西咸新區(qū)某超限高層寫字樓結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)

王洪臣 張 濤 岳焱超

(1.中國建筑西北設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710018； 2.西安交通大學(xué)，陜西 西安 710054)

1 工程概況

該寫字樓位于西咸新區(qū)能源金貿(mào)區(qū)內(nèi)，地下室為地下車庫及配套機(jī)房，地上為辦公。本建筑為一類高層，總面積58 080 m2，標(biāo)準(zhǔn)層尺寸約44.1 m×44.1 m，結(jié)構(gòu)高寬比3∶1。外圍框架柱距為6.2 m，外圍柱與核心筒之間距離為12.4 m，建筑總高度136.1 m，地上30層，地下2層，其中1層，2層高6 m，標(biāo)準(zhǔn)層層高4.2 m，在11層，22層設(shè)置2個(gè)避難層。在第23層～25層向東、南方向懸挑9 m，同時(shí)西、北側(cè)凹進(jìn)，形成體塊交錯(cuò)的標(biāo)志性形象。建筑效果圖如圖1所示。

2 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)體系

本工程采用全鋼結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)體系采用鋼框架—支撐體系，框架柱采用矩形鋼管混凝土柱，以滿足框架柱長細(xì)比及軸壓比的要求。外圍框架由鋼管混凝土柱與H型鋼梁組成，核心筒位于建筑

的中央位置，在核心筒四個(gè)角布置豎向支撐，形成鋼支撐框架。外圍框架梁柱之間、外圍框架梁與內(nèi)部核心筒之間均采用剛接，形成鋼框架—支撐雙重抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系。核心筒為主要的抗側(cè)力體系，承擔(dān)主要的地震剪力，框架及懸挑桁架作為次要的抗側(cè)力體系，承擔(dān)部分地震作用。支撐均采用人字形中心支撐支撐?？蚣芸拐鸬燃?jí)為一級(jí)，支撐抗震等級(jí)也為一級(jí)。

23層～25層外挑部分采用四榀三層高的平面懸挑桁架來實(shí)現(xiàn)；25層～30層，結(jié)構(gòu)整體自核心筒外挑12.4 m，結(jié)構(gòu)采取三層懸挑桁架作為轉(zhuǎn)換層，以支托自身重量及上部樓層的所有豎向荷載。

結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層平面圖及結(jié)構(gòu)示意圖如圖2，圖3所示。

2.2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置

2.2.1核心筒支撐框架

結(jié)構(gòu)核心筒四角采用支撐框架，布置均勻、對稱，框架支撐自基礎(chǔ)頂面上下貫穿整個(gè)結(jié)構(gòu)，且沿豎向連續(xù)，無間斷。核心筒平面為方形，尺寸為18.6 m×18.6 m，高寬比約為7.3。核心筒自下而上均采用人字形中心支撐，考慮自核心筒直接外挑樓層的傳力要求，核心筒局部采用十字形交叉支撐。核心筒內(nèi)所有框架柱均采用矩形鋼管混凝土框架柱，鋼材采用Q345系列，根據(jù)GB 50936—2014鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范框架柱軸壓比限值為0.7?？蚣苤匦武摴艹叽缬傻撞?00×900逐步減小為700×700，厚度由底部40 mm逐步減小為20 mm，鋼管內(nèi)填充混凝土強(qiáng)度等級(jí)自下而上從C60逐步減小為C40。核心筒外圍框架梁采用工字型鋼，規(guī)格為700×400×16×35，支撐中采用H型鋼，規(guī)格為600×300×30×30。

2.2.2外圍框架

外圍框架由矩形鋼管混凝土柱和鋼梁組成，框架柱的矩形鋼管尺寸由底部900×900逐步減小為700×700，厚度由底部40 mm逐步減小為20 mm，鋼管內(nèi)填充混凝土強(qiáng)度等級(jí)自下而上從C60逐步減小為C40。鋼梁采用工字鋼，外圍框架平面內(nèi)梁柱均為剛接，外圍框架柱與內(nèi)部核心筒框架柱之間也采用剛接。

