劉桂然, 張西辰, 湯衛(wèi)華

(上海建筑設(shè)計研究院有限公司，上海 200041)

1 工程概況

本工程位于上海市徐匯濱江核心商務(wù)區(qū)中部,主體建筑為阿里巴巴上海總部(圖1),功能為商業(yè)辦公綜合體。項目總用地面積約為11 907m2,總建筑面積約6.45萬m2,地上建筑面積約3.88萬m2,地下建筑面積2.57萬m2。塔樓地上11層,1～2層為辦公大堂和配套商業(yè),層高5.5m;3～11層為辦公標(biāo)準(zhǔn)層,層高4.5m;總建筑高度約56m。地下室共3層,地下1層層高6.5m,為配套商業(yè)及卸貨區(qū)域;地下2層、地下3層層高3.7m,為普通停車及設(shè)備用房[1]。

圖1 建筑效果圖

該項目安全等級為一級,設(shè)計使用年限為50年,抗震設(shè)防烈度為7度,設(shè)計基本地震加速度0.10g,Ⅳ類場地,設(shè)計地震分組為第二組,特征周期0.90s,抗震設(shè)防類別為丙類。

2 結(jié)構(gòu)體系設(shè)計

2.1 建筑特點及結(jié)構(gòu)體系

本項目建筑造型采用了獨特的形式,即使用遺傳算法[2]計算出最佳舒適度的建筑體量。建筑地上外輪廓為矩形,長87m、寬69.6m,所有柱距雙向均為8.7m。但各層平面中樓板缺失較大,造成建筑平面布置有較多不規(guī)則。如圖2所示,各層平面中,僅四個角部豎向交通核的豎向構(gòu)件連續(xù)并可落地,其他位置的豎向構(gòu)件大多數(shù)不能落地。7層以下四個豎向交通核之間沒有可靠的平面連接;7～9層四個豎向交通核之間布置了大跨連廊,且這三個樓層建筑平面布置較為完整。

圖2 結(jié)構(gòu)各層平面示意圖

由于大量框架柱存在轉(zhuǎn)換或懸空的情況(圖3),而四個角部核心筒的框架柱上下連續(xù)且完整,因此,主體結(jié)構(gòu)選擇利用四個角部的核心筒作為主要抗側(cè)力構(gòu)件。而連接四個核心筒的水平構(gòu)件,僅在7～8層間相對完整,但該高度范圍內(nèi)由于跨度較大采用了大跨桁架。根據(jù)相關(guān)研究[3-9],本工程可利用7～8層間連接核心筒的大跨鋼桁架作為強連接體,使主體結(jié)構(gòu)形成了四個核心筒+四個大跨空間鋼桁架的類巨型框架結(jié)構(gòu)體系,如圖4所示。

圖3 結(jié)構(gòu)立面示意圖

圖4 巨型框架結(jié)構(gòu)組成

由于大跨空間桁架需采用鋼結(jié)構(gòu),而核心筒平面尺寸較小,為了保證核心筒的抗震性能和連接鋼桁架的便利性,核心筒采用鋼框架支撐結(jié)構(gòu),其余結(jié)構(gòu)構(gòu)件均為巨型框架結(jié)構(gòu)的次要結(jié)構(gòu)(圖5)。樓板采用鋼筋桁架混凝土組合樓板。其中,框架柱采用矩形鋼管柱,矩形桁架的上下弦桿均采用箱形梁,其余框架梁和次梁采用熱軋H型鋼。

圖5 結(jié)構(gòu)三維模型圖

2.2 結(jié)構(gòu)體系受力特點

根據(jù)2.1節(jié)的介紹可知,該結(jié)構(gòu)體系具有以下特點:

(1)結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系由四個鋼支撐核心筒+四個大跨空間鋼桁架組成,結(jié)構(gòu)樓面缺失嚴(yán)重,整體性差。四個鋼支撐核心筒主要承擔(dān)豎向荷載和地震作用,應(yīng)對其分別進行重點分析和加強。

