王愛和

(中國電子工程設(shè)計院有限公司， 北京 100142)

1 工程概況

本工程位于廣西省柳州市北部生態(tài)新區(qū)，建筑面積6萬m2。該工程屬于復(fù)雜超限高層結(jié)構(gòu)，建筑高度36m，地上8層，地下1層，屋頂有格柵。地上各層層高均為4.5m。本工程6層至屋面層(共3層)為大跨度連體結(jié)構(gòu)，連體跨度63m，寬度27m，建筑高度13.5m。連體部位建筑使用功能為辦公、會議。項目建筑效果圖如圖1所示。

圖1 建筑效果圖

本工程建筑結(jié)構(gòu)安全等級二級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.0，設(shè)計使用年限50年?？拐鹪O(shè)防烈度6度，設(shè)計基本地震加速度0.05g，抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類(丙類)[1]。建筑場地類別Ⅱ類，設(shè)計地震分組第一組，特征周期0.35s?；撅L(fēng)壓0.30kN/m2，驗算舒適度時采用風(fēng)壓0.20kN/m2，地面粗糙度類別B類。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)，本地區(qū)不考慮雪荷載[2]。

2 單塔樓與整體結(jié)構(gòu)計算對比

連體結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)桁架，雙側(cè)塔樓為鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)平面柱網(wǎng)尺寸均為9m。

按照《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)[3]的要求，連體結(jié)構(gòu)各獨立部分宜有相同或相近的體型、平面布置和剛度。但本工程中兩側(cè)塔樓體型及剛度相差較大，且地震作用方向約有45°的夾角，在風(fēng)荷載和地震作用下，若是采用常用的弱連接方式，很難協(xié)調(diào)兩側(cè)塔樓的整體變形及受力。故本工程采用連體結(jié)構(gòu)與雙側(cè)塔樓剛性連接，且伸入塔樓一跨，此跨采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)，保證水平力的有效傳遞。連體平面、立面布置圖分別如圖2,3所示。

圖2 連體平面示意圖

圖3 連體立面示意圖

由于兩側(cè)塔樓體型相差較大，平面形狀不對稱。故先采用YJK對連體各獨立部分進(jìn)行拆分計算，各獨立部分體型不相同、層數(shù)完全相同，周期及側(cè)向剛度的計算結(jié)果對比分別見表 1和圖4。

獨立部分的周期對比 表1

圖4 側(cè)向剛度對比

單塔樓和整體結(jié)構(gòu)主要計算結(jié)果對比見表2及圖4。從表2及圖4可看出，兩側(cè)塔樓周期、質(zhì)量相差較大，在連體范圍的層數(shù)(6層至屋面層)中，側(cè)向剛度也有一些差距。由于獨立部分2平面為斜向布置，與獨立部分1有較大夾角，導(dǎo)致兩側(cè)塔樓地震作用方向有夾角。如采用滑動支座，會有如下問題：1)兩側(cè)塔樓很難協(xié)調(diào)變形；2)連體部位主要功能為辦公和會議，并非走廊和通行功能，對舒適度和安全性要求很高。因此采用連體和兩側(cè)塔樓結(jié)構(gòu)剛性連接的結(jié)構(gòu)方案。

在施工加載順序上，如采用分層組裝的方式，對連體最底層結(jié)構(gòu)的承載能力要求較高，不易于施工，故采用整體吊裝的方式，計算模型中考慮一次加載。

單塔樓與整體結(jié)構(gòu)主要計算結(jié)果對比 表2

3 連體結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 連體方案

針對本工程建筑使用要求及結(jié)構(gòu)特點，連體方案確定時先考慮桁架榀數(shù)，考慮兩種連體方案，一種為設(shè)置最外側(cè)兩榀桁架，另外一種為連體縱向軸線設(shè)置四榀桁架。前者優(yōu)點在于橫向范圍內(nèi)無結(jié)構(gòu)構(gòu)件，對建筑功能影響最小，缺點在于次梁跨度較大(27m)，構(gòu)件截面過大，建筑層高僅為4.5m，次梁梁高過高對建筑凈高有較大影響，且結(jié)構(gòu)安全度較低。后者優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)冗余度高，桁架截面及次梁截面相對較小，對建筑凈高有利，缺點在于中間兩榀桁架對建筑功能會有一定影響。綜合考慮，選取后者作為結(jié)構(gòu)方案，建立力學(xué)模型，進(jìn)行對比計算。

