楊浦區(qū)某商辦項(xiàng)目C塔樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉亞楠

（華東建筑設(shè)計(jì)研究總院，上海 200002）

1 工程概況

楊浦區(qū)某商辦項(xiàng)目，地上部分是由1棟22層標(biāo)志性高層辦公樓（C塔樓）、2棟8層辦公樓（A、D塔樓）、1棟5層辦公樓（B塔樓）及1棟110KV市政變電站組成。地下3層，地下2～3層為車庫(kù)， 地下1層為商業(yè)?？偨ㄖ娣e114529m2，其中地上面積約70949m2，地下面積約43580m2。建筑效果圖見(jiàn)圖1。

圖1 楊浦區(qū)平?jīng)鼋值?0街坊效果圖

標(biāo)志性辦公樓C塔樓，結(jié)構(gòu)高度96.5m，平面尺寸45.5m×45.5m，結(jié)構(gòu)體系為框架—核心筒。典型建筑平面圖見(jiàn)圖2。

圖2 楊浦區(qū)平?jīng)鼋值?0街坊C塔樓典型平面圖

2 C塔樓結(jié)構(gòu)選型

C塔樓采用樁+筏板式基礎(chǔ)?？紤]到成樁可行性、單樁承載力、沉降變形、工程造價(jià)以及方便布樁等因素，經(jīng)分析比較，采用直徑700mm的泥漿護(hù)壁鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)42m，以⑦2層灰黃～灰色粉砂為持力層，同時(shí)進(jìn)行樁端后注漿，以提高單樁承載力并減小絕對(duì)沉降量，單樁豎向承壓承載力的特征值為4100kN，計(jì)算結(jié)果顯示最大沉降量6.5cm，滿足了規(guī)范要求。塔樓C基礎(chǔ)示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 塔樓C基礎(chǔ)示意圖

3 結(jié)構(gòu)體系

塔樓C的結(jié)構(gòu)高度96.5m，共22層（不含屋面機(jī)房層），結(jié)構(gòu)高度96.5m，采用鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)。核心筒位于塔樓平面的中部，墻體布置基本對(duì)稱；在17層樓面以上，核心筒南側(cè)因電梯井道取消而內(nèi)收約3m，除兩處小片剪力墻不能伸至屋面，其余核心筒墻體和框架柱均上下連續(xù)。結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的側(cè)向設(shè)計(jì)主要受控于地震效應(yīng)的作用，核心筒作為結(jié)構(gòu)的第1道防線承擔(dān)了大部分的水平地震作用和風(fēng)荷載，外圍框架組成結(jié)構(gòu)的第2道防線，并按相應(yīng)比例承擔(dān)其余的水平地震作用和風(fēng)荷載。

4 超限判別及措施

塔樓C存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、樓板局部不連續(xù)、局部豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)的3項(xiàng)不規(guī)則，但采用了抗震性能良好的框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，并合理布置關(guān)鍵構(gòu)件。在多遇地震作用下的各項(xiàng)指標(biāo)均可滿足規(guī)范要求。塔樓超限判別見(jiàn)表1。

表1 塔樓超限判別

針對(duì)上述超限，在設(shè)計(jì)中采取以下措施，確保塔樓C的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)設(shè)防水準(zhǔn)下的抗震性能目標(biāo)：

措施1：加強(qiáng)計(jì)算分析。采用2個(gè)獨(dú)立軟件ETABS和SATWE 進(jìn)行多遇地震作用下的計(jì)算分析，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比；采用ETABS軟件進(jìn)行彈性時(shí)程分析，并與振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行對(duì)比；采用PERFORM-3D進(jìn)行靜力彈塑性分析，進(jìn)一步分析結(jié)構(gòu)在大震作用下的抗震性能。

措施2：對(duì)樓板進(jìn)行應(yīng)力分析，并根據(jù)結(jié)對(duì)部分區(qū)域的樓板配筋進(jìn)行加強(qiáng)處理；此區(qū)域的穿層柱縱筋適當(dāng)加強(qiáng)，箍筋全長(zhǎng)加密。

措施3：第2層西側(cè)樓板大開(kāi)洞，此層樓板雙層雙向配筋并提高配筋率；此區(qū)域的穿層柱縱筋適當(dāng)加強(qiáng)，箍筋全長(zhǎng)加密。