2.2.3懸挑桁架

23層～25層外挑部分，采用四榀與核心筒支撐框架相連、3層高度的平面桁架來實(shí)現(xiàn)，外懸挑部分采用斜拉桿，懸挑9 m。由于建筑角部空間及其功能的要求，軸與⑧軸角部處無法設(shè)置斜桿桁架，所以在本工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，采用在四榀桁架的平面外縱向設(shè)置三層高副桁架進(jìn)行外挑的作法，最大外懸挑跨度達(dá)到21 m。

25層以上，整體自核心筒框架支撐外懸挑12.4 m，采取三層轉(zhuǎn)換桁架，以支托向外懸挑的柱子，在26層～28層核心筒角部，軸與?軸相交處設(shè)置十字交叉中心支撐，以便均勻的傳遞豎向壓力于下部豎向構(gòu)件(見圖4)。

2.2.4樓板

采用高層建筑常用的組合樓板形式，擬選擇鋼筋桁架樓承板組合梁板體系，樓面梁采用工字鋼梁，一般樓層跨度約為12 m，次梁間距約3 m。次梁鋼材采用Q345B，樓板混凝土強(qiáng)度等級(jí)采用C40，一般樓層板厚為110 mm，懸挑層樓板局部加厚為150 mm。

在計(jì)算整體抗震指標(biāo)時(shí)，按照剛性樓板的假定考慮。計(jì)算應(yīng)力及配筋時(shí)，大懸挑部分樓層，由于外挑桁架的存在，剛性樓板假定會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確，故在整體計(jì)算時(shí)，懸挑桁架層樓板均按照彈性樓板考慮。同時(shí)，對于懸挑樓層的樓板進(jìn)行了舒適度的驗(yàn)算，樓蓋豎向振動(dòng)加速度不應(yīng)大于《高鋼規(guī)》3.5.7條的限值要求。

3 結(jié)構(gòu)超限類別判定

根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》建質(zhì)[2015]67號(hào)文件附件1中所述內(nèi)容[1]，對本工程的超限情況作如下判定：

高度是否超限判別：根據(jù)附件1中的表1(超限高層建筑工程高度超限判別)及《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》[2]，本工程地上結(jié)構(gòu)總高度約136 m，未超過規(guī)范8度區(qū)鋼框架—支撐結(jié)構(gòu)最大高度180 m的規(guī)定，故建筑高度不超限。

不規(guī)則性是否超限判別：根據(jù)附件1中的表2～表4的內(nèi)容，逐條對照檢查，結(jié)構(gòu)存在的超限情況如下：

1)偏心布置；

2)尺寸突變；

3)豎向構(gòu)件不連續(xù)。

根據(jù)《審查要點(diǎn)》，本工程屬于需進(jìn)行超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查的項(xiàng)目。

4 結(jié)構(gòu)彈性分析

4.1 計(jì)算方法

對于體型復(fù)雜、結(jié)構(gòu)布置復(fù)雜的高層建筑,應(yīng)至少采用兩個(gè)不同力學(xué)模型的結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行整體計(jì)算分析，本文采用兩種空間結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件(YJK和Midas Gen)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算。

4.2 結(jié)構(gòu)周期

YJK和Midas Gen兩種軟件計(jì)算周期見表1，由表1中數(shù)據(jù)可以看出，YJK和Midas Gen兩種軟件計(jì)算的結(jié)構(gòu)周期及周期比等數(shù)據(jù)結(jié)果基本一致。結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期T3與平動(dòng)為主的第一平動(dòng)周期T1之比均小于0.85，且前兩個(gè)周期的扭轉(zhuǎn)成分均小于10%，滿足規(guī)范要求。

4.3 整體結(jié)構(gòu)振型

根據(jù)YJK和Midas Gen的分析，結(jié)構(gòu)兩個(gè)水平X,Y方向及豎向地震的振型質(zhì)量參與系數(shù)均大于90%，滿足規(guī)范要求。計(jì)算結(jié)果見表2，YJK計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)前6階振型如圖5所示。

4.4 結(jié)構(gòu)層間位移角

多遇地震作用下，X向、Y向地震作用下全樓最大層間位移角所在的層均位于地上10層，X向?yàn)?/453(1/478)；Y向?yàn)?/451(1/473)。

注：括號(hào)內(nèi)數(shù)值為Midas Gen計(jì)算結(jié)果。

結(jié)構(gòu)兩個(gè)方向的樓層層間最大位移均小于1/300，滿足規(guī)范要求[3]。YJK和Midas Gen兩種軟件地上部分的計(jì)算結(jié)果及對比見圖6。

