許鴻珊

(香港華藝設(shè)計(jì)顧問(深圳)有限公司,廣東 深圳 518052)

0 引言

隨著社會(huì)環(huán)境的不斷變化和技術(shù)水平的不斷提高,超高層建筑的普及越來越廣。本文結(jié)合實(shí)際建筑工程,針對一般常規(guī)的超高層辦公樓建筑,從結(jié)構(gòu)體系的選擇、設(shè)計(jì)方法以及結(jié)構(gòu)不規(guī)則項(xiàng)等方面,進(jìn)行針對性的計(jì)算分析,并采取相應(yīng)的加強(qiáng)措施,對面大量廣的高層建筑有一定的參考價(jià)值。

1 工程概況

光峰科技總部大廈項(xiàng)目位于深圳市南山區(qū)留仙大道與石鼓路交匯處西南角,項(xiàng)目總用地面積5 942.88 m2,總建筑面積78 482 m2,規(guī)劃用地為研發(fā)用房。項(xiàng)目由一棟超高層塔樓組成,塔樓主屋面結(jié)構(gòu)高度155.05 m,設(shè)有3層地下室,局部4層;地面以上34層,帶5層商業(yè)裙房。建筑效果圖及剖面圖如圖1所示。

本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50 a,結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí),抗震設(shè)防類別為丙類,抗震設(shè)防烈度為7度[1],建筑場地類別為Ⅱ類,設(shè)計(jì)地震分組為第一組,場地特征周期Tg=0.35 s。根據(jù)GB 5009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[2]基本風(fēng)壓為0.75 kN/m2(50年一遇),承載力設(shè)計(jì)時(shí)按基本風(fēng)壓的1.1倍采用,地面粗糙類別為C類,體系系數(shù)為1.4。

2 結(jié)構(gòu)構(gòu)成

2.1 建筑立面斜撐實(shí)現(xiàn)方案

由于建筑立面需要,塔樓在24層—30層南側(cè)設(shè)有斜撐,見圖1?？紤]斜撐僅在塔樓南面設(shè)置,為避免斜撐參與整體結(jié)構(gòu)受力引起結(jié)構(gòu)剛度突變,改變結(jié)構(gòu)受力特性,將斜撐作為幕墻構(gòu)件,與主體結(jié)構(gòu)采用上端固定、下端自由的連接方式。斜撐不對結(jié)構(gòu)提供側(cè)向剛度,不承擔(dān)重力荷載,計(jì)算分析時(shí),斜撐不參與整體模型計(jì)算。

2.2 結(jié)構(gòu)構(gòu)成

塔樓采用鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系,西側(cè)底部裙房設(shè)有斜柱。結(jié)合建筑立面效果,塔樓框架柱布置沿高度均勻變化,西側(cè)有兩次局部豎向構(gòu)件收進(jìn),分別為裙房底部斜柱在裙房屋面收進(jìn),6層以上西側(cè)最外排框架柱在24層避難層立面收進(jìn),見圖1。塔樓外框柱截面由1 400 mm×1 300 mm變化至800 mm×800 mm,混凝土強(qiáng)度等級(jí)由C70變化至C30;核心筒外墻厚700 mm～400 mm,內(nèi)墻厚350 mm～300 mm,混凝土等級(jí)C60—C30。為避免剛度突變,墻體收進(jìn)和混凝土變化錯(cuò)開兩層以上。樓屋蓋結(jié)構(gòu)采用梁板體系,梁高700 mm～800 mm,板厚度110 mm～150 mm不等。結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層如圖2,圖3所示。

3 結(jié)構(gòu)超限情況及抗震性能目標(biāo)

根據(jù)超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查計(jì)算要點(diǎn),本項(xiàng)目主要的超限情況如下:1)高度超限:塔樓地面以上總高度為155.05 m,屬于JGJ 3—2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[3](簡稱高規(guī))中超A級(jí)高度高層建筑。2)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則,扭轉(zhuǎn)位移比大于1.2。3)樓板不連續(xù),2層樓板有效寬度小于50%。4)局部不規(guī)則,1層、2層存在穿層柱,1層—5層裙房布置斜柱。

結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)為C級(jí)。根據(jù)構(gòu)件重要性區(qū)分為關(guān)鍵構(gòu)件(底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻、中震下小偏拉剪力墻、框架柱、斜外框架柱、立面收進(jìn)部位上下層豎向構(gòu)件)、普通豎向構(gòu)件和耗能構(gòu)件,不同構(gòu)件采用不同的性能目標(biāo),其中關(guān)鍵構(gòu)件:設(shè)防烈度地震作用下抗剪彈性、抗彎不屈服,罕遇地震作用下抗剪不屈服,個(gè)別彎曲屈服;普通豎向構(gòu)件:設(shè)防地震作用下抗彎不屈服,抗剪彈性,罕遇地震作用下部分彎曲屈服,滿足截面抗剪;耗能構(gòu)件:設(shè)防地震作用下允許屈服,罕遇地震作用下允許部分破壞。