(2)連接核心筒之間的大跨桁架,不僅具有平面作用,還需要有較強的空間協(xié)調(diào)能力,因此對大跨桁架的空間整體性有較高要求。

(3)結(jié)構(gòu)體系不同于常規(guī)樓層的框架支撐結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)位移角等指標(biāo)不能按照常規(guī)的統(tǒng)計方法計算。

(4)大跨桁架為非常規(guī)桁架,同一桁架在不同位置高度變化較大,且采用了空腹、斜腹等組合形式,受力比較復(fù)雜。

2.3 結(jié)構(gòu)超限判斷和抗震設(shè)防性能目標(biāo)

經(jīng)分析,塔樓結(jié)構(gòu)存在以下一般不規(guī)則:Y向考慮偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比大于1.2;偏心率大于0.15;樓板有效寬度小于典型寬度的50%;局部樓層的層剛度小于相鄰上層的70%,且局部收進尺寸大于相鄰下層的25%;上下框架柱不連續(xù);局部樓層的層受剪承載力小于相鄰上層的80%。且塔樓結(jié)構(gòu)還存在以下特別不規(guī)則項:連續(xù)三層(含三層)樓板有效寬度小于典型寬度的40%;局部樓層的層側(cè)向剛度小于相鄰上層的50%;采用類巨型框架復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系。根據(jù)相關(guān)要求,需對其進行超限高層建筑抗震設(shè)防專項審查。

本工程結(jié)構(gòu)整體抗震性能目標(biāo)確定為C級,各構(gòu)件的抗震性能目標(biāo)如表1所示。

表1 構(gòu)件抗震性能目標(biāo)

3 結(jié)構(gòu)抗震計算與分析

3.1 多遇地震分析結(jié)果

針對結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo),在多遇地震作用下采用YJK和MIDAS Gen有限元軟件對結(jié)構(gòu)進行分析和對比,結(jié)果見表2。根據(jù)表2可知,兩種軟件計算結(jié)果差異小于5%,數(shù)值相近,結(jié)果可靠。結(jié)構(gòu)整體模型前三階振型分別為X向平動、Y向平動和整體扭轉(zhuǎn)。YJK和MIDAS Gen計算的第一扭轉(zhuǎn)周期與第一平動周期之比均約為0.81,小于規(guī)范限值0.85。

表2 兩種軟件計算結(jié)果對比

由于四個核心筒相對比較分散獨立,為判斷結(jié)構(gòu)整體性情況,分別考察了整體結(jié)構(gòu)和四個核心筒各個樓層的響應(yīng)。

地震作用下整體結(jié)構(gòu)X向和Y向最大層間位移角分別為1/649和1/593(圖6),四個核心筒的層間位移角比整體結(jié)構(gòu)統(tǒng)計結(jié)果略小,原因是整體結(jié)構(gòu)中的豎向構(gòu)件除了核心筒內(nèi),還包括了其他豎向框架柱。四個核心筒中,東北筒和東南筒的變形基本一致、西北筒和西南筒的變形基本一致,且均滿足《高鋼規(guī)》[10]不大于1/250的要求。

圖6 樓層層間位移角

由于本項目為類巨型框架結(jié)構(gòu)體系,相關(guān)樓層概念與普通結(jié)構(gòu)有所不同,因此提出了整體按巨型樓層概念統(tǒng)計,即地下室頂板至桁架層頂(9層樓面)為巨型樓層(層高為H,圖7),其最大層間位移角可按ΔUmax/H計算,其扭轉(zhuǎn)位移比可以按2ΔUmax/(ΔUmax+ΔUmin)計算,ΔUmax和ΔUmin分別為桁架層豎向構(gòu)件最大和最小水平位移,H為38m。

圖7 巨型樓層計算簡圖

按照巨型樓層概念計算,多遇地震工況下,結(jié)構(gòu)X、Y向最大層間位移角分別為1/986、1/877;考慮偶然偏心的最大層間位移比,X、Y向分別為為1.35、1.36?？梢?按巨型樓層概念統(tǒng)計的層間位移角遠小于普通樓層結(jié)果,原因是桁架層對結(jié)構(gòu)的整體性加強起到了關(guān)鍵作用。

