上海某超限高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

岳燕玲,祝文畏

(浙江省建筑設(shè)計(jì)研究院,浙江 杭州 310006)

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上海某超限高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

岳燕玲,祝文畏

(浙江省建筑設(shè)計(jì)研究院,浙江 杭州 310006)

根據(jù)工程特點(diǎn),對(duì)比分析了不同側(cè)向剛度算法對(duì)薄弱層和豎向不規(guī)則判定的影響；針對(duì)地下一層附帶局部夾層的情況,提出了以組合層作為嵌固端的概念；對(duì)局部不連續(xù)樓板、穿層柱等重要構(gòu)件進(jìn)行了詳細(xì)分析。分析表明,結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能,可作為類似工程的設(shè)計(jì)參考。

側(cè)向剛度；抗震性能化設(shè)計(jì)；組合層；樓板不連續(xù)；穿層柱

1　工程概況

本工程位于上海市閔行區(qū),辦公主樓地上28層,地下2層,主屋面建筑高度120.0m,總建筑面積5萬m2,建筑效果圖和結(jié)構(gòu)模型見圖1、圖2。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年,建筑安全等級(jí)為二級(jí),抗震設(shè)防類別為丙類,結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度為7度(0.15g),設(shè)計(jì)地震分組為第一組,場(chǎng)地類別為Ⅳ 類,場(chǎng)地特征周期為0.90s。

圖1　建筑效果圖

圖2　結(jié)構(gòu)模型圖

2　結(jié)構(gòu)布置和超限情況

2.1結(jié)構(gòu)布置

主樓底部三層設(shè)置通高大堂,上部為辦公寫字樓,平面布置見圖3、圖4。其中,2層核心筒之間電梯門廳部位無樓板。

圖3　2層和3層平面布置圖

圖4　標(biāo)準(zhǔn)層平面布置圖

標(biāo)準(zhǔn)層平面呈矩形,外輪廓尺寸為40.5m×33.6m,核心筒布置在中部偏南區(qū)域,核心筒的外輪廓尺寸為18.1m×13.9m。根據(jù)建筑平面布置,高層辦公樓的結(jié)構(gòu)體系采用鋼管混凝土框架-混凝土核心筒結(jié)構(gòu),該體系由周邊框架與中心區(qū)域的核心筒組成。其中,鋼筋混凝土核心筒為主要的抗側(cè)力體系,承擔(dān)85%以上的基底剪力及傾覆彎矩,外框架以承擔(dān)豎向荷載為主。

核心筒外墻厚700～350mm,內(nèi)墻厚300～250mm, 主要框架柱截面尺寸由底部的1 000mm×1 000mm鋼骨混凝土柱逐漸過渡到頂層的600mm×500mm鋼管混凝土。核心筒內(nèi)樓層梁采用鋼筋混凝土梁,主要框架主梁截面350mm×800mm；核心筒外樓層梁采用鋼梁,主要框架主梁截面為H750×300×13×24和H800×300×14×26。

2.2設(shè)計(jì)難點(diǎn)與超限情況

2.2.1豎向剛度突變及等效抗側(cè)剛度的合理選取

本工程底部3層局部設(shè)置通高大堂,2層樓板開洞率約為80%,且核心筒內(nèi)樓板缺失,3層樓板開洞率約為60%。2層和3層的樓板大量缺失使得部分外框柱3層通高、部分核心筒墻體2層通高,結(jié)構(gòu)底部豎向剛度削弱。

根據(jù)《上海市建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)程(DGJ08—9—2003)》[1],應(yīng)采用等效剪切剛度進(jìn)行樓層側(cè)向剛度比的判斷。因?yàn)榈撞吭O(shè)置通高大堂,難以界定±0.000～13.450m標(biāo)高之間的層數(shù)。若底部±0.000～13.450m標(biāo)高范圍按1層計(jì)算,則與上一層等效剪切剛度比,X向、Y向分別為0.549、0.454；若按3層計(jì)算,剛度比是按1層計(jì)算剛度的3倍。

