李 雄, 彭肇才, 張 聰

(廣東現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)與顧問(wèn)有限公司，深圳 518010)

1 工程概況

龍光總部中心位于廣東省深圳市南山區(qū)華僑城片區(qū),南側(cè)緊鄰深南大道,東側(cè)為恩平街緊鄰錦繡花園,西側(cè)為汕頭街和華僑城東部組團(tuán)生活區(qū),北側(cè)為康佳苑宿舍區(qū)和大通實(shí)業(yè)工業(yè)區(qū)。本項(xiàng)目地下兩層,地上由一單元、二單元及其鋼桁架連體組成。一單元地上57層,結(jié)構(gòu)總高度261.55m;二單元地上64層,結(jié)構(gòu)總高度255.90m;均采用鋼管混凝土疊合柱框架-核心筒結(jié)構(gòu)。一、二單元地上總建筑面積為21.93萬(wàn)m2,一單元功能為辦公;二單元22層及以下功能為辦公,23層及以上功能為公寓,建筑效果見(jiàn)圖1。

圖1 建筑效果圖

2 結(jié)構(gòu)體系

一、二單元在地下室至地上9層樓面連成整體,形成多塔結(jié)構(gòu),在15～17層用鋼桁架相連,形成連體結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖2。

圖2 結(jié)構(gòu)模型示意圖

一單元結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度為58m,低區(qū)寬度為34.15m,結(jié)構(gòu)在18層位置體型收進(jìn),即高區(qū)寬度縮為24m,低區(qū)和高區(qū)平面布置見(jiàn)圖3、4。二單元結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度為66.2m,低區(qū)寬度為33.7m,結(jié)構(gòu)在18層位置體型收進(jìn),即高區(qū)寬度縮為26.1m,低區(qū)和高區(qū)平面布置見(jiàn)圖5、6。

圖3 一單元低區(qū)結(jié)構(gòu)平面圖

圖4 一單元高區(qū)結(jié)構(gòu)平面圖

圖5 二單元低區(qū)結(jié)構(gòu)平面圖

圖6 二單元高區(qū)結(jié)構(gòu)平面圖

3 連體結(jié)構(gòu)分析

3.1 設(shè)計(jì)原則

本工程在15～17層用鋼桁架相連,形成連體結(jié)構(gòu)。保證連體與塔樓可靠連接、共同受力是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)。

當(dāng)連體結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載或地震作用下,結(jié)構(gòu)除產(chǎn)生平動(dòng)變形外,還將產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形,扭轉(zhuǎn)效應(yīng)隨兩塔樓的不對(duì)稱性的增加而加劇。對(duì)于雙塔連體結(jié)構(gòu),由于連體樓板變形,兩塔樓可能產(chǎn)生差異平動(dòng),該振動(dòng)形態(tài)是與整體結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)振型耦合在一起的。由于地震作用在不同塔樓間振動(dòng)差異的存在,對(duì)連體部分結(jié)構(gòu)受力不利。為減小連體部分因協(xié)調(diào)兩座塔樓的變形而承受的內(nèi)力,設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)布置,盡量使結(jié)構(gòu)各塔樓部分有相近的動(dòng)力特性。

連體部分的樓面結(jié)構(gòu)作為協(xié)調(diào)兩座塔樓的重要部分,在樓板平面內(nèi)應(yīng)具備足夠的剛度與承載力。因此在底部桁架的上、下弦桿層分別設(shè)置水平支撐,連體部位的其他樓層根據(jù)樓板應(yīng)力分析的結(jié)果對(duì)樓面進(jìn)行適當(dāng)加強(qiáng)。連體部分的水平力通過(guò)樓板傳遞到其他區(qū)域的豎向構(gòu)件,為保證水平力的可靠傳遞對(duì)該區(qū)域的樓板加厚、配筋加強(qiáng)。將鋼結(jié)構(gòu)連體及相鄰上下層豎向構(gòu)件按照關(guān)鍵構(gòu)件設(shè)計(jì)[1]。

連體部位采用鋼結(jié)構(gòu),材質(zhì)采用Q355B[2]。連體部分支座及桁架按中震彈性設(shè)計(jì),其相關(guān)部位按中震不屈服設(shè)計(jì);連體及相關(guān)部位抗震等級(jí)為特一級(jí)。內(nèi)力計(jì)算及構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)連體部分的樓板均按彈性樓板計(jì)算;進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì)時(shí),全樓樓板均按膜單元計(jì)算,對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)連體部分,阻尼比取0.02進(jìn)行計(jì)算[3]。

3.2 連體部分結(jié)構(gòu)布置

連體鋼桁架三維模型見(jiàn)圖7,平面布置見(jiàn)圖8,剖面見(jiàn)圖9。連體與二單元右側(cè)連接1-1剖面中的桁架斜腹桿延伸框架柱內(nèi)側(cè)一跨,使其與框架柱有可靠連接,并加厚此相關(guān)區(qū)域樓板厚度至200mm[4]。

