深圳某混凝土斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

張大權(quán)

摘 要：本文基于筆者多年從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的相關(guān)工作經(jīng)驗，以某高層寫字樓結(jié)構(gòu)設(shè)計為研究對象，論文首先對多種斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)形式進行了對比分析，進行了斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)計算及抗震性能分析，為該類結(jié)構(gòu)形式的運用提供了一定的參考。

關(guān)鍵詞：高層寫字樓 斜交框筒結(jié)構(gòu) 性能設(shè)計 結(jié)構(gòu)設(shè)計

中圖分類號：TU973 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）08（a）-0039-02

1 工程概況

總體效果圖見圖1，分南北兩個塔樓，之間設(shè)大跨報告廳連接，北塔為寫字樓，總高度為119.75 m，地上為27層；南塔為商業(yè)，地上為6層，建筑高度為32.600 m。由于場地條件限制，平面為一個北窄南寬的梯形平面。北塔層高：地下四層為4.2 m，地下三～一層為4.3 m，一、二層通高為9.25 m，三層以上均為4.25 m；南塔層高：地下同北塔，地上一層為6.0 m，其余各層為5.2 m。

由于工程地下室的使用功能需要大空間，同時也考慮防水構(gòu)造容易處理的因素，地下室均不設(shè)永久縫，使地下室結(jié)構(gòu)成為上部結(jié)構(gòu)較理想的嵌固端。防空地下室為甲類，結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級二級，地基基礎(chǔ)設(shè)計等級甲級?？拐鹪O(shè)防烈度7度，設(shè)計基本地震加速度值 0.10 g，設(shè)計地震分組第一組，建筑場地類別為Ⅲ類，特征周期0.45 s。（圖1）

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計與選型

2.1 結(jié)構(gòu)單元的規(guī)則性

寫字樓與商業(yè)樓之間在±0.00以上完全脫開，建筑上采用連廊連接。連廊與兩樓之間在±0.00以上也設(shè)防震縫，各自形成獨立的結(jié)構(gòu)單元，避免了連體結(jié)構(gòu)。設(shè)置防震縫后寫字樓平面、豎向均較規(guī)則。

結(jié)構(gòu)方案曾考慮利用避難層作為加強層，用以減小建筑物的側(cè)移，但會使上、下層剛度突變，鑒于建筑高度僅120 m左右，在滿足層間位移角限值的前提下，未采用加強層的結(jié)構(gòu)形式。同時為了節(jié)省材料和減輕自重，根據(jù)剛度和承載力的要求，豎向構(gòu)件由下至上斷面多次逐漸變小，且柱子與墻體的變斷面位置按不同樓層錯開?；炷翉姸鹊燃壱灿上轮辽戏謳状沃饾u降低，變化時也與豎向構(gòu)件變斷面位置錯開樓層，使豎向結(jié)構(gòu)剛度漸變。

2.2 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

根據(jù)建筑造型要求，主體結(jié)構(gòu)初步進行了以下三種方案的比選：（1）斜交矩形鋼管混凝土外框柱+混凝土核心筒（方案一）。（2）斜交鋼筋混凝土外框柱+混凝土核心筒（方案二）。（3）豎直落地的鋼筋混凝土外框柱（外包斜框架幕墻）+混凝土核心筒（方案三）。

對以上三種結(jié)構(gòu)形式從頂點位移、層間最大位移、經(jīng)濟性、施工質(zhì)量等方面進行了分析對比：（1）方案一受力性能好，施工速度快，能滿足建筑師對立面的要求，但就目前120 m高度建筑而言，用鋼量大，經(jīng)濟性較差，成本高，只能作為替補方案。（2）方案二混凝土柱為壓彎構(gòu)件，構(gòu)件的延性較差，斜柱交叉節(jié)點的抗震性能差，鋼筋密，施工速度慢，但造價低，經(jīng)濟性優(yōu)，且能滿足建筑方案的立面和視覺效果。（3）方案三為成熟的設(shè)計、施工工藝，經(jīng)濟性及施工質(zhì)量均有保證，但對建筑方案的破壞性較大。結(jié)構(gòu)整體模型見圖2。