抗規(guī)[2]、高規(guī)[3]以及《上海市超限高層建筑抗震設(shè)防管理實(shí)施細(xì)則》(滬建建(2003)702號(hào))在進(jìn)行豎向不規(guī)則判定時(shí)均是從層的概念出發(fā),以樓層側(cè)向剛度進(jìn)行對(duì)比。然而按照3層通高和3個(gè)樓層的等效剪切剛度判斷,結(jié)果完全不一樣。為確保工程安全,采取如下算法進(jìn)行復(fù)核。

1)方法一：

底部3層按照1層建模,忽略4.450m標(biāo)高和8.950m標(biāo)高樓板和梁的有利影響,同時(shí)按照高規(guī)第3.5.2條的剛度進(jìn)行計(jì)算。對(duì)框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、板柱-剪力墻結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架-核心筒結(jié)構(gòu)、筒中筒結(jié)構(gòu),樓層與其相鄰上層的側(cè)向剛度比γ2可按式(1)計(jì)算[3]：

(1)

式中：Vi、Vi+1為第i層和第i+1層的地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值；

Δi、Δi+1為第i層和第i+1層的地震作用下層間位移。

此時(shí),通高層與上層剛度比, X、Y向分別為 1.80 和1.44。如考慮層高修正,則設(shè)置通高大堂以后底部側(cè)向剛度反而提高,這顯然是不合理的,豎向不規(guī)則判定時(shí)不宜進(jìn)行高度修正。

2)方法二：

圖5　結(jié)構(gòu)對(duì)比模型圖

底部3層按照實(shí)際情況建模,如圖5a)所示,在頂部施加一水平力,計(jì)算側(cè)移剛度為:

KX=10.43×106kN/m, KY=4.28×106kN/m。

取出4～6層并按實(shí)際建模,如圖5b)所示,在頂部施加水平力：

KX=8.57×106kN/m, KY=4.10×106kN/m。

通高層與上層剛度比,X、Y向分別為 1.22 和1.04,此時(shí)底部3層剛度大于上部3層剛度。

對(duì)于普通框架結(jié)構(gòu),樓層梁、板對(duì)柱的約束相當(dāng)明顯,結(jié)構(gòu)側(cè)移呈剪切型,變形時(shí)層的概念清晰。

框架核心筒結(jié)構(gòu)中間核心筒的巨大剛度對(duì)底部變形起主導(dǎo)作用,底部一般產(chǎn)生彎曲變形,因此對(duì)設(shè)置通高大堂的底部進(jìn)行薄弱層判定時(shí)采用剪彎剛度是合理的。反應(yīng)譜分析表明,底部局部通高大堂設(shè)置對(duì)結(jié)構(gòu)整體的動(dòng)力特性影響不大,通過適當(dāng)加強(qiáng)配筋,可以保證底部構(gòu)件的小震及中震下安全；罕遇地震下的薄弱部位可通過時(shí)程分析進(jìn)行針對(duì)性加強(qiáng)。

建筑物的抗側(cè)剛度是結(jié)構(gòu)自身的特性[4],當(dāng)采用等效抗側(cè)剛度進(jìn)行對(duì)比時(shí),應(yīng)結(jié)合結(jié)構(gòu)的變形特征選取合適的側(cè)向剛度。上海規(guī)程要求采用等效剪切剛度進(jìn)行樓層側(cè)向剛度比的判斷,并要求下層剛度不得小于上層剛度的60%。鑒于上述分析,專家允許將60%調(diào)整為50%。

2.2.2帶夾層地下室嵌固端的合理選取

地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)嵌固端時(shí),地下1層相關(guān)范圍的側(cè)向剛度宜大于地上1層側(cè)向剛度的2倍,上海規(guī)程則要求大于1.5倍。本工程地下1層設(shè)置夾層,夾層層高2.7m,夾層核心筒外北側(cè)樓板缺失,北側(cè)外排框架柱與核心筒之間無直接連接。

地下1層夾層局部樓板開孔,如按常規(guī)做法忽略?shī)A層的作用,則地下1層與夾層按通高計(jì)算,總層高6.3m,上海規(guī)程規(guī)定的相關(guān)范圍僅能計(jì)算主樓外一跨,在主樓外一跨范圍內(nèi)無其他墻體,僅增加26根600mm×600mm截面柱子,剪切剛度增加不大,剛度要滿足嵌固要求只有增加剪力墻厚度?？紤]到核心筒門廳處樓板連續(xù),而且部分電梯基坑在-2.700m位置附近,通過加厚夾層樓板,提高夾層樓板的剛度,可加強(qiáng)對(duì)夾層位置墻、柱變形的約束和協(xié)調(diào)。采用如圖6所示模型,借鑒基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中已組合土層作為持力層的概念,以地下1層和夾層組合層作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端。

