千億商帆大樓超限結(jié)構(gòu)分析

林 捷

(福建省建筑設(shè)計研究院 福建福州 350001)

千億商帆大樓超限結(jié)構(gòu)分析

林 捷

(福建省建筑設(shè)計研究院 福建福州 350001)

千億商帆大樓猶如一艘行進中的錦帆商船，整體造型復(fù)雜，結(jié)構(gòu)設(shè)計難度大，為大底盤單塔偏置的超限高層。文章重點研究了大底盤單塔偏置結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)特點，并對斜柱支撐體系的受力性能進行了分析，針對薄弱部位提出了相應(yīng)的抗震加強措施，結(jié)構(gòu)設(shè)計達到設(shè)定的性能目標。

塔樓偏置；性能設(shè)計；斜柱結(jié)構(gòu)；樓板應(yīng)力分析

1 工程概況

泉州是歷史文化名城又是海上絲綢之路的起點,有著悠久的海洋文化和航海歷史，結(jié)合泉州正發(fā)展成為一個港口城市，方案創(chuàng)作者希望能在泉州呈現(xiàn)一棟象征著海洋文化與歷史底蘊的建筑物，因此該工程的整體造型取源于錦帆商船，以一層至四層裙房構(gòu)筑船身、五層至十三層勾勒“錦帆”之意，以現(xiàn)代建筑材料和工藝使人留連忘返，給予泉州人民回味歷史文化名城的自豪感，建筑的鳥瞰圖(圖1～圖2)。

圖1 鳥瞰圖一

圖2 鳥瞰圖二

該工程地下三層平時為停車庫，地下二層至地上四層為購物中心，五層至十一層為辦公場所，南北朝向。由于地下二層至四層為大商業(yè)區(qū)，屬于人員密集場所，根據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標準》GB50233-2008，裙房區(qū)域抗震設(shè)防類別為重點設(shè)防類，裙房以上為辦公樓仍按標準設(shè)防類設(shè)計?？拐鹪O(shè)防烈度為7度，地震作用按7度計算，裙樓區(qū)域按8度加強抗震措施，塔樓則仍按7度。結(jié)構(gòu)總高度約為58m，裙房高度約為20m，結(jié)構(gòu)安全等級為二級，設(shè)計使用年限為50年，設(shè)計基本地震加速度值為0.15g，地震分組為第三組，場地類別為Ⅱ類?；撅L(fēng)壓0.75kN/m2(50年一遇)，風(fēng)載體型系數(shù)為1.35?；A(chǔ)采用墩基礎(chǔ)，持力層為中風(fēng)化花崗巖，有效地減小了主樓與裙房的差異沉降量。

2 結(jié)構(gòu)分析

隨著城市綜合體項目的日益增多，裙房為大商業(yè)、塔樓為辦公或酒店的建筑形式在城市中心越來越普遍。由于裙房和塔樓之間斷縫會影響建筑的使用功能且容易產(chǎn)生滲水，目前通常采用不設(shè)縫的結(jié)構(gòu)方案，但出現(xiàn)了塔樓偏置的情況，底盤面積較大，塔樓位于大底盤一側(cè)，結(jié)構(gòu)偏心嚴重，在平移震動的同時還伴隨著強烈的扭轉(zhuǎn)震動，對結(jié)構(gòu)抗震很不利。為了減少結(jié)構(gòu)偏心，可在裙房遠離塔樓一側(cè)布置適量剪力墻，同時適當降低塔樓結(jié)構(gòu)剛度，使底盤的剛度分布相對均勻，質(zhì)心與剛心盡量接近，以有效降低扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，提高裙房結(jié)構(gòu)的抗震性能。

該工程采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系，樓蓋為現(xiàn)澆混凝土梁板結(jié)構(gòu)，由于抗震設(shè)防類別的不同，裙房區(qū)域框架抗震等級為二級，剪力墻抗震等級為一級；主樓區(qū)域框架抗震等級為三級，剪力墻抗震等級為二級，裙房屋面收進部位的上、下各2層塔樓周邊豎向結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震等級再提高一級。裙房的東南角為商場主入口，為整艘商船的“船頭”造型，該位置采用斜柱支撐長懸臂梁結(jié)構(gòu)，逐層加大出挑長度。主體結(jié)構(gòu)的計算模型見圖3，裙房結(jié)構(gòu)平面圖見圖4。