通過以上分析，綜合考慮建筑效果、經(jīng)濟和安全等因素，最終確定采用方案二，但在方案二斜柱交叉節(jié)點處增加型鋼，加強其延性，提高其抗震性能。即采用斜交鋼筋混凝土外框柱（節(jié)點設(shè)置型鋼）+混凝土核心筒結(jié)構(gòu)，梁和樓板采用普通鋼筋混凝土?？拐鸬燃墸盒敝翱蚣芏墸诵耐捕?。平面布置見圖3。

3 結(jié)構(gòu)超限分析及解決措施

3.1 超限類型

本工程結(jié)構(gòu)總高度為119.0 m，未超過A級最大適用高度（150 m），平面寬度為26m，高寬比為4.6<7，滿足要求。辦公樓平面部分層為通高的花園，屬樓板不連續(xù)，平面不規(guī)則；局部斜柱不落地，豎向不規(guī)則，且外框柱為非常規(guī)的斜交網(wǎng)格柱，故對本工程進行超限抗震分析。

3.2 超限的解決措施

分別采用兩種不同力學模型的三維空間分析軟件，按考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)振動影響時振型分解反應(yīng)譜法進行整體內(nèi)力及位移計算。并對整體結(jié)構(gòu)進行多遇地震下彈性動力時程分析的補充計算。對整體結(jié)構(gòu)分別進行罕遇地震時的彈塑性動力和靜力分析，以考察結(jié)構(gòu)的抗震性能和結(jié)構(gòu)薄弱層的彈塑性變形，對分析中發(fā)現(xiàn)的較弱部位采取加強措施。對整體結(jié)構(gòu)進行中震彈性驗算并對少數(shù)構(gòu)件的配筋進行加強。以上措施從計算的角度保證結(jié)構(gòu)有足夠的整體剛度和抗震性能，以達到“小震不壞，中震可修，大震不倒”的要求。

3.2.1 多遇地震的計算分析

分別采用兩種不同力學模型的三維空間分析軟件SATWE和midas building計算。在分析位移和周期等指標時，采用剛性樓板假定。反應(yīng)譜分析時結(jié)構(gòu)的有效質(zhì)量系數(shù)均超過90%，滿足規(guī)范要求，由SATWE和building分析得到的第一扭轉(zhuǎn)周期與第一平動周期之比Tt/T1分別為0.87及0.86，均滿足規(guī)范小于0.9的要求，且周期及整體質(zhì)量接近，計算結(jié)果滿足規(guī)范1/800層間位移角限值要求，說明結(jié)構(gòu)布置與結(jié)構(gòu)計算模型選擇合理。

3.2.2 彈性動力時程分析法

采用SATWE彈性動力時程分析軟件進行多遇地震下的補充計算。主要采用的地震波為：安評人工波USER1，TH2TG035（天然波），TH3TG035（天然波）。主方向峰值加速度為35cm/s2，次方向為29.75cm/s2。特征周期0.45 s。

由SATWE彈性時程分析結(jié)果（以下均指三條波的平均值）可知，彈性時程分析得到的x，y向?qū)娱g位移角分別為1/3884，1/4003，遠小于《高規(guī)》要求的1/800。x，y向的樓層位移及層間位移角的變化趨勢均與反應(yīng)譜分析（CQC法）得到的結(jié)果一致，且均小于CQC法結(jié)果。每條時程曲線所得的結(jié)構(gòu)底部剪力不小于振型分解反應(yīng)譜法求得的底部剪力的65%，三條時程曲線所得的結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值不小于振型分解反應(yīng)譜法求得的底部剪力的80%。x，y向樓層剪力及樓層底部彎矩值的變化趨勢與CQC法得到的結(jié)果基本一致，其中CQC法得到的樓層底部彎矩均大于彈性時程分析結(jié)果，設(shè)計時結(jié)構(gòu)地震作用取CQC法計算結(jié)果。

