊結(jié)構(gòu)層核心筒墻肢編號(hào)

圖13 中震作用下墻體的彈性承載力驗(yàn)算

3.4 搭接塊的設(shè)計(jì)

參考文獻(xiàn)[6]，搭接塊及其附近構(gòu)件受力大小與搭接塊高寬比有關(guān)。搭接塊懸臂長度宜滿足：a/h≤0.7，其中h為搭接塊豎向高度，a為搭接塊懸臂長度。本項(xiàng)目塔樓搭接塊a/h=1.6/9.6=0.17。搭接塊斜截面計(jì)算控制截面1-1位置見圖14。

圖14 斜截面計(jì)算控制截面1-1位置示意圖

3.4.1 搭接塊的斜裂縫控制要求

豎向荷載下，斜截面抗剪需滿足下式：

Vk≤βftkbh

式中：Vk為搭接塊正常使用狀態(tài)豎向剪力標(biāo)準(zhǔn)值；β為裂縫控制系數(shù)；ftk為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；b為搭接塊厚度；h為搭接塊豎向高度。

由于搭接塊正常使用中不能因混凝土受斜向壓力過大而出現(xiàn)裂縫，因此，應(yīng)將搭接塊在正常使用極限狀態(tài)下不出現(xiàn)斜裂縫作為截面尺寸的控制條件。

在正常使用狀態(tài)下搭接塊豎向剪力標(biāo)準(zhǔn)值Vk=37 795.75kN<0.85×2.85×3 200×6 400×0.001=49 612.8kN，滿足截面抗剪要求。

搭接塊體本身要抵抗較大的剪力，為使斜截面可以起到安全抵抗剪力的作用，搭接塊斜截面抗剪應(yīng)滿足如下截面控制條件：

V≤(1/γRE)0.15fcbh

式中：V為搭接塊豎向剪力設(shè)計(jì)值；fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；γRE為承載力抗震調(diào)整系數(shù)，取0.85。

搭接塊上層柱考慮大震作用時(shí)組合軸力設(shè)計(jì)值V=67 096kN<0.15×27.5×1 600×9 600×1.176×0.001=74 511.36kN，滿足截面抗剪要求。

3.4.2 搭接塊配筋設(shè)計(jì)

搭接塊豎向及水平鋼筋按照抗剪要求配置，按大震作用下彈性計(jì)算結(jié)果組合配筋，配筋示意見圖15。

圖15 搭接塊配筋示意圖

(1)豎向鋼筋配置

豎向荷載下，豎向鋼筋配置需滿足下式：

式中：V1為地震組合下搭接塊豎向剪力設(shè)計(jì)值；fy為鋼筋受拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；Asv為配置在同一截面內(nèi)豎向鋼筋的截面面積；s為豎向鋼筋間距。

搭接塊考慮大震作用組合時(shí)的剪力設(shè)計(jì)值V1=55 823.19kN≤360×1.176 5×Asv×9 600×0.01×0.001，得Asv/s≥16.2mm2/mm，最后搭接塊豎向鋼筋按14@150(16)配置。

(2)水平鋼筋配置

橫向荷載下，水平鋼筋配置需滿足下式：

式中：V2為地震組合下搭接塊水平剪力設(shè)計(jì)值；Ash為配置在同一截面內(nèi)水平鋼筋的截面面積；s′為水平鋼筋間距；c為搭接塊寬度。

搭接塊考慮大震作用組合時(shí)的剪力設(shè)計(jì)值V2=3 055.784kN≤360×1.176 5×Ash×3 200×0.001；Ash/s′≥2.26mm2/mm，最后搭接塊水平鋼筋按12@200(8)配置。

3.5 搭接塊樓層樓板分析

與轉(zhuǎn)換層梁另一端相連的是核心筒，轉(zhuǎn)換層梁中的拉力自搭接塊一端向核心筒傳遞的過程中，由于樓板的擴(kuò)散作用，相當(dāng)一部分拉力已由樓板承擔(dān)。考慮到樓蓋平面本身具有對(duì)稱性，因此應(yīng)充分利用樓板的抗拉能力，尤其應(yīng)重視核心筒及其樓板的傳力作用[7]。因此6～8層樓板混凝土采用C40，樓板加厚至250～300mm，樓板配筋雙層雙向拉通，以保證搭接塊產(chǎn)生的水平力能可靠地傳遞給核心筒。