4 結(jié)構(gòu)整體性能

4.1 靜力分析結(jié)果

采用YJK和ETABS兩種獨(dú)立軟件對塔樓進(jìn)行了小震彈性整體計(jì)算分析,計(jì)算以地下室頂板為上部結(jié)構(gòu)嵌固端,主要計(jì)算結(jié)果如下:1)結(jié)構(gòu)平動(dòng)、扭轉(zhuǎn)振型清晰,第1,2階振型均為平動(dòng)振型,T3/T1=0.8<0.85,滿足規(guī)范要求。2)樓層最大層間位移角均小于1/650,其中,考慮偶然偏心影響,扭轉(zhuǎn)位移比最大值為1.29(第8層),略大于規(guī)則結(jié)構(gòu)限值1.2,但相應(yīng)樓層的層間位移角(1/1 307)小于規(guī)范限值1/650,滿足規(guī)范要求。3)樓層側(cè)向剛度比與抗剪承載力比表明,結(jié)構(gòu)豎向不存在軟弱層和薄弱層。

4.2 小震彈性時(shí)程分析

選取適宜本場地的5條天然地震波和2條人工地震波進(jìn)行彈性時(shí)程分析補(bǔ)充計(jì)算,雙向地震輸入,主次方向地震波峰值比為1∶0.85。塔樓計(jì)算結(jié)果見圖4,圖5。

在各地震波作用下,結(jié)構(gòu)的樓層剪力和層間位移角曲線光滑無突變,表明結(jié)構(gòu)豎向不存在明顯軟弱層。除頂部32層—41層(計(jì)算樓層)外,7條地震波計(jì)算得到的樓層剪力與位移角平均值均小于規(guī)范反應(yīng)譜計(jì)算值。構(gòu)件承載力復(fù)核設(shè)計(jì)采用反應(yīng)譜、時(shí)程分析平均值的包絡(luò)設(shè)計(jì),以確保結(jié)構(gòu)安全。

4.3 中震作用下墻體軸拉力驗(yàn)算

中震作用采用規(guī)范反應(yīng)譜的參數(shù),連梁剛度折減系數(shù)取0.4,周期折減系數(shù)取1.0,阻尼比0.06,不考慮與抗震等級(jí)有關(guān)的調(diào)整系數(shù)。

剪力墻軸拉力驗(yàn)算按中震不屈服(1.0D(恒)+0.5L(活)+1.0E)組合復(fù)核,墻肢驗(yàn)算時(shí)僅取單向墻肢軸應(yīng)力,不考慮腹板墻的平均效應(yīng)[4]?？刂浦姓鸾M合作用剪力墻軸拉應(yīng)力不大于1.0ftk(混凝土受拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值)。計(jì)算結(jié)果可知,中震作用下,地上1層、2層局部少量墻肢受拉(見圖6),最大拉應(yīng)力為2.44 MPa,小于1.0ftk(2.85 MPa,C60),滿足設(shè)計(jì)要求(見表1)。對于出現(xiàn)小偏心受拉墻肢,施工圖設(shè)計(jì)采取特一級(jí)構(gòu)造措施,塔樓剪力墻不設(shè)置型鋼。

表1 中震作用下偏心受拉墻體拉應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果

4.4 動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析

采用SAUSAGE軟件對塔樓進(jìn)行了罕遇地震作用下的動(dòng)力彈塑性分析。分析結(jié)果表明,X向最大層間位移角為1/209;Y向最大層間位移角為1/135,小于規(guī)范限值1/125,能滿足預(yù)期性能目標(biāo)。

框架柱、核心筒剪力墻混凝土均為輕微—輕度損傷;框架梁為輕度—中度損壞?？蚣苤凹袅︿摻钐幱趶椥噪A段,剪力墻未出現(xiàn)剪切損壞。結(jié)構(gòu)大部分連梁出現(xiàn)不同程度的塑性,部分跨高比較大的連梁進(jìn)入彎曲屈服階段(見圖7,圖8)。連梁形成了耗能鉸機(jī)制,符合屈服耗能的抗震工程學(xué)概念,有效發(fā)揮了第一道防線的作用。

綜上可知,該結(jié)構(gòu)能滿足“大震不倒”的設(shè)防目標(biāo)及大震下抗震性能目標(biāo)。

4.5 斜柱上下端樓蓋受力補(bǔ)充分析

本工程在裙房范圍(1層—5層)設(shè)有斜柱(斜柱角度15°),在重力荷載作用下,與斜柱相連跨樓蓋受拉(見圖9),為準(zhǔn)確得到樓板和梁的軸力,計(jì)算時(shí),與斜柱相連的樓蓋采用彈性樓板計(jì)算,真實(shí)考慮其平面內(nèi)剛度[5]。

對與斜柱相連跨樓板進(jìn)行有限元計(jì)算,在重力荷載作用下斜柱上層樓板最大軸向拉應(yīng)力為1.04 MPa,樓板板厚150 mm,采用雙層雙向配筋,即單側(cè)每延米樓板需配置的附加鋼筋為216.5 mm2(單側(cè)附加鋼筋8@200)。