3.2.3 彈塑性靜力分析（Pushover分析）

為考察結(jié)構(gòu)在罕遇地震時的抗震性能和驗算結(jié)構(gòu)薄弱層的彈塑性變形，采用彈塑性分析軟件EPDA&PUSH分別對結(jié)構(gòu)進行彈塑性靜力、動力分析。計算主方向的罕遇地震時，最大地震加速度取220cm/s2。由于彈塑性靜力分析數(shù)據(jù)變化趨勢與彈塑性動力分析數(shù)據(jù)基本一致，僅列出X方向靜力彈塑性分析數(shù)據(jù)。圖4為工程地震設(shè)防烈度為7度、Ⅲ類場地土等條件時，彈塑性靜力分析的結(jié)構(gòu)需求譜曲線和周期-加速度曲線（能力曲線）以及周期-最大層間位移角曲線。圖中性能點基底剪力為40742.9 kN，位移523.6 mm，地震影響系數(shù)最大值A(chǔ)max=0.500，性能點附加阻尼比為0.056，能力譜曲線與需求譜曲線的交點坐標（T，A）=4.041 s，0.087；性能點最大層間位移角1/191。（圖4）

根據(jù)EPDA&PUSH的分析結(jié)果可見，結(jié)構(gòu)豎向剛度比較均勻，無明顯的薄弱層；x向結(jié)構(gòu)最大彈塑性位移為1/191，小于1/100，滿足規(guī)范要求。塑性鉸分布圖表明，在罕遇地震過程中結(jié)構(gòu)達到性能點時，框架柱均未出現(xiàn)塑性鉸，大部分塑性鉸出現(xiàn)在框架梁、次梁及連梁的兩端，框架柱具有足夠的強度儲備，能滿足“大震不倒”的性能要求。從結(jié)構(gòu)最大彈塑性位移值及中震彈性驗算等數(shù)據(jù)分析，寫字樓符合大震中等破壞或接近大震部分構(gòu)件中等破壞。

由于靜力分析法采用的是第一基本振型，且在計算過程中假定形狀向量不變，因此僅適用于較規(guī)則的結(jié)構(gòu)，在工程的15個振型中，前幾個基本振型為主振型，高振型均為次要振型，彈塑性分析結(jié)果中靜力曲線與動力曲線的數(shù)據(jù)變化趨勢基本一致，說明結(jié)構(gòu)比較規(guī)則，工程采用的彈塑性分析方法較為合理，這說明工程具有較好的抗震性能和潛力。

3.2.4 中震彈性驗算

為了考查結(jié)構(gòu)在中震時的抗震性能，用SATWE軟件對結(jié)構(gòu)進行了中震彈性驗算，計算時將“多遇地震影響系數(shù)最大值”設(shè)定為0.23，“框架抗震等級”和“核心筒抗震等級”都設(shè)定為四級，這樣可以使結(jié)構(gòu)在中震狀態(tài)下的計算數(shù)據(jù)更加符合實際情況。計算結(jié)果表明，除核心筒內(nèi)剪力墻的少數(shù)小墻肢、暗柱及連梁外，大部分構(gòu)件都能滿足中震彈性承載力的設(shè)計要求。對以上強度不足的構(gòu)件采取諸如加大配筋、改用型鋼混凝土等加強措施后，整體結(jié)構(gòu)均能達到中震彈性的目標。

4 重要部位的概念設(shè)計驗算及加強措施

層2樓面開有較大洞口，設(shè)計除了采取將層2樓面板厚加厚至180 mm外，還將底層大空間的上空層3樓板加厚為150 mm，并雙層雙向配筋，針對斜柱交點及梁柱斜交的節(jié)點抗震性能差的情況，在該處柱內(nèi)設(shè)置工字型截面的型鋼，以提高其延性，增強其抗震性能。

5 結(jié)語

本工程以全新的理念和獨特的結(jié)構(gòu)形式，既滿足了建筑效果，同時也在滿足抗震要求的前提下最大程度地節(jié)省了工程造價，該設(shè)計方案初步得到了深圳市超限委員會專家組的認可，這充分說明了該結(jié)構(gòu)設(shè)計方案對本工程是最優(yōu)選擇。

參考文獻

[1] 黃思凝，郭訊，劉紅彪.高層鋼筋混凝土斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)振動臺試驗研究[J].振動與沖擊，2012（11）.

[2] 建質(zhì)[2010]109號超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點[S].2010.