地上結(jié)構(gòu)5～7層X向樓層間剛度比分別為0.52、0.54、0.41,地上結(jié)構(gòu)4～6層Y向樓層間剛度比分別為0.81、0.72、0.72,均不滿足設(shè)計要求。地上結(jié)構(gòu)6層的樓層抗剪承載力之比最小(圖8),為0.65,滿足規(guī)范0.65限值要求。設(shè)計時,將以上樓層間剛度比和樓層抗剪承載力比不滿足規(guī)范的樓層指定為薄弱層,并對其地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的剪力放大1.25倍進行加強。

圖8 核心筒樓層抗剪承載力比分布曲線

3.2 設(shè)防地震分析結(jié)果

設(shè)防地震作用下,按結(jié)構(gòu)構(gòu)件處于彈性狀態(tài),分析得到了結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件的承載力狀態(tài)和結(jié)構(gòu)變形情況。

設(shè)防地震下,整體結(jié)構(gòu)X向和Y向最大層間位移角分別為1/240和1/220,約為多遇地震作用下最大層間位移角的2.7倍,說明主體結(jié)構(gòu)基本處于彈性狀態(tài)。根據(jù)主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)力比計算結(jié)果,主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)力比基本上均小于1.0,因此,設(shè)防地震作用下主體結(jié)構(gòu)基本可以實現(xiàn)不屈服的抗震性能目標(biāo)。

3.3 罕遇地震分析結(jié)果

罕遇地震作用下采用SAUSAGE軟件進行分析,選取了上海市《建筑抗震設(shè)計規(guī)程》(DGJ 08-9—2013)[11]中的三條波SHW8、SHW12和SHW14(一條人工波,兩條天然波),峰值加速度取為200cm/s2。根據(jù)初步分析結(jié)果,所選時程波的時程曲線平均地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應(yīng)譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線相比,在對應(yīng)于結(jié)構(gòu)主要振型的周期點上相差不大于20%,所選時程波符合要求[12]。

根據(jù)結(jié)構(gòu)能量耗散計算結(jié)果,結(jié)構(gòu)在整個地震中的能量耗散以阻尼消耗為主,占90%～95%;應(yīng)變能比例為5%～10%,塑性耗能占比較小,說明結(jié)構(gòu)總體損傷程度較低。

結(jié)構(gòu)在X、Y向的最大層間位移角分別1/112、1/127,分別發(fā)生在第4層和第5層,滿足多、高層鋼結(jié)構(gòu)層間位移角≤1/50的規(guī)范要求。

類巨型框架中,框架柱性能水平均不超過輕微損壞;框架梁性能水平均不超過輕微損壞;支撐處于彈性狀態(tài);上、下弦桿和腹桿均處于彈性狀態(tài)。

在巨型框架梁的樓層處,樓板損傷較大,局部區(qū)域有重度至嚴(yán)重?fù)p壞,其余區(qū)域由輕微至輕度損壞(圖9)。在其余樓層處,大部分樓板不超過輕度損壞,局部區(qū)域有重度損壞。對于巨型框架梁所在樓層的樓板,采取設(shè)置后澆帶的措施[13],減少樓板在自重下引起的附加應(yīng)力,以及局部區(qū)域板中附加Φ12@200鋼筋[14-15]后,該層樓板損傷程度基本可以減小為輕度損壞(圖10),滿足既定的設(shè)計目標(biāo)。

圖9 加強前8層樓板性能狀態(tài)

圖10 加強后8層樓板性能狀態(tài)