圖7 連體鋼桁架三維模型

圖8 連體平面布置圖

圖9 連體剖面圖

3.3 連體部分樓板應(yīng)力分析

連體部分樓板在中震下允許開(kāi)裂,鋼筋應(yīng)力應(yīng)滿足彈性設(shè)計(jì)的要求。經(jīng)計(jì)算,15層連體部分樓板應(yīng)力最大的為Y向正應(yīng)力(圖10),最大值為3.9MPa,樓板鋼筋應(yīng)力均滿足小于規(guī)范限值400MPa要求。

圖10 15層樓板Y向正應(yīng)力云圖/MPa

3.4 連體部分樓板溫度應(yīng)力分析

本工程連體位置平面尺寸(55m×29m)超過(guò)了規(guī)范要求的伸縮縫最大間距35m[5],采用YJK對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度應(yīng)力分析,考慮整體環(huán)境溫差的影響,僅考慮降溫過(guò)程。

從深圳氣溫統(tǒng)計(jì)資料(表1)可以得出,最低氣溫按1.2℃考慮,最高氣溫按40.2℃考慮,得出的溫度應(yīng)力見(jiàn)圖11。由圖11可知,連體層溫度作用下的樓板應(yīng)力大部分區(qū)域小于2MPa,對(duì)于小部分超過(guò)2MPa的區(qū)域采取配筋加強(qiáng)處理。

表1 深圳地區(qū)的氣象資料

圖11 連體層樓板溫度應(yīng)力云圖/MPa

3.5 舒適度驗(yàn)算

樓蓋應(yīng)具有適宜的舒適度,樓蓋振動(dòng)過(guò)大將影響人們的生活工作。人對(duì)樓蓋振動(dòng)的感覺(jué)取決于樓蓋振動(dòng)的大小和持續(xù)時(shí)間、人所處環(huán)境及從事活動(dòng)、人的生理反應(yīng)。不同環(huán)境、不同振動(dòng)頻率下,人可接受的樓蓋振動(dòng)峰值加速度見(jiàn)圖12[6]。

圖12 舒適度可接受的樓蓋振動(dòng)峰值加速度

樓蓋舒適度計(jì)算方法及評(píng)價(jià)指標(biāo)如下:1)通過(guò)計(jì)算樓蓋的豎向振動(dòng)頻率,判定其是否滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)[7](簡(jiǎn)稱《高規(guī)》)的要求,即樓蓋結(jié)構(gòu)的豎向振動(dòng)頻率fn不小于3Hz;2)若樓蓋豎向振動(dòng)頻率小于3Hz,則驗(yàn)算樓蓋峰值加速度是否滿足舒適度要求的加速度限值0.15m/s2。采用YJK對(duì)樓蓋進(jìn)行了豎向振動(dòng)頻率計(jì)算,前三階固有頻率見(jiàn)表2。由計(jì)算結(jié)果可知,連體部分的豎向振動(dòng)頻率fn均不小于3Hz,滿足規(guī)范要求,不用驗(yàn)算樓蓋峰值加速度是否滿足舒適度要求的加速度限值。

表2 前三階固有頻率

3.6 桁架節(jié)點(diǎn)分析

沿X向取連體結(jié)構(gòu)與二單元結(jié)構(gòu)相交處的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析,同時(shí)也是懸挑桁架沿Y向的根部節(jié)點(diǎn),為豎向受壓,對(duì)水平X、Y向雙向受力的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元分析[8]。

圖13為ABAQUS軟件建模的連接體交接節(jié)點(diǎn)有限元模型,框架柱尺寸1 500×1 300,內(nèi)嵌圓鋼管柱規(guī)格:φ1 000×80。連體桁架桿件上弦截面為□1 500×800×80×80,上弦桿件向內(nèi)跨延伸一跨度,斜腹桿截面為□800×800×80×80。懸挑桁架的上弦截面為□1 500×800×80×80。對(duì)齊連體桁架斜腹桿的腹板設(shè)置兩片厚度為80mm的豎向節(jié)點(diǎn)板。

圖13 有限元模型

節(jié)點(diǎn)分析的控制荷載組合為1.2(恒載+0.5活載)+0.18X向順風(fēng)向荷載+0.31X向橫風(fēng)向荷載+1.3X向大震作用,在整體計(jì)算模型中提取本節(jié)點(diǎn)周邊各桿件的軸力?？蚣苤敳夸摴芎突炷羷傂允`,在中心點(diǎn)施加上端的壓力和剪力。連體桁架的上弦桿、斜腹桿、懸臂桁架上弦桿在端部施加集中荷載,僅在柱底施加支座約束。

圖14為節(jié)點(diǎn)von Mises應(yīng)力云圖,可以看出斜腹桿和豎向交點(diǎn)下方的鋼管柱應(yīng)力相對(duì)較大,但最大應(yīng)力(約44 MPa)仍未超過(guò)鋼材Q355B的屈服強(qiáng)度355MPa。

圖14 節(jié)點(diǎn)von Mises應(yīng)力云圖/MPa

4 加強(qiáng)層分析

一單元分別在17～18層、31層、44層設(shè)置加強(qiáng)層,二單元在33層設(shè)置加強(qiáng)層。結(jié)構(gòu)平面、剖面見(jiàn)圖15～17。一單元核心筒和外框柱都設(shè)置了桁架;二單元僅核心筒設(shè)置了四榀桁架,兩側(cè)框架沒(méi)有設(shè)置。