圖3 結(jié)構(gòu)電算模型

圖4 裙房結(jié)構(gòu)平面圖(圍區(qū)示意上部塔樓)

3 結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計

該工程存在以下幾個超限情況:

(1)塔樓偏置：單塔與大底盤的質(zhì)心偏心距大于底盤相應(yīng)邊長20%的限值，達到23%。

(2)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則：考慮偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比達到了1.45，大于1.2的限值。

(3)裙房東南側(cè)采用斜柱支撐長懸挑梁結(jié)構(gòu);上部塔樓東側(cè)由于造型需要層層向內(nèi)收進，邊跨柱采用斜柱。

由于該工程裙房為人員密集型商業(yè)區(qū)且整體造型復(fù)雜，屬于特別不規(guī)則的超限高層，結(jié)構(gòu)設(shè)計難度大?；谏鲜銮闆r，該工程采用性能設(shè)計方法進行深入的計算分析，加強結(jié)構(gòu)的薄弱部位，確保結(jié)構(gòu)能達到設(shè)定的抗震性能目標，經(jīng)過業(yè)主方與超限審查專家組討論，最終統(tǒng)一意見：確定該工程的結(jié)構(gòu)抗震性能目標為C級。根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2010表3.11.1規(guī)定: C級性能目標要求結(jié)構(gòu)在中震作用下滿足第3抗震性能水準，在大震作用下滿足第4抗震性能水準。結(jié)構(gòu)各構(gòu)件具體的性能目標見表1[1]。

表1 結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能目標

4 結(jié)構(gòu)地震作用計算

經(jīng)計算對比，該工程計算指標由地震作用控制。根據(jù)制定的性能目標，該工程分別進行了多遇地震、設(shè)防地震及罕遇地震的計算分析。

4.1 多遇地震計算分析

選用SATWE和MIDAS Building程序進行多遇地震下的彈性反應(yīng)譜分析，結(jié)構(gòu)計算指標見表2。

表2 結(jié)構(gòu)計算指標

兩種分析軟件的計算結(jié)果在地震作用、結(jié)構(gòu)位移及動力特性等方面均比較接近，表明計算模型能夠較好地模擬結(jié)構(gòu)的實際受力情況。在地震作用下主體結(jié)構(gòu)的承載力與變形能力滿足規(guī)范的要求；并根據(jù)高規(guī)要求進行了彈性時程的補充計算，經(jīng)比較反應(yīng)譜曲線能夠包絡(luò)住時程分析曲線，因此地震作用效應(yīng)按反應(yīng)譜法的計算結(jié)果。

4.2 設(shè)防地震計算分析

采用SATWE參數(shù)中的“中震彈性”及“中震不屈服”選項分別進行計算。目前程序采用振型分解法近似地按彈性理論進行計算，假定結(jié)構(gòu)在中震作用下構(gòu)件的剛度不發(fā)生退化，中震作用與小震作用下結(jié)構(gòu)的周期值是相同的。具體中震的計算參數(shù)見表3。

表3 設(shè)防地震計算參數(shù)

該工程關(guān)鍵構(gòu)件的中震彈性計算結(jié)果表明，底部加強區(qū)的剪力墻及斜柱的軸壓比均小于規(guī)范限值，抗彎承載力滿足彈性要求;普通豎向構(gòu)件及耗能構(gòu)件的中震不屈服驗算的結(jié)果顯示: 非底部加強區(qū)剪力墻未出現(xiàn)截面超限情況，滿足抗彎不屈服、抗剪彈性的要求，除了局部樓層的連梁及框架梁出現(xiàn)抗剪超筋外，其余框架梁均未出現(xiàn)超筋或抗剪截面不足的情況。

