張 敏 安徽省建筑設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司

1 工程概況

威海九龍灣中心CBD 項(xiàng)目總建筑面積約301 759 m2，辦公及酒店塔樓結(jié)構(gòu)主體高度為276.7 m，建筑幕墻頂高度為291.7 m。其中，塔樓1 ～3 層為酒店及辦公大堂，層高4.45 ～7.2 m；4 ～43層為辦公區(qū)域，層高4.45 m；45 ～60層為酒店區(qū)域，層高為3.8 ～6 m；11、22、33、44、52 層為避難兼設(shè)備層，層高為5.4 m。

2 設(shè)計(jì)條件

結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限50 年，抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類（乙類），抗震設(shè)防烈度為7 度（0.1g），場(chǎng)地類別為Ⅱ類，設(shè)計(jì)地震分組第一組。多遇地震情況下的水平地震影響系數(shù)最大值為0.08，場(chǎng)地特征周期Tg=0.35 s。項(xiàng)目三面環(huán)海，地面粗糙度為A 類，50年一遇的基本風(fēng)壓為0.65 kN/m2，風(fēng)荷載體型系數(shù)按荷載規(guī)范取1.4。

3 方案比選

3.1 建筑特點(diǎn)

威海九龍灣中心CBD 項(xiàng)目建筑方案有4 個(gè)特點(diǎn)：一是建筑平面的4 個(gè)角部存在三角形凹口，其中東南角與西北角由下到上逐漸變大，西南角與東北角由下到上逐漸變?。欢墙ㄖ?4 層以上的酒店區(qū)域樓板存在大開洞，核心筒收進(jìn)；三是44 ～46 層存在穿越兩層的躍層柱；四是建筑平面柱位不均勻并且不對(duì)稱，平均柱間距為9 m。結(jié)構(gòu)外框的平面尺寸為45 m×45 m，塔樓的高寬比約為6.2，核心筒平面尺寸為22.5 m×22.5 m，高寬比為12.3，外框與核心筒的距離約為10 m。

3.2 結(jié)構(gòu)方案

針對(duì)建筑的上述特點(diǎn)，且考慮到鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工工期長(zhǎng)、豎向構(gòu)件尺寸大、結(jié)構(gòu)笨重，故本項(xiàng)目采用混合結(jié)構(gòu)體系，試算3 種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。其中，方案一為鋼管混凝土柱—鋼梁—鋼筋混凝土剪力墻核心筒，且在避難層44、52 層設(shè)有伸臂；方案二為型鋼混凝土柱-鋼梁—鋼筋混凝土剪力墻核心筒，且在避難層52 層設(shè)伸臂，每層4 個(gè)角部設(shè)型鋼混凝土梁；方案三為型鋼混凝土巨柱—鋼梁—鋼筋混凝土剪力墻核心筒，并在每層4 個(gè)角部設(shè)型鋼混凝土梁。

3.3 結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件截面尺寸

核心筒從下到上的外墻厚度和內(nèi)墻厚度分別為500 ～1 100 mm、400 ～600 mm，核心筒剪力墻混凝土等級(jí)為C60 ～C40，鋼管混凝土柱截面從下到上尺寸為φ1 300 mm×1 250 mm ～600 mm×570 mm， 外框鋼梁辦公區(qū)截面尺寸為H1 000 mm×600 mm×30 mm×36 mm，酒店區(qū)截面為H800 mm×600 mm×30 mm×36 mm，樓面梁截面尺寸為H550 mm×200 mm×10 mm×16 mm 和H600 mm×200 mm×11 mm×17 mm，標(biāo)準(zhǔn)層外框架與核心筒間的樓板采用組合樓板，厚度為110 mm，核心筒內(nèi)樓板厚度為120 mm。

3.4 計(jì)算結(jié)果比較分析

工程采用SATWE 對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體計(jì)算分析，3 種方案的各項(xiàng)指標(biāo)均按照規(guī)范要求限值控制，主要計(jì)算結(jié)果如表1所示。

