某國際中心超限高層結(jié)構(gòu)設(shè)計

錢鈞瓏

(廈門市建設(shè)工程施工圖審查所 福建廈門 361004)

1 工程概述

某國際中心位于廈門市思明區(qū)觀音山商務營運中心地塊，混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)。因東側(cè)門廳一～四層挑空造成結(jié)構(gòu)平面、豎向有多項不規(guī)則，屬超限高層結(jié)構(gòu)。

該工程地上23層，建筑功能為高層辦公樓，底層高6.0m，二層以上各層高均為4m，主屋面高度94m。地下室3層，層高由下而上分別為3.80m、3.50m、3.9m,其功能為地下車庫；其中，地下三層為平戰(zhàn)結(jié)合的核六級、常六級甲類防空地下室(平時為車庫)。

抗震設(shè)防類別丙類，抗震設(shè)防烈度7度，設(shè)計地震分組第二組，設(shè)計基本地震加速度值0.15 g，場地特征周期0.40 s，建筑場地類別Ⅱ類。

設(shè)計采用SATWE、PMSAP程序進行小震反應譜彈性計算對比分析，并采取相應的抗震構(gòu)造加強措施，使結(jié)構(gòu)具有較好的抗震性能，以滿足現(xiàn)行規(guī)范各項抗震設(shè)防設(shè)計要求。主樓平面形狀近似為矩形，核心筒位于樓層平面中部，一～四層穿層柱采用型鋼混凝土框架柱。主樓采用旋挖樁復合樁基，其余采用筏板基礎(chǔ)。

該項目2011年5月通過抗震設(shè)防專項審查，之后進行施工圖設(shè)計；2012年3月開工，2016年竣工。大樓建成實景如圖1所示，主要建筑平面如圖2～圖4所示。

圖1 大樓建成實景

圖2 一層平面圖

圖3 二～四層平面圖

圖4 標準層平面圖

2 基礎(chǔ)設(shè)計

2.1 工程地質(zhì)概況

項目地處廈門本島東部，場地原始地貌屬剝蝕殘丘地貌，現(xiàn)狀較為平整，地形整體起伏變化不大。場地基巖由花崗巖構(gòu)成，無人為采空區(qū)、地面沉降和巖溶等不良地質(zhì)作用。擬建場地土層自上而下依次為：①人工填土、②粉質(zhì)粘土、③殘積砂質(zhì)粘性土、④-1全風化花崗巖、④-2砂礫狀強風化花崗巖、④-3碎塊狀強風化花崗巖、④-4中風化花崗巖，各土層的物理力學綜合指標如表1所示。

表1 天然地基巖、土工程特性指標值一覽表

注：表內(nèi)帶“*”者為變形模量。

該工程±0.000相當于黃海高程16.00m。地下水位埋深為2.80m～6.30m，抗浮設(shè)計水位按設(shè)計地面標高以下1 m考慮。場地僅在表層分布有松散軟弱的人工填土①層，且層厚較?。粓龅貎?nèi)無可液化、可震陷的地層，建筑抗震屬可進行建設(shè)的一般地段。

2.2 基礎(chǔ)設(shè)計

地下室底板位于第③層殘積砂質(zhì)粘性土層，經(jīng)深度和寬度修正后的地基承載力特征值為300kPa。

主樓范圍內(nèi)，上部荷載標準值扣除地下水浮力后約為450kN/m2。地基承載力不滿足上部荷載要求，故主樓范圍基礎(chǔ)采用旋挖樁復合樁基，樁徑800mm～1200mm。樁端持力層為④-1全風化花崗巖、④-2強風化花崗巖，樁端進入持力層5m，樁長約20m，單樁豎向抗壓承載力特征值為5000kN。

地下室范圍，地基承載力可滿足上部荷載要求，采用600mm厚平板式筏形基礎(chǔ)。

底板標高處的地下水浮力為130kN/m2。抗浮采用直徑800mm的旋挖灌注樁，樁長約20m，單樁豎向抗拔承載力特征值為1600kN。

為消除主樓和地下室之間沉降差，在主樓和地下室之間設(shè)置沉降后澆帶，后澆帶在主樓結(jié)構(gòu)封頂且沉降穩(wěn)定后封閉。

3 結(jié)構(gòu)體系

該工程無裙房，主樓采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，主樓平面尺寸為43.5m×25.2m，高寬比為3.73。核心筒尺寸為21.1m×9.4m，外圍框架柱距為7.7m～8.7m。主要結(jié)構(gòu)平面如圖5～圖7所示。

地下室樓蓋采用鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu)，頂板和地下一層樓板板厚均為180mm；地下二層樓板除人防區(qū)采用250mm厚外，其余均為120mm。

