某超高層辦公樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

李哲剛, 張 暉

(中機(jī)中聯(lián)工程有限公司， 重慶 400039)

某超高層辦公樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

李哲剛, 張 暉

(中機(jī)中聯(lián)工程有限公司， 重慶 400039)

寶蓮國際都會(huì)1號(hào)樓為結(jié)構(gòu)高度超限的辦公樓。文章介紹了該工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容以及針對超限采取的加強(qiáng)措施，并進(jìn)行了計(jì)算分析對比。結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案合理可行，能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防性能目標(biāo)，保證結(jié)構(gòu)的安全。

超限高層； 超高層建筑； 結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)； 框架-核心筒結(jié)構(gòu)

1 工程概況

寶蓮國際都會(huì)項(xiàng)目位于重慶市銅梁區(qū)，主要功能為辦公、住宅、車庫、商業(yè)?？偨ㄖ娣e約26×104m2，平面布置形式為下部大裙房，上部雙塔樓。1號(hào)樓為41層的高層辦公樓，建筑高度182.4 m；2號(hào)樓為40層的高層住宅，建筑高度147 m；3號(hào)樓為7層商業(yè)裙樓，建筑高度24 m。工程設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，設(shè)計(jì)基本加速度值為0.05g，抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類(裙樓商業(yè))、丙類(塔樓住宅和辦公)，場地類型為I1類，基本風(fēng)壓為0.4 kN/m2，地面粗糙度為B類(圖1～圖3)。本文主要介紹1號(hào)樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖1 建筑效果圖

圖2 辦公樓、住宅樓平面位置

圖3 辦公樓標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置示意

2 結(jié)構(gòu)體系

本工程裙樓地下3層，地上4層，在負(fù)一層樓板(-6.500標(biāo)高)嵌固。在嵌固層以上將1、2、3號(hào)樓設(shè)縫脫開，形成獨(dú)立結(jié)構(gòu)單元。1號(hào)樓裙樓建筑平面總尺寸為64 m×59 m，塔樓建筑平面尺寸為47 m×39 m，塔樓標(biāo)準(zhǔn)層層高4.2 m，避難層層高5.4 m，商業(yè)裙樓層高6 m，地下室層高4 m。1號(hào)樓采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架核心筒結(jié)構(gòu)，框架柱截面尺寸由1.5 m×1.3 m變化至0.8 m×0.8 m，核心筒剪力墻厚度由0.5 m變化至0.3 m。墻柱混凝土強(qiáng)度等級：由C60變化至C30，梁板混凝土強(qiáng)度等級為C40、C30。由于銅梁地區(qū)房價(jià)較低，綜合考慮成本及施工難度因素，框架柱均采用鋼筋混凝土柱。

3 基礎(chǔ)形式

場區(qū)內(nèi)及附近無斷層通過，場地穩(wěn)定，地質(zhì)構(gòu)造簡單；場地內(nèi)覆蓋層為第四系素填土、殘坡積粉質(zhì)黏土，下伏為侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組泥巖和砂巖。場地平整后，中風(fēng)化巖石已經(jīng)全部出露，故本工程采用獨(dú)立基礎(chǔ)、筏板基礎(chǔ)，所有基礎(chǔ)均以中風(fēng)化巖層為持力層?；A(chǔ)混凝土強(qiáng)度等級為C40；鋼筋采用HPB300、HRB400級鋼筋。

4 結(jié)構(gòu)超限情況、抗震性能目標(biāo)及抗震等級

1號(hào)樓存在的超限主要為高度超限。對于鋼筋混凝土框架核心筒結(jié)構(gòu)，A級高度限制為150 m，本工程結(jié)構(gòu)高度為188.9 m，超出規(guī)范限值，應(yīng)進(jìn)行超限工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)專項(xiàng)審查。

此外，由于建筑立面要求，結(jié)構(gòu)西南角和東北角的框架柱，在標(biāo)高24 m以上由豎直柱變?yōu)樾毕蛳蛏系男敝?，屬于設(shè)計(jì)中需要特別注意的地方，應(yīng)進(jìn)行計(jì)算分析和構(gòu)造加強(qiáng)。