4 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)構(gòu)件分析與設(shè)計

4.1 大跨處樓板豎向舒適度分析

本工程存在多處大跨結(jié)構(gòu),跨度最大約53m。為考察樓蓋結(jié)構(gòu)的豎向振動舒適度,采用MIDAS Gen軟件進行樓蓋舒適度分析。

由于前三階模態(tài)自振頻率小于3Hz,對前三階振動敏感的位置按照人群密度法[16]施加人群激勵荷載,取各振型變形較大位置作為豎向加速度觀察點。其中3、7、8層為豎向加速度最大反應(yīng)樓層,其峰值加速度分別為0.115、0.023、0.081m/s2,3層和8層超出規(guī)范[17]中對于辦公建筑的樓蓋豎向振動加速度限值(0.061m/s2或0.05m/s2)要求。

采用調(diào)頻質(zhì)量阻尼(TMD)降低樓蓋豎向振動[18],在8層樓面處設(shè)置10個TMD質(zhì)量塊(圖11)。設(shè)置TMD后加速度曲線如圖12所示。人群激勵時的峰值加速度在3、7、8層分別減小至為0.006、0.013、0.024m/s2?？梢娫O(shè)置TMD后減振效果明顯,樓蓋舒適度得到大幅提高。

圖11 8層樓面TMD質(zhì)量塊布置圖

圖12 設(shè)置TMD后樓板豎向加速度曲線圖

4.2 巨型柱與次框架部分剪力占比分析

由于巨型框架結(jié)構(gòu)體系的特點,其筒體與框架之間剪力分配與傳統(tǒng)框剪和框筒結(jié)構(gòu)區(qū)別較大。本項目根據(jù)各核心筒與周邊框架的完整性,對不同筒體及周邊落地柱承擔(dān)剪力進行分區(qū)統(tǒng)計。

各層落地的框架柱(通高落地柱,圖13)占比較少,僅北側(cè)兩跨落地框架較多,四個巨型柱(核心筒)為豎向荷載傳遞的主要構(gòu)件。南側(cè)兩巨型柱承擔(dān)樓層地震剪力占南側(cè)區(qū)域的81%～99%;北側(cè)兩巨型柱承擔(dān)樓層地震剪力的占比約為60%～86%。由于南側(cè)巨型柱承擔(dān)剪力比較高,對其地震剪力進行1.1倍放大。

圖13 巨型柱與落地柱示意圖

根據(jù)核心筒受力情況(表3)可知,巨型柱結(jié)構(gòu)承擔(dān)剪力較大,是結(jié)構(gòu)的最主要抗側(cè)力構(gòu)件,將其定義為關(guān)鍵構(gòu)件[19],以提高其抗震性能目標(biāo)。

4.3 復(fù)雜大跨桁架分析

本工程塔樓7層正中設(shè)有3層通高階梯教室。階梯教室樓面架于兩側(cè)空腹轉(zhuǎn)換桁架,轉(zhuǎn)換桁架通過懸挑桁架與南北側(cè)巨型梁相連(圖14)。

圖14 階梯教室空間關(guān)系圖

圖15 南側(cè)桁架桿件編號

為分析階梯教室荷載對南側(cè)桁架受力影響,對桁架弦桿的內(nèi)力進行了詳盡分析?？紤]桁架軸力引起的截面應(yīng)力大于彎矩下應(yīng)力,故弦桿均按箱形截面進行設(shè)計。

根據(jù)表4給出的不同工況下不同位置桁架上弦桿的軸力(正為受拉,負(fù)為受壓)可知,恒載與活載工況下引起的桁架上弦桿軸力明顯大于地震工況,恒、活載工況為桁架內(nèi)力控制工況;階梯教室荷載引起的上弦桿軸力占總恒、活載下軸力的38%～65%,懸挑桁架的傳力作用明顯。因此,將懸挑桁架按關(guān)鍵構(gòu)件進行設(shè)計,并控制恒、活載組合工況下桁架應(yīng)力比在0.85以下。

表4 南側(cè)桁架上弦桿軸力/kN

4.4 施工次序分析

本項目各桿件連接關(guān)系較為復(fù)雜,存在較多不同形式的轉(zhuǎn)換,且自重較大,因此不同施工次序?qū)?gòu)件的內(nèi)力分布有較大的影響。結(jié)合結(jié)構(gòu)有利性和施工便利性,確定了本工程的施工次序(圖16),并對一次性加載和按指定施工次序兩種方式下構(gòu)件的內(nèi)力進行了對比分析,結(jié)果見表5。