對與斜柱相連跨框架梁補(bǔ)充不考慮樓板作用的計(jì)算模型,框架梁按照拉(壓)彎構(gòu)件設(shè)計(jì),配筋按考慮與不考慮樓板作用包絡(luò)設(shè)計(jì)。

4.6 樓板應(yīng)力補(bǔ)充分析

本工程二樓樓板有大開洞,西側(cè)最外側(cè)框架柱分別在6層、24層樓面收進(jìn),在水平荷載作用下,樓板面內(nèi)可能會(huì)產(chǎn)生較大的軸力和剪力,為考察樓板的受力狀態(tài),需要復(fù)核各工況下樓板應(yīng)力狀態(tài)確保其滿足擬定性能目標(biāo)。樓板的性能目標(biāo)定為小震彈性,中震抗拉不屈服,抗剪彈性,設(shè)計(jì)中采取下列工況進(jìn)行驗(yàn)算(見表2)。

表2 荷載效應(yīng)組合表

采用ETABS軟件,定義樓板為殼單元,對樓板進(jìn)行樓板應(yīng)力分析。分析結(jié)果表明,水平荷載作用下,樓板的軸向拉應(yīng)力、面內(nèi)剪應(yīng)力均小于混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)(ft=1.43 MPa),樓板不發(fā)生開裂,樓板能滿足預(yù)期的性能目標(biāo)。施工圖設(shè)計(jì)時(shí),樓板單側(cè)配筋按豎向荷載產(chǎn)生的面外彎矩與水平荷載產(chǎn)生的軸向拉力共同作用下鋼筋面積之和配置。

4.7 躍層柱屈曲分析

塔樓在1層、2層南側(cè)大堂上空,4層、5層北側(cè)裙房會(huì)議室上空開洞,見圖10,圖11,使外側(cè)框架柱形成只有單邊約束的兩層通高躍層柱,為保證躍層柱的穩(wěn)定,需對躍層柱的計(jì)算長度系數(shù)進(jìn)行復(fù)核。

對整體結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行線性屈曲穩(wěn)定分析,依據(jù)線性屈曲分析結(jié)果得到結(jié)構(gòu)各階屈曲模態(tài)以及屈曲臨界荷載系數(shù);檢查各階屈曲模態(tài)形狀,確定該構(gòu)件發(fā)生屈曲時(shí)的臨界荷載系數(shù),得到該構(gòu)件的屈曲臨界荷載;由歐拉臨界荷載公式反算該構(gòu)件的計(jì)算長度系數(shù)μ[6],即:

其中,EI為該構(gòu)件發(fā)生屈曲方向的彈性抗彎剛度;Ncr為該構(gòu)件的屈曲臨界荷載,由線性屈曲分析得到;l為構(gòu)件的幾何長度。

應(yīng)用ETABS軟件,取1.2恒載+1.4活載設(shè)計(jì)值工況進(jìn)行線性屈曲分析,躍層柱屈曲模態(tài)見圖12,圖13。躍層柱計(jì)算長度系數(shù)見表3。

表3 躍層柱計(jì)算長度系數(shù)

計(jì)算結(jié)果表明,躍層框架柱的計(jì)算長度系數(shù)均小于1.0,實(shí)際設(shè)計(jì)躍層框架柱計(jì)算長度系數(shù)偏安全取1.25。

5 結(jié)論

本工程采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系,存在結(jié)構(gòu)高度超限、扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、樓板不連續(xù)及局部穿層柱、斜柱等不規(guī)則項(xiàng),屬超限高層建筑結(jié)構(gòu)。綜合考慮各項(xiàng)因素,擬定本工程的性能目標(biāo)為C級(jí)。通過采用不同的軟件進(jìn)行小震、中震及大震下的計(jì)算分析,針對結(jié)構(gòu)不規(guī)則項(xiàng)采取針對性的加強(qiáng)措施:

1)對斜柱頂?shù)讓舆M(jìn)行樓板應(yīng)力補(bǔ)充分析,針對斜柱頂層樓板受拉情況,配置附加受拉鋼筋;針對與斜柱相連框架梁,按不考慮樓板作用包絡(luò)設(shè)計(jì)。

2)大開洞樓層及局部框架柱收進(jìn)層樓板板厚加強(qiáng),配筋采用雙層雙向配筋,同時(shí),對該部位樓板補(bǔ)充樓板應(yīng)力分析,并根據(jù)計(jì)算結(jié)果適當(dāng)加強(qiáng)配筋。

3)針對躍層柱進(jìn)行整體模型屈曲穩(wěn)定分析,反算構(gòu)件計(jì)算長度系數(shù),按規(guī)范值與計(jì)算值取包絡(luò)設(shè)計(jì),確保穿層柱在豎向荷載作用下,有良好的穩(wěn)定性。

計(jì)算結(jié)果顯示結(jié)構(gòu)具有良好的抗側(cè)剛度,較好的滿足抗震設(shè)計(jì)預(yù)期的性能目標(biāo)。