威星智能總部大樓結(jié)構(gòu)設(shè)計

1 工程概況

威星智能總部大樓位于杭州市余杭區(qū)良渚街道,項目地上12層,地下2層,屋面結(jié)構(gòu)高度48.9 m,首層層高6.0 m,標(biāo)準(zhǔn)層層高3.9 m,主要功能為廠房,效果圖見圖1。建筑東西兩側(cè)主樓通過兩連廊連接,形成中部12層通高采光廳,典型建筑平面見圖2,東側(cè)主樓采用兩層通高的鋼結(jié)構(gòu)斜撐轉(zhuǎn)換,實現(xiàn)建筑南北兩端首層無柱的大空間效果,同時東側(cè)主樓南北兩端由于通高屋頂花園的存在,在不同樓層出現(xiàn)了穿層柱。

圖1 建筑效果圖

圖2 典型建筑平面

2 結(jié)構(gòu)體系

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要參數(shù)

本項目設(shè)計基準(zhǔn)周期為50年,建筑安全等級二級,結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.0,建筑設(shè)防分類為丙類。抗震設(shè)防烈度為6度,設(shè)計基本加速度峰值為0.05 g,建筑場地類別為Ⅲ類,設(shè)計地震分組為第一組,場地特征周期為0.45 s,基本風(fēng)壓為0.45 kN/m2,地面粗糙度B類。多遇地震彈性分析時結(jié)構(gòu)阻尼比取0.05,周期折減系數(shù)取0.75；采用等效彈性法進(jìn)行設(shè)防地震和罕遇地震計算時的阻尼比和周期折減系數(shù)取值見下文。

本工程屬于A級高度,根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(JGJ 3—2010)》[1](以下簡稱《高規(guī)》)的規(guī)定,上部結(jié)構(gòu)剪力墻抗震等級為三級,框架抗震等級為四級。考慮到本項目連廊連接部位及轉(zhuǎn)換部位受力的復(fù)雜性,將與連廊相連的剪力墻筒體(已包含轉(zhuǎn)換部位剪力墻)及連廊的框架梁抗震等級提高為二級；轉(zhuǎn)換區(qū)域斜撐及與斜撐相連的框架梁(內(nèi)伸一跨)抗震等級也提高為二級；與斜撐相連的框架梁內(nèi)伸一跨相交的框架柱抗震等級提高為三級[2]。

本項目所選用的混凝土強度等級為C30～C50,鋼筋均采用HRB400,普通鋼構(gòu)件選用Q345B,斜撐及與斜撐相連的鋼梁(斜撐方向)采用Q390B。

2.2 結(jié)構(gòu)體系

本項目采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu),與連廊連接部位設(shè)置4個剪力墻筒體,標(biāo)準(zhǔn)層典型結(jié)構(gòu)平面布置見圖3。東側(cè)主樓2～3層通過鋼結(jié)構(gòu)斜撐轉(zhuǎn)換南北端首排柱子,與鋼梁相連柱采用型鋼混凝土柱,鋼梁延伸一跨范圍采用型鋼混凝土梁,轉(zhuǎn)換部位三維圖見圖4。

圖3 典型平面布置

圖4 轉(zhuǎn)換部位三維圖

2.3 結(jié)構(gòu)超限情況及性能目標(biāo)

本項目存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則(偏心布置)、樓板不連續(xù)、豎向構(gòu)件間斷、承載力突變、含局部穿層柱等5項不規(guī)則。針對上述不規(guī)則情況,從結(jié)構(gòu)體系、設(shè)計內(nèi)力調(diào)整、增強重要構(gòu)件延性等方面著手,采取抗震性能設(shè)計方法進(jìn)行分析設(shè)計,本項目按C級性能目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計。將底部加強區(qū)所有豎向構(gòu)件、斜撐、吊柱、被抬柱首層、轉(zhuǎn)換區(qū)域的豎向構(gòu)件及框架梁定義為關(guān)鍵構(gòu)件,其余框架梁和剪力墻連梁定義為耗能構(gòu)件,地下室及其余豎向構(gòu)件按普通豎向構(gòu)件設(shè)計。具體性能水準(zhǔn)見表1。

表1 結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震承載力性能水準(zhǔn)

3 結(jié)構(gòu)分析和結(jié)果

3.1 分析與設(shè)計要點

本項目的結(jié)構(gòu)靜力分析、彈性時程分析采用YJK軟件(1.8.2.2版),彈塑性動力時程分析采用PKPM-SAUSAGE(V3.1版)[3],整體指標(biāo)對比采用YJK和MIDAS Building(V2016版)。根據(jù)項目的特點和不規(guī)則性,結(jié)構(gòu)分析要點如下：

1)由于本項目樓板不連續(xù)情況較嚴(yán)重,因此上部所有樓層均采用彈性膜計算,不考慮樓板的面外剛度。補充小震、中震作用下的連廊部位樓板應(yīng)力分析以及大震作用下樓板損傷及鋼筋塑性應(yīng)變,同時分別計算東西側(cè)主樓斷開情況下的動力特性。

2)基于斜撐轉(zhuǎn)換區(qū)域的重要性,轉(zhuǎn)換區(qū)域樓板按應(yīng)力配筋,并補充此區(qū)域 “零樓板”計算,梁按“零樓板”與彈性膜包絡(luò)結(jié)果配筋。

3)通過大震下動力彈塑性分析,找出結(jié)構(gòu)的薄弱部位,并采取相應(yīng)加強措施。

3.2 主要計算結(jié)果

3.2.1 風(fēng)荷載和多遇地震下彈性分析結(jié)果

采用MIDAS Building軟件和YJK軟件進(jìn)行分析,計算結(jié)果見表2。由表2可知,兩種軟件的結(jié)果較為吻合,其中前2階均為平動,第3階為扭轉(zhuǎn),第一扭轉(zhuǎn)周期和第一平動周期之比Tt/T1滿足規(guī)范要求。結(jié)構(gòu)前3階振型見圖5。