圖6　組合層模型

夾層樓板連接部分墻、柱截面A1,其余部分墻、柱截面為A2,剪力與層間位移角的關(guān)系：

(2)

式(2)中：Ks為剪力不均勻系數(shù),值為1.2;

Q為剪力;

θ為剪切變形角。

對(duì)應(yīng)本工程,剪力與層間剪切位移Δ1、Δ2的關(guān)系為：

(3)

本工程A1遠(yuǎn)大于 A2,則帶夾層部分剪切剛度遠(yuǎn)大于局部穿層柱剪切剛度,即使A1= A2,總剛度仍比取消夾層的常規(guī)算法提高1.5倍。按本方法計(jì)算,通過 適當(dāng)加強(qiáng)地下室核心筒厚度,地下組合層與1層剪切剛度比值,X向、Y向分別為1.51和 1.52,均滿足規(guī)范要求。因此,地下組合層可作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端。

由于夾層板的約束,頂板部位位移和轉(zhuǎn)角的嵌固作用得到加強(qiáng),因此外圍部分長(zhǎng)柱頂部也受到約束,整體嵌固的作用得到實(shí)現(xiàn)。在此基礎(chǔ)上,外圍部分長(zhǎng)柱配筋按照嵌固要求進(jìn)行單構(gòu)件加強(qiáng)。

2.2.3超限情況

根據(jù)抗震規(guī)范、高規(guī)的相關(guān)規(guī)定,項(xiàng)目主要超限情況為：

1)結(jié)構(gòu)底部3層設(shè)置通高大堂,樓板缺失較多,側(cè)向相鄰上層的60%,屬于豎向不規(guī)則 (按上海規(guī)程判定)；

2)樓板尺寸和剛度急劇變化,2、3層樓板開洞率超過該層樓面面積的35%,屬于平面不規(guī)則；

3)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則,X-偶然地震規(guī)定水平力作用下局部樓層的最大層間位移與平均層間位移的比值大于1.2,最大為1.23,屬于平面不規(guī)則；

4)1～3層存在穿層柱,屬于其他不規(guī)則。

2.3抗震性能目標(biāo)

根據(jù)上述超限情況,選擇如下性能目標(biāo)：

多遇地震作用下,結(jié)構(gòu)構(gòu)件處于彈性狀態(tài)；設(shè)防烈度地震作用下,底部加強(qiáng)區(qū)外框柱處于彈性受力狀態(tài),核心筒抗剪處于彈性受力狀態(tài),抗彎不屈服,2～4層樓板不屈服；罕遇地震作用下,底部加強(qiáng)區(qū)外框柱允許進(jìn)入塑性,控制變形；底部加強(qiáng)區(qū)核心筒滿足抗剪截面控制要求。

2.4主要抗震措施

本工程屬于平面樓板局部不連續(xù),豎向剛度突變及存在穿層柱且局部扭轉(zhuǎn)位移比超過1.2的高層建筑。今針對(duì)各項(xiàng)超限內(nèi)容,結(jié)合工程抗震設(shè)計(jì)性能目標(biāo),采用如下加強(qiáng)措施：

1)底部加強(qiáng)區(qū)3層通高穿層柱加大截面,在提高屈曲穩(wěn)定承載力的同時(shí),增大柱抗側(cè)剛度。底部采用鋼骨柱,內(nèi)置鋼骨截面與上部鋼管協(xié)調(diào)。

2)主樓鋼筋混凝土核心筒抗震等級(jí)為二級(jí),型鋼混凝土柱抗震等級(jí)為二級(jí)，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震等級(jí)為三級(jí)。核心筒的底部加強(qiáng)區(qū)為鋼管混凝土框架-鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)抗震的關(guān)鍵部位,抗震等級(jí)提高一級(jí)。