圖15 一單元17～18層加強(qiáng)層桁架剖面圖

圖17 二單元33層加強(qiáng)層桁架剖面圖

構(gòu)件承載力采用中震彈性計(jì)算,經(jīng)過(guò)計(jì)算分析,在中震作用下,構(gòu)件應(yīng)力比在0.3～0.65范圍內(nèi),滿足中震彈性的性能要求。

5 框架-核心筒結(jié)構(gòu)外框梁缺失分析

由于建筑功能對(duì)空間、美觀的要求,二單元高區(qū)(18層以上)不能在四周框架角柱間布置框架梁,不能滿足《高規(guī)》第9.2.3條框架-核心筒結(jié)構(gòu)的周邊柱間必須設(shè)置框架梁的要求,對(duì)此問(wèn)題做進(jìn)一步的分析。采用YJK建立全樓的彈性模型,樓板全部采用彈性膜,不使用剛性隔板。取現(xiàn)有結(jié)構(gòu)模型為A,另建對(duì)比模型B,模型B采用外圍框架梁封閉布置(增設(shè)400mm×800mm框架梁)。各模型平面布置見(jiàn)圖18、19。

圖18 模型A結(jié)構(gòu)布置圖

5.1 整體指標(biāo)對(duì)比

A、B模型周期對(duì)比見(jiàn)表3。由表3可知,兩個(gè)模型各振型對(duì)應(yīng)的周期基本吻合。

表3 周期對(duì)比/s

5.2 構(gòu)件內(nèi)力對(duì)比

取模型A、B中KZ1(圖19)在地震作用下的軸力、剪力及彎矩進(jìn)行對(duì)比。計(jì)算結(jié)果表明,對(duì)于KZ1,模型A、B之間的軸力、剪力和彎矩在X向地震作用下相差不超過(guò)15%,在Y向地震作用下相差不超過(guò)5%;在地震作用下,模型A、B外框柱傾覆力矩和剪力所占的百分比相差不超過(guò)3%,數(shù)據(jù)基本吻合,說(shuō)明外框梁局部缺失對(duì)整體結(jié)構(gòu)影響較小,結(jié)構(gòu)仍是框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系?？刹扇∪缦麓胧?1)加強(qiáng)外框梁缺失處框柱的抗剪及抗彎配筋;2)外框梁缺失處周邊樓板加厚至180mm,配筋雙層雙向拉通布置[9-10]。

圖19 模型B結(jié)構(gòu)布置圖

對(duì)外框梁缺失位置進(jìn)行樓板應(yīng)力分析,YJK計(jì)算結(jié)果表明:在地震作用下,外框梁局部缺失部位,樓板拉應(yīng)力最大為1.27MPa,小于C35混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.57MPa,壓應(yīng)力小于C35混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值16.7MPa,滿足小震作用下樓板拉、壓彈性的性能要求,只需配置構(gòu)造鋼筋即可滿足規(guī)范要求。樓板面內(nèi)剪應(yīng)力水平均處于-2.3～2.3MPa之間,小于C35混凝土抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值2.36MPa,滿足小震抗剪彈性的性能要求。典型樓板正應(yīng)力分布結(jié)果見(jiàn)圖20。

圖20 X向地震作用下典型樓板正應(yīng)力分布圖/MPa

5.3 小結(jié)

框架-核心筒結(jié)構(gòu)外框梁缺失帶來(lái)的問(wèn)題的本質(zhì)是:1)梁缺失致該榀框架側(cè)向剛度減小;2)核心筒與外框架剪力重分配;3)框架柱內(nèi)力出現(xiàn)重分布。但在技術(shù)上不難解決,當(dāng)設(shè)計(jì)有充分論證且采取適當(dāng)加強(qiáng)措施時(shí),框架-核心筒結(jié)構(gòu)外框梁缺失是可行的。

6 結(jié)論

(1)連體部分是結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位,其受力較為復(fù)雜。連體部分一方面要協(xié)調(diào)兩座塔樓的變形,在水平荷載作用下承受較大的內(nèi)力;另一方面當(dāng)其本身跨度較大時(shí),除豎向荷載作用外,需承擔(dān)較大的豎向地震作用。

(2)加強(qiáng)層桁架中震構(gòu)件承載力校核結(jié)果表明,加強(qiáng)層具有較高的冗余度,可保證結(jié)構(gòu)的受力要求。

(3)轉(zhuǎn)換鋼桁架復(fù)雜節(jié)點(diǎn)有限元分析結(jié)果表明,節(jié)點(diǎn)區(qū)基本都處于彈性工作階段,節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)符合“中震彈性”的設(shè)防目標(biāo),實(shí)現(xiàn)了“強(qiáng)節(jié)點(diǎn),弱構(gòu)件”的抗震設(shè)防目標(biāo)。

(4)根據(jù)塔樓外框梁缺失計(jì)算分析結(jié)果,對(duì)塔樓外框梁缺失部分構(gòu)件進(jìn)行抗震加強(qiáng)處理。