在ETABS，ABAQUS模型中，對(duì)于搭接塊相關(guān)范圍(6～8層)樓板，考察其在小震、中震反應(yīng)譜及大震動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析下的應(yīng)力水平，如圖16,17所示。由圖16,17可以看出，中震反應(yīng)譜下豎向構(gòu)件附近的樓板出現(xiàn)局部區(qū)域應(yīng)力集中，但未超過樓板的混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，滿足小震彈性、中震作用下不屈服的要求。大震下，樓板大部分受壓損傷值<0.1，屬于輕度損傷(圖18)。

圖16 6層樓板小震、中震作用下Y向正應(yīng)力/MPa

圖17 8層樓板小震、中震作用下正應(yīng)力/MPa

圖18 8層樓板大震下混凝土受壓 損傷和鋼筋應(yīng)力

3.6 搭接塊節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)及應(yīng)力分析

搭接塊節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)應(yīng)使應(yīng)力有效地在轉(zhuǎn)換柱區(qū)域均勻過渡且不產(chǎn)生較大應(yīng)力，以保證在最不利工況下節(jié)點(diǎn)區(qū)域保持彈性。采用ABAQUS軟件對(duì)搭接塊進(jìn)行計(jì)算分析[8]。

罕遇地震作用下，搭接塊應(yīng)力云圖如圖19所示。由圖19可以看出，最上層(8層)梁板受拉應(yīng)力較大，但未超過規(guī)范限值。因此，8層的結(jié)構(gòu)梁鋼筋應(yīng)完全伸入搭接塊，并在上柱范圍內(nèi)滿足錨固長度要求，避免搭接塊頂部上柱所在區(qū)域箍筋受拉而導(dǎo)致的應(yīng)力過高。

圖19 搭接塊應(yīng)力云圖/MPa

罕遇地震作用下，搭接塊混凝土損傷云圖如圖20所示。由圖20可以看出，中間層(7層)和最上層(8層)混凝土梁和樓板協(xié)調(diào)作用下受拉，其中8層梁板受拉損傷較大。在應(yīng)力云圖中，樓板應(yīng)力在靠近搭接塊頂部(8層)最大，沿著梁跨度方向板應(yīng)力慢慢減小。在混凝土受拉損傷圖中也有相同的趨勢(shì)，搭接塊頂部(8層)樓板受拉損傷較為嚴(yán)重，沿著梁跨度方向樓板受拉損傷逐漸減少。設(shè)計(jì)時(shí)，可考慮局部拉應(yīng)力較大處樓板采用后澆的措施。

圖20 搭接塊混凝土損傷云圖

罕遇地震作用下，樓板混凝土應(yīng)力云圖及受拉損傷云圖如圖21所示。由圖21可以看出，搭接塊與下柱相連處出現(xiàn)小區(qū)域應(yīng)力集中，設(shè)計(jì)時(shí)在此處采取加腋處理。在樓板與核心筒交界處沿四周增設(shè)暗梁以加強(qiáng)核心筒整體性，樓板與核心筒連接節(jié)點(diǎn)做法見圖22。

圖21 樓板混凝土應(yīng)力云圖及受拉損傷云圖

圖22 樓板與核心筒連接節(jié)點(diǎn)圖

4 結(jié)語

搭接塊轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)是整個(gè)工程的關(guān)鍵構(gòu)件，構(gòu)成此轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)層的搭接塊、樓板、梁、柱及筒體的承載力設(shè)計(jì)與延性控制非常關(guān)鍵。通過對(duì)搭接塊轉(zhuǎn)換區(qū)域構(gòu)件進(jìn)行詳細(xì)分析計(jì)算及合理的設(shè)計(jì)和構(gòu)造加強(qiáng)措施，該部位可實(shí)現(xiàn)延性設(shè)計(jì)。