4.3 結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的驗算

通過對結(jié)構(gòu)進行X、Y向的靜力彈塑性Pushuover分析，得到大震下的最大層間位移角X向為1/154，Y向為1/143(圖5)，均小于1/100規(guī)范限值。在推覆分析的過程中，塑性鉸首先出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的連梁及部分框架梁支座位置，剪力墻出現(xiàn)了少量的塑性鉸，結(jié)構(gòu)在大震作用下的破壞機制及彈塑性反應(yīng)滿足設(shè)計預(yù)期的損傷機制，符合概念設(shè)計的要求，結(jié)構(gòu)具有足夠的變形能力，整體結(jié)構(gòu)能抵抗罕遇地震作用，滿足“大震不倒”的抗震性能目標。

圖5 大震作用下彈塑性層間位移角

5 塔樓偏置分析

《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》10.6章規(guī)定：“上部塔樓結(jié)構(gòu)的綜合質(zhì)心與底盤結(jié)構(gòu)質(zhì)心的距離不宜大于底盤相應(yīng)邊長的 20%”。上部塔樓的層數(shù)多且總質(zhì)量大，塔樓偏置對扭轉(zhuǎn)效應(yīng)影響很大，在地震作用下會產(chǎn)生強烈的扭轉(zhuǎn)震動，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)引起裙房屋面板的應(yīng)力復(fù)雜且分布不均勻。在裙房屋面處同時存在兩種抗震不利的因素:首先是豎向抗側(cè)剛度突變引起的豎向不規(guī)則，其次為扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。大底盤對上部塔樓起到一定的約束作用，塔樓的振動在裙房屋面受到約束而產(chǎn)生了變形協(xié)調(diào)振動，上部塔樓傳下來的水平力在裙房屋面通過面內(nèi)剛度很大的樓板傳遞到裙房的豎向構(gòu)件，并不完全由塔樓區(qū)域的豎向構(gòu)件承擔。塔樓與裙房相連的外圍柱、剪力墻，從固定端至裙房屋面上一層的高度范圍內(nèi)，柱縱向鋼筋的最小配筋率宜適當提高，剪力墻應(yīng)設(shè)置約束邊緣構(gòu)件，柱箍筋宜在裙樓屋面上、下層的范圍內(nèi)全高加密[2]。

由于裙房屋面板受力復(fù)雜，為了避免裂縫過早出現(xiàn)而削弱樓板整體剛度。該工程采用MIDAS Buliding進行了多遇地震下樓板的詳細應(yīng)力分析，樓板采用殼單元進行模擬，經(jīng)多種荷載組合對比，最終選定1.0恒載+0.5活載+1.3地震荷載工況為最不利工況，將本層樓板定義為彈性板，圖6為水平地震作用下裙房屋面板的應(yīng)力云圖。

圖6 裙房屋面樓板應(yīng)力圖

由圖5可見，水平地震作用下塔樓與裙房交接處2跨區(qū)域內(nèi)均出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，損傷較為嚴重，反映了屋面板傳遞上部塔樓水平力的實際情況，最大拉應(yīng)力達到2.05Mpa，略大于C30混凝土抗拉強度標準值2.0MPa，屋面板的轉(zhuǎn)角位置及開洞周邊出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象。設(shè)計時采用160mm厚樓板，按0.25%的配筋率設(shè)置雙層雙向通長筋，參考應(yīng)力分析的結(jié)果，局部板面支座不足位置另附加短筋。

6 斜柱結(jié)構(gòu)分析

該工程建筑體型復(fù)雜，采用斜柱結(jié)構(gòu)體系實現(xiàn)了建筑立面沿高度的凸出或收進的造型需要，結(jié)構(gòu)設(shè)計的難度加大，需要對斜柱構(gòu)件、節(jié)點做法及相關(guān)范圍梁板的受力性能做詳細的分析，裙房東南側(cè)“船頭”斜柱立面圖如圖7。

