吳小賓，彭志楨，向新岸，秦 攀，盧 挺，余天和

(中國(guó)建筑西南設(shè)計(jì)研究院有限公司， 成都 610042)

1 工程概況

成都花園城國(guó)際度假中心B區(qū)塔樓地上總建筑面積約10.6萬(wàn)m2，結(jié)構(gòu)高度249.95m，幕墻高度266.6m。地下3層，地上67層，大屋面以上含3層屋架層，共設(shè)置5個(gè)避難層，建筑效果圖見圖1。中低區(qū)功能為辦公公寓，標(biāo)準(zhǔn)層層高3.6m；高區(qū)功能為酒店，標(biāo)準(zhǔn)層層高3.4m。建筑平面呈長(zhǎng)方形，X向的長(zhǎng)度為49.55m，Y向長(zhǎng)度為30.5m，結(jié)構(gòu)Y向高寬比為8.2，核心筒Y向高寬比為23.6。

圖1 建筑效果圖

采用鋼筋混凝土框架-核心筒+伸臂桁架結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)模型見圖2，典型結(jié)構(gòu)平面圖見圖3。框架柱從底層1 800×2 400(型鋼混凝土柱)逐漸收進(jìn)至頂層800×800(鋼筋混凝土柱)，型鋼混凝土柱延伸至37層；底部框架柱混凝土采用C70，軸壓比不大于0.64。核心筒厚度：X向1.2～0.4m，Y向1.0～0.3m，核心筒角部設(shè)置型鋼，混凝土采用C60，軸壓比不大于0.45，各種型鋼鋼材均為Q355B。

圖2 結(jié)構(gòu)模型圖

圖3 典型結(jié)構(gòu)平面布置圖

本工程設(shè)防類別為乙類，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期和設(shè)計(jì)使用年限均為50年?？拐鹪O(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10g，場(chǎng)地類別為Ⅱ類。

2 針對(duì)大高寬比設(shè)計(jì)措施

針對(duì)本項(xiàng)目高寬比較大的特點(diǎn)，對(duì)比了有無加強(qiáng)層方案，對(duì)結(jié)構(gòu)的剛重比、剪重比、層間位移角、剪力墻名義拉應(yīng)力等主要參數(shù)及結(jié)構(gòu)的抗傾覆能力進(jìn)行了細(xì)致的分析。

2.1 方案比選

由于建筑布置造成該結(jié)構(gòu)兩個(gè)主軸方向動(dòng)力性能差異較大，結(jié)構(gòu)高寬比X向?yàn)?.04，Y向?yàn)?.2，核心筒高寬比X向?yàn)?.14，Y向?yàn)?3.6，Y向剛度相對(duì)較弱；故在不影響建筑功能的前提下，設(shè)計(jì)時(shí)盡可能地增加了Y向剪力墻截面及Y向框架梁截面尺寸，且提高了框架柱Y向剛度。但結(jié)構(gòu)在不設(shè)置伸臂加強(qiáng)層時(shí)，Y向剛重比依然不滿足要求，大震層間位移角接近規(guī)范限值，且周期偏大[1]。為進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)剛度及穩(wěn)定性，在中部避難層設(shè)置一道伸臂桁架加強(qiáng)層，加強(qiáng)層設(shè)置后，不僅結(jié)構(gòu)剛度有較大提高，各參數(shù)也滿足有關(guān)要求，底部核心筒拉應(yīng)力顯著減小，有無伸臂桁架兩種方案主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

有無伸臂桁架方案結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)比 表1

2.2 加強(qiáng)層設(shè)置

當(dāng)設(shè)置一道加強(qiáng)層時(shí)，一般認(rèn)為居中略偏高設(shè)置較為有利[2]。針對(duì)伸臂桁架設(shè)置在不同避難層位置進(jìn)行了效率分析，通過主要參數(shù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在第三避難層(37層)設(shè)置4榀伸臂桁架后，結(jié)構(gòu)的剛度、整體穩(wěn)定性最好，伸臂桁架布置示意圖見圖4。

圖4 伸臂桁架布置示意

為兼?zhèn)湫始敖ㄖδ?，伸臂形式采用V字形[3]，并貫通剪力墻，見圖5。由于外框架伸臂之間的環(huán)帶桁架影響設(shè)備房間布置，同時(shí)為避免結(jié)構(gòu)在X，Y向的剛度差別太大，外框架伸臂之間不設(shè)置環(huán)帶桁架，而設(shè)置大型鋼混凝土梁，截面為600×1 000，內(nèi)含型鋼H600×200×35×35(Q355B)，以協(xié)調(diào)外框架柱之間的受力及變形。

圖5 V字形伸臂桁架立面布置

伸臂桁架腹桿截面需滿足下列要求：1)提供足夠的側(cè)向剛度協(xié)調(diào)框架及核心筒變形，使得剛重比等控制參數(shù)滿足規(guī)范要求；2)伸臂桁架承載力滿足中震不屈服；3)避免加強(qiáng)層剛度過大導(dǎo)致加強(qiáng)層下層薄弱層或軟弱層出現(xiàn)；4)與伸臂相連剪力墻不超過中度損傷[4]。