連體縱向軸線設(shè)置四榀桁架的方案一為四榀桁架方案，構(gòu)件布置見圖5。連體結(jié)構(gòu)為縱向四榀桁架，與塔樓剛接，中間榀桁架位置有斜腹桿，對建筑布局上有一些影響。方案二為外側(cè)兩榀桁架+中間空腹桁架方案，構(gòu)件布置見圖6。連體結(jié)構(gòu)為縱向外側(cè)兩榀桁架+內(nèi)側(cè)空腹桁架，與塔樓剛接，中間榀桁架無斜腹桿，建筑功能布局上較為靈活。

圖5 連體方案一桁架示意圖

圖6 連體方案二中間空腹桁架示意圖

方案一的主要受力構(gòu)件為中間兩榀桁架，故中間兩榀桁架構(gòu)件的截面作為應(yīng)力比控制截面。中間兩榀桁架支座附近構(gòu)件內(nèi)力最大，弦桿端彎矩537kN·m，斜腹桿軸力10 944kN，應(yīng)力比最大值為0.84。方案二的主要受力構(gòu)件為中間空腹桁架，支座處弦桿端彎矩1 120kN·m，豎桿應(yīng)力比最大值1.0。

表 3為兩個方案的構(gòu)件主要截面。從表3可以看出，采用空腹桁架的方案二的構(gòu)件截面尺寸較大。

兩個方案的構(gòu)件截面對比/mm 表3

方案一中的桁架邊跨撓度為38mm，中間跨撓度為48mm；方案二中的桁架邊跨撓度為40mm，中間跨撓度為74mm。方案一的桁架豎向剛度較大，邊跨和中間跨撓度相差較小。與方案一相比，方案二的中間為空腹桁架，因此整體豎向剛度較小，且邊跨的豎向剛度與中間跨的豎向剛度有較大的差距。

綜合以上考慮，方案二的構(gòu)件尺寸影響建筑凈高，且整體剛度差，因此最終選擇方案一作為連體方案，中間桁架設(shè)置為建筑走廊隔墻，削弱對建筑功能的影響。

3.2 連體結(jié)構(gòu)計算

考慮豎向地震作用，對連體結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算分析。

3.2.1 小震作用分析

為保證連體與兩側(cè)塔樓更好連接，連體桁架弦桿通長貫通深入兩側(cè)塔樓結(jié)構(gòu)內(nèi)，保證水平力及豎向荷載的可靠傳遞。

小震作用下，連體結(jié)構(gòu)中間榀桁架的強(qiáng)度應(yīng)力比見圖7。由圖7可得，應(yīng)力比最大值為0.80，位于支座腹桿處。當(dāng)不考慮樓板作用時，連體結(jié)構(gòu)中間榀桁架的強(qiáng)度應(yīng)力比見圖8。由圖8可得，應(yīng)力比最大值為0.95，位于支座腹桿處。

圖7 小震作用下中間榀桁架強(qiáng)度應(yīng)力比

圖8 不考慮樓板作用時中間榀桁架強(qiáng)度應(yīng)力比

3.2.2 大震作用下動力彈塑性時程分析

本工程屬于復(fù)雜超限高層建筑，為實現(xiàn)“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震目標(biāo)，采用基于性能的抗震設(shè)計方法，綜合考慮抗震設(shè)防類別、設(shè)防烈度、場地條件、結(jié)構(gòu)的特殊性、建造費用、震后損失和修復(fù)難易程度，設(shè)定本工程結(jié)構(gòu)體系各部分的抗震性能目標(biāo)為C級。大跨度連體結(jié)構(gòu)的桁架支座柱、連體桁架設(shè)定為關(guān)鍵構(gòu)件，性能指標(biāo)為中震彈性，大震不屈服。