措施4：在L16層兩小片剪力墻的轉(zhuǎn)換處，在連梁及墻肢的邊界單元中配置了適當(dāng)型鋼進(jìn)行加強(qiáng)。

措施5：按照規(guī)范要求，外框地震剪力按底部總剪力20%和除加強(qiáng)層外最大層框架剪力 1.5倍二者的較小值調(diào)整，在大震作用下，外框架能夠起到2道防線的作用。

措施6：按照規(guī)范要求，基礎(chǔ)底板面到第4層樓板之間的剪力墻，按加強(qiáng)區(qū)的剪力墻來(lái)設(shè)計(jì)。

5 整體計(jì)算指標(biāo)

分析軟件為ETABS，同時(shí)采用PKPM系列的SATWE軟件進(jìn)行校核計(jì)算。塔樓計(jì)算模型見(jiàn)圖4。塔樓彈性計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

圖4 塔樓計(jì)算模型

表2 塔樓彈性計(jì)算結(jié)果

6 樓板應(yīng)力分析

2層樓板因有較大開(kāi)洞，樓板可能產(chǎn)生較大應(yīng)力。因此，本研究利用ETABS軟件對(duì)塔樓進(jìn)行了樓板應(yīng)力分析，確定了這層樓板在重力荷載以及地震荷載作用下的應(yīng)力，并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)樓板配筋。有限元分析中保留了原有的核心筒、外框及樓面梁等構(gòu)件，并且將筒外樓板設(shè)為殼單元，并根據(jù)既定幾何對(duì)殼單元細(xì)化分解。圖5為第2層樓板的分析模型。

圖5 第2層樓板分析模型

在 重力（1.0DL+0.5LL）及常遇地震荷載工況（1.0DL+0.5LL+1.0FREQ）下的最大拉應(yīng)力見(jiàn)圖6～9所示。S11代表樓板殼單元沿東西方向拉應(yīng)力，S22代表殼單元沿南北方向拉應(yīng)力。樓板在小震下設(shè)計(jì)為不屈服。樓板的配筋必須要對(duì)這些拉力需求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖6 第2層-重力荷載 1.0DL + 0.5LL

圖7 第2層-重荷載 1.0DL + 0.5LL

圖8 第2層-X向地震力 CSXS

圖9 第02層-Y向地震力 CSYS

對(duì)于樓板的配筋設(shè)計(jì)，假設(shè)一旦樓板開(kāi)裂，所有的拉力都由鋼筋承擔(dān)。鋼筋的抗拉應(yīng)力承載力可由配筋率乘以鋼筋屈服應(yīng)力。表3列出了不同配筋率的樓板應(yīng)力承載力。

表3 按不同百分比配筋的樓板屈服應(yīng)力(鋼筋 HRB400, fyk=400 MPa)

根據(jù)分析出的主應(yīng)力云圖，得出所需樓板的應(yīng)力承載力，額外所需增加配筋如圖10所示。

圖10 第2層樓板配筋布置

基于樓板的有限元分析，可知2層樓板沒(méi)有出現(xiàn)較大應(yīng)力。在核心筒南側(cè)樓板增加額外0.5%鋼筋，在3層同一位置樓板也增加額外0.5%的鋼筋。

7 C樓彈性時(shí)程分析

彈性時(shí)程分析采用的地震波為《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)程》DGJ08-9-2013附錄A中提供的7條多遇地震時(shí)程曲線，其特征周期為0.9s。其中2組人工時(shí)程波（USER1，USER2） 和 5組 天 然 時(shí) 程 波（USER3，USER4，USER5，USER6，USER7）分別對(duì)應(yīng)DGJ08-9-2013附錄A中的SHW1～SHW7。通過(guò)頻譜分析并與規(guī)范反應(yīng)譜進(jìn)行比較，上述7條地震波基本滿足規(guī)范的選波要求。

在彈性時(shí)程分析中，每條時(shí)程曲線計(jì)算所得的結(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%，7條時(shí)程曲線計(jì)算所得的結(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85%,滿足規(guī)范GB50011-2010-5.1.2的要求。時(shí)程分析的結(jié)果略小于規(guī)范反應(yīng)譜，多遇地震下的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可按規(guī)范反應(yīng)譜進(jìn)行。