在設(shè)置一道伸臂桁架加強(qiáng)層的情況下，為達(dá)到綜合效果最優(yōu)，分析了不同伸臂腹桿截面對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響，結(jié)果見表2。由表2可知，伸臂桁架截面太大時(shí)，剛度突變較大會(huì)導(dǎo)致加強(qiáng)層下層形成薄弱層，伸臂桁架伸入剪力墻可緩解剪力墻損傷。

不同伸臂腹桿截面對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響 表2

采用ABAQUS建立三維模型對(duì)一榀貫通剪力墻的伸臂桁架進(jìn)行有限元分析，與該榀伸臂桁架相連的周邊構(gòu)件的內(nèi)力同時(shí)作用在模型上，伸臂桁架核心筒外斜腹桿型鋼截面為H500×500×60×70，伸入剪力墻的斜腹桿型鋼截面為H500×400×40×40，鋼材均為Q355B，該剪力墻水平配筋率為0.8%。

有限元分析模型見圖6，主要分析結(jié)果見圖7。結(jié)果表明，罕遇地震下，伸臂桁架整個(gè)型鋼最大應(yīng)力為307.1MPa，柱縱筋最大應(yīng)力為284.8MPa，型鋼混凝土梁縱筋最大應(yīng)力為264.3MPa，核心筒內(nèi)鋼筋最大應(yīng)力為260.7MPa，均小于鋼筋屈服應(yīng)力。罕遇地震下，與伸臂桁架相連的剪力墻混凝土局部區(qū)域出現(xiàn)受壓損傷，最大損傷因子約為0.31，面積約20%，屬于中度損傷[4]。

圖6 伸臂桁架有限元模型

圖7 罕遇地震下伸臂桁架有限元分析結(jié)果

2.3 抗傾覆驗(yàn)算

根據(jù)大高寬比項(xiàng)目特點(diǎn)，重點(diǎn)對(duì)水平荷載下剛度較弱的Y向結(jié)構(gòu)傾覆進(jìn)行驗(yàn)算[5]，結(jié)果見表3。由表3可知，小、中震下結(jié)構(gòu)抗力均大于效應(yīng)，未出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū)，滿足規(guī)范要求。結(jié)構(gòu)在Y向大震等效彈性方法計(jì)算下，底部出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū)，占比約為5.15%，小于25%。說明大震下結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生傾覆。

抗傾覆驗(yàn)算結(jié)果 表3

2.4 整體穩(wěn)定性驗(yàn)算

采用MIDAS Gen進(jìn)行結(jié)構(gòu)的整體彈性屈曲分析[6]，前二階模態(tài)結(jié)果見圖8。結(jié)果表明第一屈曲模態(tài)為Y向平動(dòng)，屈曲系數(shù)為12.1，第二屈曲模態(tài)為X向平動(dòng)，屈曲系數(shù)為12.57，均大于10[7]，說明結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性滿足要求。

圖8 結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定分析前二階模態(tài)

3 針對(duì)斜柱設(shè)計(jì)措施

由于建筑造型要求，51～55層立面局部收進(jìn)，故在49～50層通過2層斜柱轉(zhuǎn)換，示意圖見圖9。3根斜柱分別位于西北角、東北角、西南角，其中X，Y向的傾斜角度為6°。針對(duì)重力荷載下斜柱間框梁，對(duì)比了斜柱與核心筒之間是否設(shè)置拉梁及是否考慮樓板[8]，分析結(jié)果見表4。從表4可知，考慮樓板作用后，斜柱間框梁拉力顯著減小；而斜柱與核心筒之間設(shè)置拉梁(截面600×700)后，隨著拉梁剛度增大，拉梁拉力增加，而斜柱間框梁拉力減小。為不影響建筑凈高，在斜柱與核心筒的樓板之間設(shè)置暗梁，其高度同板厚為150mm，寬度為1 000mm，暗梁配筋率不小于2%，按抗震鋼筋錨固。與斜柱相連所有框架梁按不考慮樓板作用進(jìn)行承載力復(fù)核。

圖9 斜柱層梁柱示意圖

重力荷載下斜柱間框梁受力分析 表4

斜柱采用型鋼柱，與斜柱起始層相連的框架拉梁采用型鋼梁；同時(shí)加厚斜柱附近樓板，加強(qiáng)配筋，樓板厚度不小于150mm，配筋雙層雙向通長(zhǎng)布置、間距不大于150mm且配筋率不少于0.3%；斜柱及其上下端樓層相鄰核心筒剪力墻抗震等級(jí)提高為特一級(jí)，且設(shè)置約束邊緣構(gòu)件。