本工程設(shè)定結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)如下：結(jié)構(gòu)總體需達(dá)到高規(guī)中性能目標(biāo)D級的要求,關(guān)鍵構(gòu)件達(dá)到C級的要求。對應(yīng)的性能水準(zhǔn)如表1所示。

表1 性能目標(biāo)的性能水準(zhǔn)要求

7層以上框架及剪力墻抗震等級均為二級，7層以下框架及剪力墻抗震等級均為一級。

5 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

結(jié)構(gòu)計(jì)算分為三階段，第一階段進(jìn)行小震下彈性計(jì)算，采用振型分解反應(yīng)譜法和時(shí)程分析法進(jìn)行對比，并作為設(shè)計(jì)主要依據(jù)。第二階段進(jìn)行中震彈性及中震不屈服計(jì)算，對關(guān)鍵部位的關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行驗(yàn)算，并作為關(guān)鍵構(gòu)件的設(shè)計(jì)依據(jù)。第三階段進(jìn)行大震下的彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析，驗(yàn)算大震下的塑性位移角，判斷薄弱部位及塑性鉸的發(fā)展程度，驗(yàn)證采取的針對性措施的有效性。結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件采用PKPM和Midas Building結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件。

5.1 小震彈性分析

小震下采用振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算的主要分析結(jié)果見表2。

圖4為地震作用下的層間位移角。從圖4可以看出，結(jié)構(gòu)整體豎向剛度均勻，在9層、26層處，由于避難層的出現(xiàn)，使層間位移角出現(xiàn)局部變化，但未形成薄弱層。屋頂由于將屋頂構(gòu)架建入計(jì)算模型參與計(jì)算，頂部兩層剛度變小。

通過整體計(jì)算結(jié)果分析表明：結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定，周期比、質(zhì)量參與系數(shù)、層間位移角、位移比、剪重比、剛度和抗剪承載力均滿足設(shè)計(jì)要求。框架柱底部傾覆力矩百分比X、Y向分別為19.2 %和29.7 %?？蚣懿糠址峙涞臉菍蛹袅^大多數(shù)樓層在15 %～30 %之間，局部樓層小于15 %，局部樓層應(yīng)按高規(guī)要求對框架柱承受的水平剪力進(jìn)行調(diào)整。

小震彈性時(shí)程分析時(shí)，計(jì)算了7條波，各自取7條波的平均值。由圖5可知，彈性時(shí)程層間位移除頂部兩層外，沿樓層變化分部較為均勻。彈性時(shí)程計(jì)算結(jié)果和反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果基本一致。

表2 主要分析結(jié)果

(a) X向地震層間位移角

(b) Y向地震層間位移角

表3為小震彈性時(shí)程層間位移角和底部剪力匯總。彈性時(shí)程底部剪力均大于反應(yīng)譜法底部剪力的65 %，7條時(shí)程曲線的結(jié)構(gòu)底部剪力平均值大于反應(yīng)譜法底部剪力的80 %，滿足GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》5.1.2條。地震作用效應(yīng)取時(shí)程法計(jì)算結(jié)果的平均值與反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果的較大值，即采用反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果。

5.2 中震不屈服分析

本工程結(jié)構(gòu)采用抗震性能化設(shè)計(jì)方法，關(guān)鍵構(gòu)件的抗震性能目標(biāo)為C級，性能水準(zhǔn)在中震下預(yù)期的性能狀況為：宏觀損壞程度為輕度損壞；關(guān)鍵構(gòu)件為輕微損壞；普通豎向構(gòu)件為輕微損壞；耗能構(gòu)件為輕度損壞、部分中度損壞；繼續(xù)使用的可能性為一般修理后可繼續(xù)使用。本工程的關(guān)鍵構(gòu)件為底部加強(qiáng)區(qū)的剪力墻、柱和斜柱。