在進(jìn)行大震作用下的彈塑性時程分析之前，首先利用YJK進(jìn)行了模型的靜力和模態(tài)分析，利用SAUSAGE進(jìn)行了施工模擬和模態(tài)分析，用來校核模型從YJK轉(zhuǎn)換到SAUSAGE的準(zhǔn)確程度。按建筑場地類別和設(shè)計地震分組選用兩組實際地震記錄和一組人工模擬的加速度時程曲線，在罕遇地震作用下峰值加速度取125gal。

在大震作用下，連體兩側(cè)塔樓的大部分墻體無受壓損傷，部分連梁附近的墻體出現(xiàn)受壓損傷，損傷因子主要在0.1左右。部分墻體出現(xiàn)受拉損傷，損傷因子最大值為0.4。墻體縱筋、水平筋均未出現(xiàn)塑性應(yīng)變。連體兩側(cè)柱子均采用型鋼混凝土柱，在大震作用下，大部分型鋼柱無受壓損傷，極少數(shù)柱出現(xiàn)受壓損傷，損傷因子主要在0.1左右。絕大部分屋面位置，及少部分柱底位置出現(xiàn)混凝土受拉損傷。與桁架相連柱中鋼骨和鋼筋均未進(jìn)入屈服。

大震作用下，樓板整體受壓損傷較小，損傷多位于連體和塔樓連接處附近。樓板鋼筋未進(jìn)入屈服，因此不影響剪力的傳遞。連體結(jié)構(gòu)桁架的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件未出現(xiàn)塑性應(yīng)變。

3.3 連體樓板應(yīng)力分析

按中震不屈服計算，對于典型復(fù)雜樓板進(jìn)行恒載+活載工況下應(yīng)力分析,6層和屋面層樓板的應(yīng)力圖分別見圖9,10。由圖9,10可以看出，由于連體結(jié)構(gòu)的大跨度桁架在恒載+活載作用下的整體變形，導(dǎo)致6層樓板在跨中位置的拉應(yīng)力較大(11MPa)，屋面層樓板支座位置的拉應(yīng)力較大(7MPa)?；诖丝紤]，可在連體鋼結(jié)構(gòu)整體吊裝連接完成后，進(jìn)行樓板混凝土澆筑時，在連體大跨桁架兩端各設(shè)置一道施工后澆帶，釋放支座處約束作用，設(shè)置后澆帶后6層樓板應(yīng)力結(jié)果如圖11所示。從圖11可得，在設(shè)置施工后澆帶后，在中震及活載作用下，連體樓板拉應(yīng)力較小，基本在2.0MPa以下，與連體相連的剪力墻附近出現(xiàn)局部應(yīng)力集中，達(dá)到4.0MPa左右。施工圖階段對于應(yīng)力較高部位，通過提高此處樓板配筋等措施來解決樓板受拉問題。

圖9 6層樓板X向板底應(yīng)力圖/MPa

圖10 屋面層樓板X向板底應(yīng)力圖/MPa

圖11 設(shè)置后澆帶后的6層樓板X向板底應(yīng)力圖/MPa

3.4 連體樓板溫度應(yīng)力分析

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)，廣西地區(qū)基本氣溫為：最高溫度36℃，最低溫度3℃，夏季室內(nèi)外溫差10℃，冬季室內(nèi)外溫差10℃。因此確定施工合攏溫度為10～25℃，保證在一年中的大部分時間均可合攏，具備施工可行性?；诖?，確定結(jié)構(gòu)的最高溫度為36-10=26℃，最低溫度為3+10=13℃，結(jié)構(gòu)最大溫升為26-10=16℃，最大溫降為13-25=-12℃，升溫、降溫時樓板溫度應(yīng)力分別見圖12,13。