分析表1 可知，方案二和方案三（型鋼混凝土柱）較方案一（鋼管混凝土柱）結(jié)構(gòu)重力荷載代表值大約7%～10%。經(jīng)分析，方案二和方案三每層增設(shè)的8道型鋼混凝土梁自重較方案一的兩道伸臂重約3.5 倍；鋼管混凝土柱由于軸壓比限值為1，而型鋼混凝土柱在本項(xiàng)目中軸壓比限值為0.65，故方案二和方案三的柱較方案一的柱截面大約60%，重量大約50%。結(jié)構(gòu)體型基本一致，風(fēng)荷載作用下基底剪力接近；地震作用下的基底剪力與重力荷載代表值成正比，方案二最大，其次分別為方案三、方案一。結(jié)構(gòu)主要受風(fēng)荷載控制。方案一、方案二以及方案三在風(fēng)荷載作用下的頂點(diǎn)最大位移約為地震作用下的1.9 倍、1.7 倍、1.65 倍；最大層間位移角約為地震作用下的1.8 倍、1.65 倍、1.6 倍。

表1 主要計(jì)算結(jié)果

通過觀察表1 可知，3 種方案的層間位移角有顯著差別，為更直觀地觀察結(jié)構(gòu)各層在風(fēng)荷載和地震作用下的層間位移角變化規(guī)律，圖1 給出了3 種方案在風(fēng)荷載和地震作用下的層間位移角曲線。

圖1 層間位移角曲線

通過觀察3 種方案的層間位移角曲線可以發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)層間剛度在中低區(qū)（約40 層以下）均勻變化，高區(qū)層間剛度有較大突變，曲線上表現(xiàn)為中低區(qū)曲線呈現(xiàn)彎剪型均勻變化，高區(qū)曲線有明顯凹凸點(diǎn)。結(jié)構(gòu)的薄弱層均表現(xiàn)在高區(qū)酒店樓板大開洞位置（44 層附近），層間位移角均在此處發(fā)生突變。

4 專項(xiàng)對(duì)比分析

根據(jù)項(xiàng)目的特點(diǎn)，為選出一種最優(yōu)方案，針對(duì)上述計(jì)算指標(biāo)結(jié)果的差異性，同時(shí)進(jìn)行了多項(xiàng)專項(xiàng)的比較分析，包括有帶狀桁架與伸臂的對(duì)比分析、伸臂加強(qiáng)層最佳位置和數(shù)量研究。

4.1 帶狀桁架與伸臂的對(duì)比分析

本文的伸臂以及帶狀桁架均采用斜腹桁架形式。為分析伸臂和帶狀桁架加強(qiáng)方式對(duì)該項(xiàng)目的作用效果，基于方案a，將兩層伸臂換為帶狀桁架，得到方案c；在方案a 設(shè)置伸臂的樓層同時(shí)加上帶狀桁架，得到方案d；方案e 為無結(jié)構(gòu)加強(qiáng)層方案（無伸臂和帶狀桁架），主要計(jì)算指標(biāo)結(jié)果如表2 所示，控制風(fēng)荷載作用下柱軸力變化如圖2 所示。

表2 加強(qiáng)層類型對(duì)比計(jì)算結(jié)果

圖2 風(fēng)荷載作用下柱軸力變化

分析表2 和圖2 可知，伸臂體系的應(yīng)用可以明顯改善結(jié)構(gòu)的層間剛度，但是對(duì)結(jié)構(gòu)抗剪性能的提高沒有幫助。設(shè)有伸臂的方案a 和方案d 層間位移角均達(dá)規(guī)范要求的1/500，且比未設(shè)置伸臂的方案c 和方案e 層間位移角減小約18%～48%，但方案a、方案d 的框剪比較方案c、方案e 處于較低水平，框架柱承擔(dān)的剪力較小。同時(shí)設(shè)置伸臂和帶狀桁架可在一定程度上提高結(jié)構(gòu)的框剪比。增設(shè)帶狀桁架的方案d 框剪比達(dá)10%以上的樓層數(shù)較僅設(shè)伸臂的方案a提高50%。設(shè)置伸臂后加設(shè)帶狀桁架可減小柱軸力突變，增加整個(gè)加強(qiáng)層的整體性。圖2 中，未設(shè)任何加強(qiáng)層的方案e，在風(fēng)荷載作用下，軸力沿層高均勻變化；單獨(dú)加設(shè)伸臂的方案a 和單獨(dú)加設(shè)帶狀桁架的方案c，在伸臂和帶狀桁架設(shè)置的樓層軸力發(fā)生突變，突變量約為400 ～1500 kN；同時(shí)加設(shè)伸臂和帶狀桁架的方案d，軸力沿層高變化基本均勻，且有效減小了伸臂下柱的軸力。