圖5 二～四層結(jié)構(gòu)平面布置圖

圖6 五層結(jié)構(gòu)平面布置圖

由于地下一層東側(cè)局部外露，上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位設(shè)于地下二層頂板處，地下二層側(cè)向剛度大于上部結(jié)構(gòu)底層的2倍。

上部結(jié)構(gòu)核心筒抗震等級為二級，框架抗震等級為二級；地下二層以上地下室剪力墻抗震等級為二級，框架抗震等級為二級；地下二層以下地下室剪力墻抗震等級為三級，框架抗震等級為三級。

圖7 標準層結(jié)構(gòu)平面布置圖

底層核心筒外墻墻厚500mm，二層以上逐步減少至250mm，內(nèi)墻為250mm、200mm。門廳一～四層挑空，8根穿層柱采用型鋼混凝土柱框架柱，柱截面為1200mm×1200mm。其余框柱采用鋼筋混凝土柱，底層柱截面為1200mm×1200mm，二層以上逐步減少至700mm×700mm。

樓蓋結(jié)構(gòu)采用鋼筋砼梁板體系?？蚣芰航孛鏋?00mm×900mm、550mm×700mm；二～四層樓板厚度均為150mm，標準層和屋面板厚度為120mm。

該工程建筑高度不高，除核心筒長向偏置外，結(jié)構(gòu)平面布置較為對稱、規(guī)則；但東側(cè)門廳一～四層挑空，二～四層無樓板，也無框架梁與框柱連接，形成8根18m高穿層柱(結(jié)構(gòu)柱高19.1m)，門廳穿層柱實景如圖8所示。門廳挑空造成結(jié)構(gòu)平面、豎向有多項不規(guī)則，屬超限高層結(jié)構(gòu)。

圖8 門廳穿層框柱實景

4 超限結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 超限情況認定

依據(jù)現(xiàn)行《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011-2010[1]、《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ 3-2010[2]、超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點》建質(zhì)[2010]109號[3]等規(guī)定，該工程屬超限高層結(jié)構(gòu)。主要存在以下4種超限情況。

4.1.1扭轉(zhuǎn)不規(guī)則

在具有偶然偏心的規(guī)定水平力作用下，樓層兩端抗側(cè)力彈性水平位移(層間位移)的最大值大于該樓層平均值的1.2倍。

4.1.2樓板不連續(xù)

二～四層東側(cè)樓板挑空，開洞面積均大于相應樓層樓面面積的30%。

4.1.3偏心布置

二～四層東側(cè)樓板挑空，相鄰層上下質(zhì)心偏差較大，大于相應邊長的15%。

4.1.4其他不規(guī)則

二～四層東側(cè)樓板挑空，挑空處無樓板，也無框架梁與框柱連接，形成穿層柱。

4.2 針對超限情況的抗震措施

主樓抗側(cè)力體系由鋼筋混凝土核心筒、框架組成，門廳挑空造成結(jié)構(gòu)平面、豎向有多項不規(guī)則。針對該工程超限情況，結(jié)構(gòu)設(shè)計采取以下抗震措施：

4.2.1穿層柱采用型鋼混凝土框架柱

為增加二～四層樓板開大洞處穿層框架柱的剛度、延性，穿層柱采用型鋼混凝土框架柱，并結(jié)合建筑裝修要求盡量加大柱斷面，以減少扭轉(zhuǎn)效應的影響，改善結(jié)構(gòu)的抗震性能。穿層柱按中震彈性進行強度設(shè)計并采取針對性的抗震措施，即抗震等級按一級控制，且軸壓比控制不大于0.7。除進行強度計算外，穿層柱還進行穩(wěn)定性驗算。

勁性鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的雙重優(yōu)點，與鋼結(jié)構(gòu)相比，可節(jié)省造價，增加構(gòu)件、建筑物的剛度；與砼結(jié)構(gòu)相比，可減少截面和重量，增大構(gòu)件延性，增大構(gòu)件強度，提高建筑物的抗震性能。型鋼混凝土框架柱充分發(fā)揮了鋼(受拉)和混凝土(受壓)兩種不同材料的特點，通過二者的協(xié)同作用，提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力。穿層柱采用型鋼混凝土框架柱，內(nèi)設(shè)雙向“工”字形鋼，截面采用WH-600×200×20×25。按照《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ 138-2001規(guī)定，含鋼量大致控制在4%左右；其次，柱箍筋在滿足配箍率的情況下優(yōu)先考慮較小直徑的箍筋，并全長加密。

框架梁和型鋼混凝土框架柱之間的連接，一般需將梁鋼筋穿過型鋼，以實現(xiàn)梁柱剛結(jié)。該工程在滿足框架柱剛度、延性的要求下設(shè)置翼緣較小的型鋼，大部分梁鋼筋可從型鋼兩側(cè)通過，僅少量的鋼筋需穿過型鋼，施工較為方便。