表5 不同施工工況下構(gòu)件最大應(yīng)力比

圖16 施工次序

由以上分析結(jié)果可知,相比于一次性加載工況,按照指定施工次序工況得到的構(gòu)件應(yīng)力有大幅度減小,尤其是轉(zhuǎn)換處的大跨桁架。因此,選擇本施工次序有利于結(jié)構(gòu)受力,后續(xù)可直接用于指導(dǎo)施工。

4.5 關(guān)鍵節(jié)點有限元分析

南側(cè)桁架由于同時存在水平及豎向支撐,節(jié)點桿件匯聚較多,受力復(fù)雜,選取南側(cè)桁架水平支撐與豎向支撐相交的典型節(jié)點,并采用ABAQUS軟件進行建模分析,荷載按照大震不屈服工況,考慮了材料非線性,構(gòu)件采用殼單元。桿件截面及有限元模型如圖17所示。

圖17 桁架節(jié)點有限元模型

如圖18所示,大震工況下所選不利節(jié)點區(qū)域最大von Mises應(yīng)力約230MPa,小于材料強度標(biāo)準(zhǔn)值,滿足大震不屈服要求。

圖18 桁架節(jié)點von Mises應(yīng)力分布云圖/MPa

5 結(jié)構(gòu)超限設(shè)計主要措施

(1)針對樓板開洞較多,局部樓板有效寬度較窄,對全樓樓板按彈性樓板假定進行計算;地上鋼結(jié)構(gòu)部分均采用鋼筋桁架樓板,并對開大洞及核心筒周邊樓板采用增配鋼筋措施;對大跨桁架弦桿處樓板采取局部后澆、增配鋼筋等措施,確保樓板能滿足小震下不開裂、中震下不屈服[20]的性能目標(biāo)。

(2)將四個核心筒及連接核心筒的桁架構(gòu)件組成的巨型框架定義為關(guān)鍵構(gòu)件,抗震等級提高,保證連接構(gòu)件有較強的承載力及連接剛度。并在連接桁架中設(shè)置平面支撐,保證較強的平面剛度,實現(xiàn)水平構(gòu)件的協(xié)調(diào)作用和結(jié)構(gòu)整體性。

(3)控制恒活載工況下巨型梁及懸挑桁架的應(yīng)力水平,保證關(guān)鍵構(gòu)件的延性。

(4)根據(jù)彈性時程分析結(jié)果和振型分解反應(yīng)譜分析結(jié)果,兩者取包絡(luò)進行承載力設(shè)計。

(5)對關(guān)鍵節(jié)點進行有限元分析,確保在節(jié)點承載力滿足抗震性能要求。

6 結(jié)論

(1)本工程根據(jù)平面大量缺失、豎向構(gòu)件間斷較多等超限情況,選擇了巨型框架結(jié)構(gòu)體系,結(jié)構(gòu)概念清晰,對核心受力構(gòu)件做出了區(qū)分;并通過合理設(shè)計及計算分析,實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的抗震性能目標(biāo)。

(2)根據(jù)巨型框架受力情況,按巨型樓層概念統(tǒng)計結(jié)構(gòu)層間位移角,并對承擔(dān)巨型柱角色的四個核心筒作為關(guān)鍵構(gòu)件進行地震設(shè)計作用放大。

(3)巨型梁所在的樓面,由于受力集中會導(dǎo)致該層樓板應(yīng)力較大,通過設(shè)計加強及合理的施工措施,確保了樓板的受力性能。

(4)大跨樓蓋處,通過設(shè)置TMD有效控制了其豎向振動,樓面振動舒適度得到大幅提高。

(5)本工程不同施工次序?qū)?gòu)件的內(nèi)力分布有較大影響,結(jié)合結(jié)構(gòu)有利性和施工便利性,確定了最優(yōu)的施工次序。