4.2 伸臂加強(qiáng)層最佳位置和數(shù)量研究

TARANATH B S 以頂部側(cè)移最小為優(yōu)化目標(biāo)分析了加強(qiáng)層的最優(yōu)設(shè)置位置，得出單道加強(qiáng)層最優(yōu)設(shè)置位置為離頂層0.455 倍結(jié)構(gòu)全高位置的結(jié)論[3]。MCNABB J W 和MUVDI B B 進(jìn)一步求得設(shè)置兩道加強(qiáng)層的高層結(jié)構(gòu)加強(qiáng)層最優(yōu)位置在距離結(jié)構(gòu)頂部0.312 和0.685 倍結(jié)構(gòu)全高處[4]。

針對(duì)本項(xiàng)目，為使比選結(jié)果更具應(yīng)用性，若選擇鋼管混凝土柱方案為基礎(chǔ)模型，改變伸臂加強(qiáng)層的位置，層間位移角可能都不滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，故此項(xiàng)專項(xiàng)研究為基于型鋼混凝土柱模型，并根據(jù)項(xiàng)目建筑特點(diǎn)，分別在33 層（0.5H）、44層（0.68H）和52 層（0.82H）設(shè)置結(jié)構(gòu)加強(qiáng)層。以頂點(diǎn)位移和最大層間位移角最小為目標(biāo)，判別伸臂設(shè)置的最佳位置。比選3 種方案，其中方案f 伸臂加強(qiáng)層為33、44層；方案g伸臂加強(qiáng)層為33、52層；方案h 伸臂加強(qiáng)層為44、52 層，主要計(jì)算指標(biāo)結(jié)果如表3 所示。分析表3 可知，加強(qiáng)層位置的變化對(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度影響較小，自震周期變化幅度為1%～2%。加強(qiáng)層設(shè)置在44、52 層效果最佳，其次依次為33、52 層和33、44 層。由于高區(qū)酒店（44 層以上）存在樓板大開洞以及核心筒收筒現(xiàn)象，側(cè)向剛度突變較大，層間位移角亦有明顯突變，故在該區(qū)域（即44、52 層）設(shè)伸臂加強(qiáng)層效果最佳。方案h 較方案g 和方案f，層間位移角分別減小2%、19%；頂點(diǎn)最大位移，方案g、h 接近，較方案f 減小約5%。

表3 加強(qiáng)層位置及數(shù)量結(jié)果比較

通過對(duì)兩道加強(qiáng)層最佳位置的研究表明，加強(qiáng)層設(shè)置在44、52 層效果最佳，且主要計(jì)算指標(biāo)有一定的富余空間，并考慮到建筑使用功能及結(jié)構(gòu)造價(jià)的要求，嘗試僅在52 層設(shè)置一道伸臂（方案i）。計(jì)算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)整體剛度和層間剛度驟降，基本周期增大4%，層間位移角增大14%，頂點(diǎn)最大位移增大10%，因此，僅設(shè)置一道伸臂不能滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求[5]。

5 結(jié)論

（1）3種方案均滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。結(jié)構(gòu)層間剛度在中低區(qū)（約40 層以下）均勻變化，高區(qū)層間剛度有較大突變。結(jié)構(gòu)主要受風(fēng)荷載控制，結(jié)薄弱層均表現(xiàn)在高區(qū)酒店樓板大開洞位置（44 層附近），層間位移角均在此處發(fā)生突變。

（2）伸臂體系的應(yīng)用可以明顯改善結(jié)構(gòu)的層間剛度，但是對(duì)結(jié)構(gòu)抗剪性能的提高沒有幫助，增設(shè)帶狀桁架可在一定程度上提高結(jié)構(gòu)的框剪比。

（3）設(shè)置伸臂后加設(shè)帶狀桁架可減小柱軸力突變，增加整個(gè)加強(qiáng)層的整體性。

（4）加強(qiáng)層位置的變化對(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度影響較小，自震周期變化幅度為1%～2%，在中高區(qū)（44、52 層）設(shè)伸臂加強(qiáng)層效果最佳，層間位移角最大可減小19%。