圖11 50年63%的模擬波與小震規(guī)范譜和場(chǎng)地譜比較

圖12 50年63%的天然波與小震規(guī)范譜和場(chǎng)地譜比較

表4 X方向剪力比較

表5 Y方向剪力比較

表6 X方向?qū)娱g位移角比較

表7 Y方向?qū)娱g位移角比較

8 靜力彈塑性分析

非線性非彈性分析目的是為了評(píng)估在罕遇地震作用下的結(jié)構(gòu)安全性。在罕遇地震作用下，建筑不應(yīng)倒塌，但能接受一定程度的構(gòu)件損壞。

計(jì)算模型首先對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行豎向荷載的加載，考慮1.0恒載+0.5活載。程序考慮材料非線性的影響，其中 混 凝 土 材 料 嚴(yán) 格 按 規(guī) 范 GB50010-2010-5.5.1.2 建議取值。鋼筋HRB400材料本構(gòu)關(guān)系按混凝土規(guī)范GB50010-2010附錄C的非屈服點(diǎn)鋼材本構(gòu)關(guān)系定義。在考慮結(jié)構(gòu)材料非線性的影響下，對(duì)加載豎向荷載后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震水平作用的推覆分析，得到結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的響應(yīng)。

表8 X方向樓層剪力比較

表9 Y方向樓層剪力比較

根據(jù)規(guī)范GB50011-2010第5.5.5節(jié)中的建議，側(cè)向彈塑性層間位移比不應(yīng)大于1/100。

彈塑性分析的總體結(jié)論是結(jié)構(gòu)在大震下的性能表現(xiàn)合理，結(jié)構(gòu)沒(méi)有受到嚴(yán)重破壞或者倒塌。具體情況如下：

大震作用下，外圍框架柱僅在塔樓頂部位置有一些屈服，底部柱子保持彈性。

大震作用下，約60%的外圍框架梁進(jìn)入塑性，但是程度較輕，沒(méi)有超出立即使用極限。約70%的樓面框架梁進(jìn)入塑性，但是程度較輕沒(méi)有超出生命安全極限。

大震作用下，大部分連梁抗彎屈服，進(jìn)入塑性階段，約有50%的連梁超過(guò)立即使用極限，無(wú)連梁超出生命安全極限和防止倒塌極限。底部及轉(zhuǎn)換層局部連梁考慮內(nèi)嵌型鋼作為抗剪加強(qiáng)。連梁塑性行為能有效的消散地震能量。

大震作用下，剪力墻的混凝土內(nèi)壓應(yīng)變都在0.002范圍之內(nèi)，沒(méi)有出現(xiàn)混凝土受壓破壞。墻肢中鋼筋在大震下也沒(méi)有出現(xiàn)屈服的現(xiàn)象。按0.5%典型抗剪配筋，局部0.7%抗剪配筋加強(qiáng)，所有墻肢都能通過(guò)斜截面抗剪驗(yàn)算。

圖13 X方向

圖14 Y方向

大震作用下，X方向最大層間的位移比為 1/190，Y方向最大層間位移比為1/144，均小于1/100，滿足規(guī)范要求。

9 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目C塔樓主要的結(jié)構(gòu)特征為平面及豎向不規(guī)則導(dǎo)致結(jié)構(gòu)超限。

（1）合理選擇結(jié)構(gòu)體系，布置關(guān)鍵構(gòu)件，核心筒會(huì)抵抗大部分的風(fēng)及地震側(cè)向力，外圍框架按相應(yīng)比例承擔(dān)部分側(cè)向荷載，以形成雙重側(cè)力系統(tǒng)。

（2）樓板開(kāi)大洞，通過(guò)軟件對(duì)塔樓進(jìn)行了樓板應(yīng)力分析，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)樓板配筋設(shè)計(jì)。并針對(duì)薄弱部位采取加強(qiáng)措施

（3）塔樓彈性時(shí)程分析，分析的結(jié)果略小于規(guī)范反應(yīng)譜，多遇地震下的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可按規(guī)范反應(yīng)譜進(jìn)行。

（4）靜力彈塑性分析顯示結(jié)構(gòu)在大震下位移滿足了規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)的性能表現(xiàn)合理，沒(méi)有受到嚴(yán)重破壞或者倒塌，證明了結(jié)構(gòu)的安全性。

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