表3 小震時(shí)程分析與反應(yīng)譜法計(jì)算得到的層間位移角和底部剪力匯總

(a) X地震層間位移角

(b) Y地震層間位移角

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，中震不屈服工況下，墻、柱配筋結(jié)果與小震彈性計(jì)算配筋相差不大，僅較少柱配筋大于彈性分析，說明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有較大的承載力富裕；梁的配筋在一些部位(與筒體剪力墻相連的梁)有較大不同，說明作為耗能構(gòu)件的梁，在中震作用時(shí)已經(jīng)進(jìn)入屈服階段。

從表4、表5可看到，典型剪力墻和柱子的抗剪承載力富余度較大，能夠保證結(jié)構(gòu)中震不屈服。

表4 一、二層中震不屈服抗剪驗(yàn)算(柱)

樓板在地震過程中起到傳遞和分配水平力、協(xié)調(diào)同一樓層結(jié)構(gòu)變形的作用，尤其中間連接部位的樓板，必須起到傳遞兩部分間剪力、保證疏散通道安全的作用，因此性能設(shè)計(jì)目標(biāo)應(yīng)提高，應(yīng)保證其在地震作用下有足夠的連接剛度。對于樓板中應(yīng)力較大部位按 “中震彈性”性能目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，計(jì)算時(shí)取水平地震影響系數(shù)最大值αmax=0.12，材料強(qiáng)度為設(shè)計(jì)強(qiáng)度，各荷載工況分項(xiàng)系數(shù)與小震相同，不考慮地震組合時(shí)的內(nèi)力調(diào)整，不考慮風(fēng)荷載作用。本工程還單獨(dú)計(jì)算了風(fēng)荷載作用下的樓板應(yīng)力，進(jìn)一步驗(yàn)證按“中震彈性”進(jìn)行設(shè)計(jì)的可靠性。經(jīng)驗(yàn)算，中震作用下，在代表性樓層中，100 mm厚的C30樓層板壓應(yīng)力約在0.1～2.5 MPa之間，小于混凝土設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度14.3 MPa；拉應(yīng)力在0.3～3.2 MPa之間，局部位置大于混凝土設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度1.43 MPa?？紤]樓板中的鋼筋作用，通過加強(qiáng)樓板配筋，可以保證樓板的中震彈性性能。設(shè)計(jì)中還考慮增加較大洞口周邊的樓板厚度至120 mm，進(jìn)一步保證樓板的抗震性能。

表5 一、二層中震不屈服抗剪驗(yàn)算(剪力墻)

5.3 大震動(dòng)力彈塑性分析

大震動(dòng)力彈塑性分析采用兩種軟件分別進(jìn)行計(jì)算，兩種軟件均采用相同的7條波，最后層間位移角和層剪力各自取7條波的平均值，計(jì)算結(jié)果見圖6。

在罕遇地震作用下， 各樓層的層間位移角均滿足JGJ 3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》3.7.5條1/100 的限值要求；剪力沿豎向分布也比較均勻，沒有突變現(xiàn)象。兩種軟件計(jì)算結(jié)果基本一致。

關(guān)鍵豎向構(gòu)件性能設(shè)計(jì)目標(biāo)為C級，大震下需要達(dá)到第4性能水準(zhǔn)的要求，即“大震不屈服”。

根據(jù)Midas軟件計(jì)算結(jié)果，在大震下所有柱位移延性系數(shù)均小于1，說明柱子均未屈服。但是位于6～8層結(jié)構(gòu)剛度發(fā)生變化處的柱子，尤其是角柱位移延性相對較大。此外，有3 %左右的墻體有開裂，主要集中在1～18層部分墻和連梁兩邊的小墻肢，但是這些墻內(nèi)部的鋼筋沒有屈服，連梁、剪力墻、柱抗剪截面計(jì)算結(jié)果均滿足要求，大震下剪力墻結(jié)構(gòu)基本未屈服。關(guān)鍵構(gòu)件達(dá)到性能目標(biāo)。

(a) X向?qū)娱g位移角平均值

(b) Y向?qū)娱g位移角平均值

普通豎向構(gòu)件在大震下可允許部分屈服，但需進(jìn)行受剪截面驗(yàn)算，避免斜壓脆性破壞。經(jīng)計(jì)算，所有普通豎向構(gòu)件的承載力均滿足JGJ 3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第3.11.3第4條規(guī)定。普通豎向構(gòu)件達(dá)到性能目標(biāo)。