圖12 升溫時6層樓板X向溫度應(yīng)力/MPa

圖13 降溫時6層樓板X向溫度應(yīng)力/MPa

從圖12,13可得，溫度導(dǎo)致樓板產(chǎn)生拉壓應(yīng)力(X，Y兩個方向)，在升溫、降溫時，絕大部分拉壓應(yīng)力在-1.0～1.0MPa之間，極少數(shù)部位產(chǎn)生了應(yīng)力集中達(dá)到1.6MPa。在降溫時，樓板產(chǎn)生拉應(yīng)力均較小，主要表現(xiàn)為壓應(yīng)力。大部分樓板應(yīng)力均小于《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010)(2015年版)[4]中的C30混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計值1.43MPa。

針對溫度應(yīng)力的問題，采取的減少溫度應(yīng)力的結(jié)構(gòu)設(shè)計措施如下：1)設(shè)置溫度后澆帶,間距30～40m，釋放早期混凝土的收縮應(yīng)力；2)在重點部位樓板增加通長鋼筋，在梁增加上部通長鋼筋及梁側(cè)腰筋，適當(dāng)提高配筋率，連體結(jié)構(gòu)兩端柱加大配筋；3)結(jié)合建筑做法采用外包墻、加大屋面保溫層厚度做好保溫隔熱措施，保證在使用階段主體結(jié)構(gòu)處于恒溫狀態(tài)，減小使用階段溫度應(yīng)力；4)在樓板開洞四周增強(qiáng)配筋。

3.5 樓板舒適度分析

采用0.5m網(wǎng)格尺寸對連體樓板進(jìn)行細(xì)分，對樓板自振頻率進(jìn)行驗算。樓板第一階模態(tài)豎向自振頻率為2.131 5Hz，小于《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010)(2015年版)及《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)中限值3Hz要求，需進(jìn)行豎向振動加速度峰值驗算。

驗算時考慮如圖14中虛線所示的兩種步行方式[5]，按照步速1m/s施加時程步行荷載，兩種工況下樓板的峰值加速度分別為0.059 1m/s2和0.067 5m/s2，均滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)中限值0.215m/s2要求，目前的樓蓋設(shè)計滿足舒適度要求。

圖14 舒適度驗算步行方式布置示意圖

3.6 連體部位構(gòu)造措施

針對大跨度連體結(jié)構(gòu)，采取了一些構(gòu)造措施加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性，主要包括以下措施：1)連體結(jié)構(gòu)與塔樓采用剛性連接[6]，連體結(jié)構(gòu)伸入主體結(jié)構(gòu)一跨；2)連體部位及兩側(cè)塔樓兩跨范圍內(nèi)樓板厚度150mm，采用雙層雙向鋼筋網(wǎng)，每層每個方向鋼筋網(wǎng)的配筋率不宜小于0.30%；3) 連體部位邊梁截面加大；4) 在連體高度范圍及其上、下層，連體及與連體相連的結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震等級提高，框架、剪力墻抗震等級均提高至二級；5) 與連體相連的框架柱采用型鋼混凝土柱，箍筋全段加密，軸壓比限值降低了0.05；6) 與連體相連的剪力墻在連體高度范圍及其上、下層設(shè)置約束邊緣構(gòu)件[7]。

4 結(jié)語

本工程為高位連體復(fù)雜超限結(jié)構(gòu)，通過和建筑專業(yè)的充分溝通，結(jié)合建筑需求確定合理的結(jié)構(gòu)體系，并對體系中受力復(fù)雜的區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)的分析計算、性能化設(shè)計，達(dá)到預(yù)期的性能目標(biāo)，從而保證整個結(jié)構(gòu)體系合理。在該復(fù)雜超限高層的連體設(shè)計中，進(jìn)行了單塔計算分析、連體樓板應(yīng)力分析、樓板舒適度設(shè)計、溫度應(yīng)力分析等多個計算，采用對應(yīng)的加強(qiáng)措施對薄弱部位進(jìn)行加強(qiáng)，確保結(jié)構(gòu)滿足抗震設(shè)防目標(biāo)，為類似工程提供參考。