3)將1～3層核心筒外圍墻體加厚200mm,按高規(guī)JGJ3—2002附錄E的方法驗(yàn)算側(cè)向剛度比,可以滿足規(guī)范要求,同時(shí)也可以滿足剪切剛度比的要求。核心筒剪力墻配置多層鋼筋,筒體角部設(shè)置型鋼,確保墻肢受力均勻,同時(shí)提高底部加強(qiáng)區(qū)核心筒約束邊緣構(gòu)件的配箍率,并將配筋率提高至0.6%。

4)2、3層樓板開洞率均大于35%,樓板剛度急劇變化,對(duì)4層樓板進(jìn)行加厚至150mm,以滿足中震不屈服。

5)核心筒向南偏置,通過增加南側(cè)墻體開洞,盡量使剛心與中心重合,減小扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。同時(shí)在核心筒X向墻體設(shè)置結(jié)構(gòu)洞,增加Y向墻體的厚度以減少Y、X向的剛度差異。

3　結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

3.1小震分析

選用SATWE和MIDAS程序?qū)こ踢M(jìn)行小震彈性分析,結(jié)果見表1。由表1可知,結(jié)構(gòu)的計(jì)算振動(dòng)模態(tài)和周期基本一致,結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)較小,初步判斷模型的分析結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。

3.2中震樓板分析

底部3層設(shè)置通高大堂后,樓板開洞較多,局部樓板應(yīng)力復(fù)雜。在中震作用下對(duì)樓板進(jìn)行應(yīng)力分析。圖7a)為在中震作用下樓板主拉應(yīng)力分布,2、3層樓板應(yīng)力基本在0.43MPa以下,遠(yuǎn)小于C35混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.57MPa。因此在中震作用下,2、3層局部不連續(xù)樓板以及4層樓板均不會(huì)出現(xiàn)裂縫。

表1　 計(jì)算結(jié)果

圖7　樓板應(yīng)力圖

圖7b)為考慮工況組合后的樓板拉應(yīng)力圖,由圖可知,樓板拉應(yīng)力基本在3.80 MPa以下,超過3.80 MPa的單元比例基本在4%以內(nèi)。4層核心筒之間板配筋采用14@125雙層雙向,則樓板內(nèi)鋼筋抗拉應(yīng)力水平為5.9 MPa。分析表明,通過樓板加厚、提高配筋率等措施,可以確保樓板滿足性能設(shè)計(jì)要求。

3.3大震下靜力彈塑性推覆分析

采用 EPDA/PUSH程序?qū)χ鳂沁M(jìn)行罕遇地震作用下的彈塑性靜力分析,用以評(píng)估結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的抗震性能。

圖8為主樓結(jié)構(gòu)沿X方向在7度罕遇地震作用下的彈塑性分析結(jié)果曲線(Y向類似),圖中3條曲線分別為推覆分析所得結(jié)構(gòu)的能力譜曲線、據(jù)規(guī)范反應(yīng)譜換算所得到的罕遇地震作用下的需求譜曲線及周期-最大層間位移角曲線。由圖可知大震下主樓在X和Y方向結(jié)構(gòu)的層間彈塑性位移角分別為1/207和1/191,均小于1/100,滿足規(guī)范規(guī)定的框架-核心筒結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角限值。主樓結(jié)構(gòu)在與性能控制點(diǎn)對(duì)應(yīng)的加載步時(shí),X、Y方向結(jié)構(gòu)的塑性鉸塑性鉸首先在連梁出現(xiàn),然后核心筒底部墻肢逐步出現(xiàn)塑性鉸,在達(dá)到性能點(diǎn)時(shí),框架柱均未受損傷。塑性鉸出現(xiàn)的部位、次序符合抗震概念設(shè)計(jì)要求,可以滿足“大震不倒”的性能設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3.4穿層柱屈曲分析