4 樓板應(yīng)力分析

52，54層開洞形成的平面不規(guī)則及加強(qiáng)層樓板受力復(fù)雜，為了保證水平力傳遞和內(nèi)力調(diào)整的可靠性，對(duì)樓板應(yīng)力進(jìn)行分析。從多遇地震下開洞層52層樓板應(yīng)力云圖(圖10)可知，樓板最大拉應(yīng)力1.58MPa小于樓板混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk；而從罕遇地震下伸臂加強(qiáng)層的剪應(yīng)力驗(yàn)算(圖11)可知，加強(qiáng)層樓板厚度(180mm)及配筋能滿足抗剪要求[9]。

圖10 多遇地震下52層樓板應(yīng)力云圖/MPa

圖11 罕遇地震下伸臂桁架加強(qiáng)層剪應(yīng)力云圖/MPa

5 性能目標(biāo)

鑒于本工程為超B級(jí)高度的超限高層，同時(shí)存在加強(qiáng)層、斜柱、穿層柱以及樓板不連續(xù)等特點(diǎn)，本工程性能目標(biāo)為高規(guī)[9]C類。將底部加強(qiáng)區(qū)核心筒、框架柱、伸臂桁架層及上下相鄰層的豎向構(gòu)件及伸臂桁架、斜柱及其支承框架柱及拉梁定義為關(guān)鍵構(gòu)件,其性能目標(biāo)見表5。

構(gòu)件抗震性能設(shè)計(jì)目標(biāo) 表5

核心筒抗震等級(jí)為特一級(jí)；除加強(qiáng)層及相鄰上下層框架柱、斜柱及相鄰下層框架柱及拉梁抗震等級(jí)為特一級(jí)外，其余框架柱抗震等級(jí)為一級(jí)。

6 性能分析設(shè)計(jì)

滿足抗規(guī)[10]選波要求，采用2條天然波(RSN2811,RSN3818)及1條人工波(RGB3)，利用SAUSAGE及MIDAS Buliding軟件對(duì)整體模型進(jìn)行大震下的彈塑性分析。

6.1 主要參數(shù)

罕遇地震下結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角見圖12。X向、Y向最大層間位移角分別為1/228(8層)，1/224(12層)，均小于限值1/111[10]。

圖12 罕遇地震下彈塑性樓層層間位移角

罕遇地震下，彈塑性和彈性時(shí)程分析得到的結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移及基底剪力的對(duì)比見圖13。隨著結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性的構(gòu)件越多或程度越深，結(jié)構(gòu)剛度有所降低，基底剪力有所降低，地震作用力逐漸減小。由圖13可知，由于結(jié)構(gòu)彈塑性的發(fā)展，結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移峰值間的往復(fù)周期明顯比彈性結(jié)構(gòu)有所增長(zhǎng)，但基本穩(wěn)定，沒有發(fā)散。說明在大震作用下，結(jié)構(gòu)塑性變形進(jìn)一步發(fā)展，結(jié)構(gòu)剛度有所減小，但總體趨于穩(wěn)定。

圖13 罕遇地震下彈塑性與彈性模型參數(shù)對(duì)比

6.2 構(gòu)件損傷分析

罕遇地震作用下，MIDAS Buliding軟件計(jì)算得到的框架柱屈服狀態(tài)見圖14，核心筒鋼筋豎向應(yīng)力見圖15。由圖14,15可知，僅屋架層少量框架柱構(gòu)件屈服，剪力墻鋼筋不屈服。

圖14 框架柱屈服狀態(tài)

圖15 核心筒鋼筋豎向應(yīng)力/MPa

罕遇地震作用下，SAUSAGE軟件計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件性能水平見圖16；桁架弦桿、斜柱及拉梁內(nèi)型鋼塑性應(yīng)變情況見圖17。由圖16,17可知，各構(gòu)件基本滿足性能目標(biāo)要求，具體情況如下：1)底部加強(qiáng)區(qū)大部分墻柱輕微～輕度損壞；加強(qiáng)層中與伸臂桁架相連的剪力墻大部分輕度損傷，所有剪力墻承載力滿足大震不屈服。2)底部加強(qiáng)區(qū)框架柱、加強(qiáng)層上下層框架柱、斜柱及相鄰下層斜柱包括斜柱拉梁處于彈性或輕微損壞，承載力滿足大震不屈服。3)伸臂桁架承載力可滿足大震不屈服。

圖16 罕遇地震下豎向構(gòu)件性能水平

圖17 罕遇地震下關(guān)鍵構(gòu)件型鋼塑性應(yīng)變情況(未屈服)

7 結(jié)論

(1)大高寬比框架-核心筒結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度是設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)。設(shè)置加強(qiáng)層可有效提高結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度，伸臂桁架的設(shè)置位置及剛度大小應(yīng)進(jìn)行綜合考慮，詳細(xì)分析。

(2)為減小與伸臂桁架相連剪力墻的損傷程度，宜將桁架貫通剪力墻，并適當(dāng)提高該剪力墻水平配筋率；宜進(jìn)行實(shí)體有限元分析復(fù)核并根據(jù)損傷情況加強(qiáng)。

(3)結(jié)構(gòu)外框架存在斜柱時(shí)，宜在核心筒與斜柱之間設(shè)置拉梁，如無條件設(shè)置拉梁時(shí)，可設(shè)置暗梁以減少樓板開裂。