8 %左右的梁曲率延性系數(shù)大于1，說明部分梁端部出現(xiàn)屈服，處于彈塑性階段，但絕大部分塑性轉(zhuǎn)角不大。約0.5 %的框架梁曲率延性系數(shù)大于20，進(jìn)入屈服狀態(tài)，施工圖設(shè)計(jì)時(shí)加強(qiáng)筒體周邊與外框柱相連的框架梁兩端箍筋的配筋，充分保證其延性性能，提高其抗震能力。

5.4 斜柱節(jié)點(diǎn)分析

本項(xiàng)目中出現(xiàn)斜柱，斜柱下部節(jié)點(diǎn)受力較復(fù)雜，且是關(guān)鍵構(gòu)件。運(yùn)用ANSYS有限元軟件對該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行大震不屈服分析，根據(jù)應(yīng)力分析結(jié)果對節(jié)點(diǎn)配筋進(jìn)行設(shè)計(jì)(圖7)。

先用SATWE進(jìn)行大震不屈服計(jì)算，得到斜柱最大軸力、最大剪力和最大彎矩三個(gè)工況(對于本項(xiàng)目，三個(gè)工況重合)。然后將此內(nèi)力施加在ANSYS模型的斜柱上，得到梁端主應(yīng)力和節(jié)點(diǎn)剪力并以此驗(yàn)算梁端受拉是否滿足要求并復(fù)核節(jié)點(diǎn)箍筋。

經(jīng)計(jì)算，在大震不屈服工況下，節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土拉應(yīng)力約為4.1～8.2 MPa，超出C60混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(2.85 MPa)；壓應(yīng)力約為24～28 MPa，小于C60混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(38.5 MPa)。因此，需要在節(jié)點(diǎn)區(qū)增加箍筋，保證節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度，同時(shí)還要加強(qiáng)與斜柱相連的框架梁縱向筋，應(yīng)對斜柱產(chǎn)生的拉力。

圖7 辦公樓斜柱節(jié)點(diǎn)有限元模型

構(gòu)造措施上，加強(qiáng)斜柱層及其相鄰上下層樓板的厚度及配筋,斜柱抗震等級提高一級。

6 結(jié)論

(1)本工程為高度超限的超高層建筑，根據(jù)本工程的具體情況，按高規(guī)設(shè)定抗震性能目標(biāo)為結(jié)構(gòu)總體D級，關(guān)鍵構(gòu)件C級。

(2)大震下動(dòng)力彈塑性分析表明，結(jié)構(gòu)形成了連梁、框架梁、剪力墻陸續(xù)破壞的多道防線，抗震性能達(dá)到并超過設(shè)定的性能目標(biāo)。

(3)中震計(jì)算分析結(jié)果表明，樓板在中震和風(fēng)荷載作用下都處于彈性，但在樓板開洞周邊和結(jié)構(gòu)角部出現(xiàn)有應(yīng)力集中現(xiàn)象，可適當(dāng)加強(qiáng)板厚(120 mm)和配筋。

(4) 大震不屈服水準(zhǔn)下斜柱節(jié)點(diǎn)驗(yàn)算表明,需對斜柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加強(qiáng)。

(5)結(jié)構(gòu)總體達(dá)到了高規(guī)中性能目標(biāo)D級的要求,關(guān)鍵構(gòu)件達(dá)到了C級的要求。

[1] 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn). GB 50011-2010 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] 中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn). JGJ 3-2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[3] 重慶市城鄉(xiāng)建設(shè)委員會(huì). 重慶市超限高程建筑工程界定規(guī)定(2010年版)[S].2010.

[4] 中機(jī)中聯(lián)工程有限公司. 寶蓮國際都會(huì)項(xiàng)目1、2號(hào)樓建筑結(jié)構(gòu)工程超限設(shè)計(jì)的可行性論證報(bào)告[R].2015.

TU973.3+1

A

[定稿日期]2017-05-22

李哲剛(1976～)，男，碩士，一級注冊結(jié)構(gòu)師，高級工程師，從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。