對(duì)于大跨空間結(jié)構(gòu)、穿層桿件的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)取值,規(guī)范缺乏詳細(xì)的規(guī)定,沒有提出明確的計(jì)算方法。針對(duì)實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí),桿件計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)的取值往往無據(jù)可依。因此對(duì)底部3層穿層柱進(jìn)行屈曲分析,以確定計(jì)算長(zhǎng)度。結(jié)構(gòu)進(jìn)行屈曲分析的前五階屈曲模態(tài)安全因子分別為20.03、28.61、29.00、29.30、29.59、29.68。其中第1階屈曲模態(tài)為梁局部屈曲；第2～5階屈曲模態(tài)均為底層柱屈曲,見圖9。因此,在恒載+活載工況下,結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)破壞。

圖9　2階屈曲模態(tài)圖

通過反推的方法來確定計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù),把各種約束條件的構(gòu)件屈服荷載Ncr值換算成相當(dāng)于兩端鉸接的軸心受壓構(gòu)件屈曲荷載的形式,其方法是把端部有約束的構(gòu)件用等效長(zhǎng)度為l 的構(gòu)件來代替,根據(jù)歐拉公式Ncr=π2EI/(μl)2=π2EA/λ2和屈曲分析所求得的屈曲荷載,底部穿層柱計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)為1.5。對(duì)于躍層柱,底部采用型鋼混凝土柱,型鋼含鋼率大于4%,嚴(yán)格控制軸壓比以保證延性?？紤]到結(jié)構(gòu)安全性,底部穿層柱計(jì)算長(zhǎng)度取三層實(shí)際高度進(jìn)行計(jì)算。

3.5屋頂斜向支撐體系分析

根據(jù)建筑立面效果,須在頂部設(shè)置斜向支撐體系作為幕墻支撐體系和抗風(fēng)構(gòu)架。在下層直柱頂部設(shè)置“Y”形分叉斜柱組成豎向承重和抗側(cè)力體系,斜柱與幕墻斜向網(wǎng)格平行布置,見圖10。為加強(qiáng)頂部構(gòu)架的整體剛度,在斜柱交點(diǎn)處設(shè)置雙向水平拉梁與內(nèi)部框架形成連接。

圖10　屋頂構(gòu)架模型

斜柱平面內(nèi)計(jì)算長(zhǎng)度取1,平面外考慮到中間夾層無法設(shè)置有效支撐體系,而頂層平面內(nèi)剛度很大,故取斜柱平面外計(jì)算長(zhǎng)度為2。

為提高穩(wěn)定性,在分叉點(diǎn)設(shè)置雙向鋼梁進(jìn)行拉結(jié)。屋頂斜柱節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分析表明,Y形柱節(jié)點(diǎn)應(yīng)力小于鋼材應(yīng)力設(shè)計(jì)值,節(jié)點(diǎn)連接是可靠的。

4　結(jié)　語(yǔ)

采用基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法,對(duì)主樓進(jìn)行超限分析設(shè)計(jì),通過合理布置結(jié)構(gòu)、確定性能目標(biāo)及屈曲分析，以及通過樓板有限元計(jì)算等針對(duì)性的抗震措施,結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能。針對(duì)底部大空間以及地下室附帶局部夾層等工程常見情況,提出了以下設(shè)計(jì)方法：

1)通過對(duì)比分析不同側(cè)向剛度算法對(duì)薄弱層和豎向不規(guī)則判定的影響,結(jié)合結(jié)構(gòu)的變形特征,合理選取底部大空間框架-核心筒結(jié)構(gòu)的等效側(cè)向剛度算法。

2)提出組合層嵌固的概念和帶局部夾層地下室的剪切剛度的計(jì)算公式,合理地計(jì)算了1層與地下室的剪切剛度比。

[1]同濟(jì)大學(xué). DGJ 08—9—2003 上海市建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)程[S].上海：上海市建筑建材業(yè)市場(chǎng)管理總站,2003.

[2]中國(guó)建筑科學(xué)研究院. GB 50011—2010 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2010．

[3]中國(guó)建筑科學(xué)研究院. JGJ 3—2010 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2010．

[4]楊學(xué)林,李曉良,茆誠(chéng),等. 復(fù)雜超限高層建筑結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計(jì)研究與應(yīng)用 [J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào), 2010, 31 (增刊2): 5-11.

Design of a Super High Structure in Shanghai

YUE Yanling,ZHU Wenwei

2016-05-17

岳燕玲(1980—)，女，新疆沙雅人，工程師，從事結(jié)構(gòu)工程研究工作。

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