圖7 裙房“船頭”斜柱立面圖

從斜柱立面圖可以看出此結(jié)構(gòu)體系的不足之處在于斜柱、水平框架梁及豎向柱之間圍合成三角形，從結(jié)構(gòu)力學(xué)的角度看是幾何不變體系，在地震作用時變形能力相對較差。斜柱的上下端節(jié)點處會產(chǎn)生較大水平壓力和拉力，水平力通過梁與樓板傳遞，與斜柱連接部分的構(gòu)件受力復(fù)雜，需采用合理的計算模型對其受力情況進行分析。在計算假定中將樓板設(shè)置為彈性膜，以考慮梁、板構(gòu)件的軸向變形。通過計算

分析并結(jié)合抗震性能目標，該工程針對斜柱結(jié)構(gòu)采取了以下的抗震加強措施：

(1)斜柱的抗震等級提高一級，柱箍筋加密；

(2)為了避免斜柱根部水平力過大對下層支承柱的不利影響，該工程在頂板以下對應(yīng)斜柱位置設(shè)置了帶端柱的剪力墻，保證底部嵌固端有足夠的剛度；

(3)對于斜柱相連承受拉力的框架梁加強了梁縱筋和抗扭筋，縱筋采用機械連接，當梁軸力較大時還可加設(shè)型鋼或預(yù)應(yīng)力筋；對于承受壓力的框架梁，適當增大梁的截面，箍筋全長加密；

(4)與斜柱相連區(qū)域的樓板厚度取150mm，樓板按0.30%配筋率雙層雙向拉通，以增強變形協(xié)調(diào)能力；

(5)外圈的弧梁加大剛度，箍筋加密，抗扭筋加大并封閉焊接，形成外圈抱箍的作用以約束斜柱[3]。

7 結(jié)語

該工程通過概念設(shè)計及性能化設(shè)計方法，使結(jié)構(gòu)安全、合理且滿足建筑的造型和功能需求，目前主體結(jié)構(gòu)已封頂進入外墻裝修階段，現(xiàn)對本工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計做以下總結(jié)：

(1)裙房屋面層存在剛度突變，在裙房收進部位上下各2層的豎向構(gòu)件是關(guān)鍵部位，構(gòu)件抗震等級提高一級。從嵌固端至裙房屋面層上1層，剪力墻應(yīng)設(shè)置約束邊緣構(gòu)件，適當降低交接處豎向構(gòu)件的軸壓比。

(2)大底盤單塔偏置結(jié)構(gòu)可在裙房周邊布置適量剪力墻，加大裙房及塔樓外圍框架抗扭剛度，控制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)位移比值，減少扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

(3)應(yīng)注意塔樓和裙房連接的變形協(xié)調(diào)問題，裙房屋面板的受力情況復(fù)雜，宜做樓板詳細的應(yīng)力分析，根據(jù)分析結(jié)果加強薄弱部位，保證樓板有足夠的剛度。

(4)采用合理的計算模型分析斜柱及相連水平構(gòu)件的受力特點，加強節(jié)點構(gòu)造及相關(guān)構(gòu)件的剛度。

(5)體形復(fù)雜的高層結(jié)構(gòu)需采用不同力學(xué)模型的軟件進行比較分析，對于結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件可采用性能化設(shè)計方法予以加強。

[1] JGJ3—2010 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社，2010．

[2] 何富華，羅志國．大底盤單塔偏置建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計[J]. 建筑結(jié)構(gòu)，2013．

[3] 林寶新，賈鑫．某帶斜柱框剪結(jié)構(gòu)的抗震性能分析[J]．合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2014(6)，37.

Analysis of over limit structure of 100 billion commercial sail building

LINJie

( Fujian Architectural Design and Research Institute， Fuzhou 350001 )

Billions of ShangFan building is like a ship moving sail ship, overall modelling complex, difficult to structure design, for large chassis double offset transfinite top. Large chassis is mainly studied the seismic response characteristics of the single tower offset, and the mechanical properties of the diagonal brace system was analyzed, and corresponding seismic strengthening measures are put forward for weak positions, structure design to set performance goals.

Tower offset; Performance design; Inclined column structure; Floor stress analysis

林捷(1979.4- )，男，高級工程師。

E-mail:20392624@qq.com

2016-09-13

TU3

A

1004-6135(2016)12-0036-04