表1 結(jié)構(gòu)的周期及周期比

表2 振型質(zhì)量參與系數(shù) %

4.5 樓層側(cè)向剛度比

按照《高鋼規(guī)》3.3.10條[4]，對于框架—支撐結(jié)構(gòu)，樓層與相鄰上層的側(cè)向剛度比應(yīng)按照式3.3.10-2計(jì)算，考慮層高修正的樓層側(cè)向剛度比宜滿足規(guī)范的要求。其中Ratx2,Raty2為X,Y方向本樓層側(cè)移剛度與上一層相應(yīng)樓層側(cè)移剛度90%,110%或者150%比值。110%指當(dāng)本層層高大于相鄰上層層高1.5倍時(shí)、150%指嵌固層。

由計(jì)算結(jié)果可知，除22層接近規(guī)范限值外，其余樓層均滿足規(guī)范關(guān)于層間剛度比的要求，由于0.97略小于1.0的限值，故在設(shè)計(jì)中對樓層水平地震力進(jìn)行了放大1.15倍處理,結(jié)果見圖7。

4.6 剛重比及基礎(chǔ)抗傾覆驗(yàn)算

根據(jù)JGJ 99—2015第6.1.7條的規(guī)定[4]，結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性應(yīng)滿足式6.1.7-2的要求，其中，EJ為結(jié)構(gòu)的彈性等效側(cè)向剛度，近似按照倒三角形分布荷載作用下結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移相等的原則，將結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度折算成豎向懸臂受彎構(gòu)件的等效側(cè)向剛度。YJK計(jì)算的X,Y方向的剛重比分別為3.42和3.41，滿足《高鋼規(guī)》6.1.7的整體穩(wěn)定驗(yàn)算要求。

根據(jù)GB 50011—2010第4.2.4條[3]及JGJ 99—2015第3.4.6條[4]的要求，根據(jù)YJK計(jì)算數(shù)據(jù)主樓基礎(chǔ)底面零應(yīng)力區(qū)驗(yàn)算見表3，計(jì)算結(jié)果顯示，在未考慮基礎(chǔ)自重的有利影響下，基底均未出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū)。結(jié)構(gòu)具有足夠的抗傾覆安全度，整體抗傾覆驗(yàn)算滿足設(shè)計(jì)的要求。

表3 整體抗傾覆驗(yàn)算結(jié)果

4.7 最大扭轉(zhuǎn)位移比

YJK和Midas Gen在考慮偶然偏心影響的規(guī)定水平地震作用下，計(jì)算樓層豎向構(gòu)件最大水平位移和樓層平均位移值的比值(扭轉(zhuǎn)位移比)。其數(shù)值均小于1.2，滿足規(guī)范的要求。

4.8 總結(jié)

通過以上重要指標(biāo)的對比、分析，YJK與Midas Gen兩種軟件的計(jì)算結(jié)果基本一致，這說明計(jì)算結(jié)果合理有效，計(jì)算模型符合結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀況。結(jié)構(gòu)周期和自重適中，剛度比符合規(guī)范要求，位移小于規(guī)范的限值要求，構(gòu)件截面取值合理，結(jié)構(gòu)體系選擇適當(dāng)。

5 結(jié)語

本工程位于高烈度區(qū)，且為Ⅲ類場地土，地震作用明顯，抗震要求高，在確定結(jié)構(gòu)方案時(shí)，從經(jīng)濟(jì)性方面比較過混合結(jié)構(gòu)，但混凝土墻斷面太大，且從試算結(jié)果來看，抗震性能不理想。根據(jù)日本和美國規(guī)范，在高烈度區(qū)采用混合結(jié)構(gòu)有非常嚴(yán)格的限制，所以本工程最終采用全鋼結(jié)構(gòu)體系。綜合各階段的計(jì)算分析，結(jié)構(gòu)整體滿足規(guī)范相應(yīng)要求，說明采用鋼框架—支撐結(jié)構(gòu)體系方案完全可行。

[1] 建質(zhì)[2015]67號(hào),超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)[Z].2015.

[2] GB 50936—2014,鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范[S].

[3] GB 50011—2010,建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4] JGJ 99—2015,高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].