4.2.2增加核心筒及重要構(gòu)件的延性

(1)為減少二～四層樓板開大洞對建筑物抗震性能的影響，底部加強區(qū)高度提高到五層，剪力墻抗震等級按一級控制。底部加強區(qū)剪力墻及非穿層柱按中震抗剪彈性、抗彎不屈服復核。控制底部加強區(qū)框架柱和剪力墻的軸壓比，使其比規(guī)范要求從嚴0.05。筒體角部約束邊緣構(gòu)件全高設(shè)置，并適當提高樓板局部缺失樓層核心筒剪力墻的配筋率。

(2)核心筒墻體中洞口的分布對墻體的抗震能力有極大的影響，設(shè)計中力求墻體中的洞口對稱和規(guī)則；其次，在連梁中適當布置斜向鋼筋，以提高連梁的抗剪能力，提高墻體的抗震性能。

(3)針對筒體兩側(cè)樓板開洞問題，除筒體兩側(cè)剪力墻進行穩(wěn)定性驗算外，還將樓梯梯板嵌入相鄰剪力墻內(nèi)，以減少剪力墻無支約束長度。

(4)在筒體外墻與框架梁交接處加設(shè)暗柱，對于墻厚較小者則加設(shè)扶壁柱，以加強核心筒與外圍框架的連接，使二者協(xié)同工作，增強墻體的穩(wěn)定性。

4.2.3減少扭轉(zhuǎn)效應

考慮到核心筒長向偏置，為增加核心筒體的延性，加大筒體剛度，除采用較厚的核心筒外墻外，還通過調(diào)整墻體厚度，使結(jié)構(gòu)的剛度中心和荷載中心、結(jié)構(gòu)平面中心盡量重合。

此外，調(diào)整抗側(cè)力構(gòu)件布置使之均勻?qū)ΨQ，減少質(zhì)心與剛心之間的偏心，以減少結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應。

4.2.4控制剛度比

通過加大地下室結(jié)構(gòu)剛度，使樓層側(cè)向剛度大于相鄰上部結(jié)構(gòu)樓層側(cè)向剛度的2倍，并通過相應構(gòu)造措施，確保地下室二層頂板滿足上部結(jié)構(gòu)嵌固要求。

由于首層結(jié)構(gòu)層高為7.1 m，第二層高為4m，相鄰層側(cè)向剛度差異較大,在滿足建筑功能的前提下，加大首層核心筒外墻的的截面尺寸，控制底層和二層的側(cè)向剛度比滿足規(guī)范要求。

4.2.5加強薄弱部位的樓板剛度

(1)針對二～四層樓板局部開大洞，除樓板板厚加厚至150 mm外，結(jié)構(gòu)計算考慮樓板彈性變形，主體計算采用彈性板模式。

(2)加大二～四層梁、板配筋，控制二～四層樓板配筋率不小于0.3%，并嚴格控制梁、樓板裂縫。

(3)二～四層樓板在門廳處挑空，五層為樓板完整的第一層，故參照二～四層采取梁板加強措施。

5 結(jié)構(gòu)分析的主要結(jié)果匯總及比較

5.1 主要計算參數(shù)及計算假定

該工程結(jié)構(gòu)整體計算采用SATWE程序，并采用PMSAP程序做進一步的比較分析。

結(jié)構(gòu)抗震計算采用振型分解反應譜法計算，計算考慮雙向水平地震作用下的扭轉(zhuǎn)影響。結(jié)構(gòu)阻尼比在多遇地震作用下的彈性分析時取0.05，水平地震影響系數(shù)最大值為0.12，罕遇地震影響系數(shù)最大值為0.72。地震作用分別考慮雙向地震作用和質(zhì)量偶然偏心的不利影響，取二者最不利者作為結(jié)構(gòu)設(shè)計的依據(jù)。對于部分樓層樓板開洞的情況，采取彈性樓板的假定，以考慮樓板剛度變化對水平力分配的影響。

采用考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)的振型分解反應譜法計算結(jié)構(gòu)響應時，各振型貢獻按CQC組合，選用較多的振型以充分考慮高階振型的影響，建筑物質(zhì)量參與系數(shù)超過90%。主體結(jié)構(gòu)除采用振型分解反應譜法計算分析外，還采用時程分析法進行多遇地震下的補充計算。底部剪力、樓層剪力和層間位移取兩種方法計算結(jié)果的大值進行相關(guān)構(gòu)件設(shè)計。

5.2 SATWE與PMSAP程序計算結(jié)果比較

5.2.1結(jié)構(gòu)動力特性

動力反應譜分析運用《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB 50011-2001的反應譜進行，并考慮多方向的水平地震作用效應。