表2 風(fēng)荷載和多遇地震作用下計算結(jié)果

注：結(jié)構(gòu)自振周期中括號內(nèi)數(shù)據(jù)為平動系數(shù)+扭轉(zhuǎn)系數(shù)。

圖5 YJK前三階振型簡圖

3.2.2 設(shè)防烈度地震反應(yīng)

采用等效彈性法計算中震作用下的結(jié)構(gòu)反應(yīng),阻尼比取0.06,周期折減系數(shù)取0.85,連梁剛度折減系數(shù)取0.6。中震作用下關(guān)鍵構(gòu)件的配筋均在合理范圍內(nèi),未出現(xiàn)超筋現(xiàn)象,X向?qū)娱g位移角為1/1 332,Y向?qū)娱g位移角為1/1 056。本項目中震作用下,5層樓面以下局部墻肢出現(xiàn)較小拉應(yīng)力,拉力值均小于0.5ftk,5層樓面以上剪力墻、框架柱中震下均未出現(xiàn)拉應(yīng)力,對于出現(xiàn)拉應(yīng)力的構(gòu)件適當(dāng)提高豎向鋼筋配筋率[4]。各類構(gòu)件均滿足既定的承載力水準(zhǔn)要求。

3.2.3 罕遇地震作用下的動力彈塑性時程分析

對結(jié)構(gòu)進(jìn)行大震動力彈塑性分析,根據(jù)分析結(jié)果確定薄弱部位和薄弱構(gòu)件,對這些薄弱部位和構(gòu)件進(jìn)行針對性的加強,實現(xiàn)重要部位構(gòu)件不出現(xiàn)中度損壞的目標(biāo),滿足“大震不倒”的設(shè)防水準(zhǔn)要求。

按照規(guī)范要求選用一組人工波和兩組天然波。大震彈塑性時程分析得到的結(jié)構(gòu)最大基底剪力、CQC大震等效彈性法基底剪力、最大頂點位移、層間位移角最大值和發(fā)生樓層匯于表3中。大震動力彈塑性時程分析所得的基底剪力與CQC大震等效彈性法所得的基底剪力比值在68%～126%之間。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范(GB 50011—2010)》[5]第3.10.4條第3款及條文說明的要求,計算得到罕遇地震作用下的最大彈塑性層間位移角參考值X向為1/389,Y向為1/316。滿足性能4要求。

在進(jìn)行動力彈塑性時程分析過程中,對于出現(xiàn)中度損傷的關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行加強調(diào)整,直至滿足要求為止。對主要剪力墻進(jìn)行編號,見圖6(此處僅給出了東側(cè)主樓南端筒體剪力墻編號)。

圖6 典型墻肢編號示意

圖7 墻肢加強前后損傷對比圖(RGB1,X向)

圖8 全樓墻肢受壓損傷圖(RGB1,X向)

圖9 樓板損傷(RGB1-Y向)

圖10 樓板鋼筋塑性應(yīng)變

其中W1墻由于一層洞口上下錯開,導(dǎo)致兩洞口間墻肢有重度損壞。通過在洞口邊加設(shè)型鋼暗柱,使得此墻肢在大震下基本沒有損傷,加強前后此處墻肢的損傷對比圖見圖7；后續(xù)結(jié)果均為采取加強措施后的彈塑性動力分析的結(jié)果。圖8為全樓剪力墻墻肢受壓損傷圖。圖9為樓板的損傷,圖10為樓板鋼筋的塑性應(yīng)變(僅給出了局部幾層結(jié)果,其余層結(jié)果接近,此處省略)。從計算結(jié)果可知,關(guān)鍵構(gòu)件限于輕度損壞,普通豎向構(gòu)件限于中度損壞,只有部分耗能構(gòu)件發(fā)生比較嚴(yán)重的損壞,滿足性能水準(zhǔn)4的要求。轉(zhuǎn)換區(qū)域樓板完整性較好,受壓損傷值在0.2以內(nèi),代表該區(qū)域混凝土板尚未達(dá)到抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值,樓板處于輕度損傷狀態(tài)；連廊區(qū)域樓板沒有損傷,所有樓板鋼筋均沒有產(chǎn)生塑性應(yīng)變,說明在地震作用下連廊起的協(xié)調(diào)作用非常弱,大震作用下,連廊位置不會發(fā)生破壞。

4 結(jié) 語

本工程為規(guī)則性超限的復(fù)雜項目,采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系,根據(jù)結(jié)構(gòu)的特點在局部部位采用了鋼結(jié)構(gòu)、型鋼混凝土梁和型鋼混凝土柱。分析了地震作用下連廊對東西側(cè)主樓的協(xié)調(diào)作用,并對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了中震和大震作用下的性能設(shè)計,同時補充了大震下的動力彈塑性時程分析。計算結(jié)果表明,本項目可以滿足既定性能目標(biāo)C的要求。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 中國建筑科學(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：中國建筑工業(yè)出版社,2011．

[2] 徐培福,傅學(xué)怡,王翠坤,等. 復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社,2005．

[3] 廣州建研數(shù)力建筑科技有限公司.PKPM-SAUSAGE高性能彈塑性動力時程分析軟件使用手冊[M].廣州：廣州建研數(shù)力建筑科技有限公司,2016.

[4] 中國建筑科學(xué)研究院.GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范 [S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社,2011．

[5] 中國建筑科學(xué)研究院.GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社,2016．