前6階模態(tài)的振動周期計算結(jié)果列于表2～表3。第一階和第二階模態(tài)分別為X、Y向平動，扭轉(zhuǎn)模態(tài)為第三階，扭轉(zhuǎn)周期與平動周期的比值小于0.9。

表2 SATWE結(jié)構(gòu)動力特性(空間振型)

表3 PMSAP結(jié)構(gòu)動力特性(空間振型)

5.2.2結(jié)構(gòu)位移響應

反應譜法及風荷載作用下的結(jié)構(gòu)最大響應位移計算結(jié)果列于表4～表7。層間位移角及位移比均滿足規(guī)范要求，地震作用下的剪重比在正常范圍內(nèi)，且滿足最小地震作用的要求。

表4 地震作用下結(jié)構(gòu)表現(xiàn)(SATWE)

表5 地震作用下結(jié)構(gòu)表現(xiàn)(PMSAP)

表6 風荷載作用下結(jié)構(gòu)表現(xiàn)(SATWE)

表7 風荷載作用下結(jié)構(gòu)表現(xiàn)(PMSAP)

5.2.3計算結(jié)果分析

對SATWE和PMSAP兩個不同力學模型軟件的分析結(jié)果進行比對，可知結(jié)構(gòu)的自振周期、層間位移、層間剪力、剪重比等指標相差不大，說明SATWE程序計算結(jié)果可靠，可用于施工圖設(shè)計。

5.3 結(jié)構(gòu)柱墻內(nèi)力分析

5.3.1地震傾覆彎矩

一～六層框架柱、墻承擔的地震傾覆彎矩占比如表8所示。由計算結(jié)果可知，框架柱承擔的地震傾覆彎矩適當。

表8 一～六層框架柱地震傾覆彎矩百分比

5.3.2地震剪力

《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB 50011-2010第6.2.13條第1款規(guī)定，側(cè)向剛度沿豎向分布基本均勻的框架-抗震墻結(jié)構(gòu)和框架-核心筒，任一層框架部分的地震剪力，不應小于結(jié)構(gòu)底部總地震剪力的20%和按框架-抗震墻結(jié)構(gòu)、框架-核心筒分析的框架部分各樓層地震剪力中最大值1.5倍二者的較小值。表9為一～六層框架柱、墻承擔的地震傾覆彎矩占比，表10為一～六層0.2Q0調(diào)整系數(shù)。

表9 一～六層框架柱地震剪力百分比

該工程主體計算時，各層框架部分的地震剪力均按上述規(guī)定進行調(diào)整。由表10可知，底部總地震剪力的20%小于框架部分各樓層地震剪力中最大值1.5倍。因此，任一層框架部分的地震剪力按不小于底部總地震剪力的20%調(diào)整控制。

《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB 50011-2010第6.7.1條第2款的規(guī)定，按框架-核心筒計算分析的框架部分各層地震剪力的最大值不宜小于結(jié)構(gòu)底部地震總剪力的10%。任一層框架部分承擔的地震剪力不應小于結(jié)構(gòu)底部地震總剪力的15%。

表10 一～六層0.2Q0調(diào)整系數(shù)

由表9可知，二～六層框架地震剪力不滿足上述規(guī)定，但框架部分的地震剪力按《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB 50011-2010第6.2.13條第1款規(guī)定進行調(diào)整后，可滿足GB 50011-2010第6.7.1條第2款的規(guī)定。

其次，核心筒墻體承擔的地震剪力按標準值增大1.1倍考慮，框架部分承擔的彎矩、剪力也相應調(diào)整，可滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ 3-2010第9.1.11條的規(guī)定。

6 結(jié)論

某國際中心除核心筒長向偏置外，結(jié)構(gòu)平面布置較為對稱、規(guī)則；但東側(cè)門廳一～四層挑空，二～四層無樓板，也無框架梁與框架柱連接，形成8根18 m高穿層柱。門廳挑空造成結(jié)構(gòu)平面、豎向有多項不規(guī)則，主要抗震薄弱部位集中在底部四層，屬超限高層結(jié)構(gòu)。

主體結(jié)構(gòu)采用SATWE、PMSAP程序進行小震反應譜彈性計算對比分析，并采取相應的抗震構(gòu)造加強措施，基本保證了結(jié)構(gòu)具有較好的抗震性能，結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足現(xiàn)行規(guī)范各項抗震設(shè)防設(shè)計要求。該項目針對超限結(jié)構(gòu)采取的抗震分析方法、計算手段及構(gòu)造加強措施，可供類似超限高層結(jié)構(gòu)設(shè)計參考。

參考文獻

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[3] 建質(zhì)[2010]109號 超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點[S].北京:住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部, 2010.