鋼-砼混合框筒結(jié)構(gòu)超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

許進(jìn)福

(廈門佰地建筑設(shè)計有限公司 福建廈門 361004)

1 工程概況

某項目位于廈門同安新城核心區(qū)，為甲級超高層寫字樓，地上49層，地下3層，建筑總高度250m，占地面積0.2hm2，總建筑面積9.8萬m2。標(biāo)準(zhǔn)層的層高為4.2m，并分別在12層、22層、34層及45層共設(shè)有4個建筑避難層，層高均為5.5m。建筑底部設(shè)有14m通高大堂，核心筒內(nèi)每隔4.5m均有現(xiàn)澆砼板，核心筒外均無鋼管柱與核心筒之間的拉結(jié)梁，僅在標(biāo)高9m處沿外框架柱間設(shè)一道封閉的環(huán)梁；49層設(shè)有25m挑高的空中會所。建成后，將成為廈門同安區(qū)的地標(biāo)性建筑。

該工程主樓結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆鋼管混凝土柱、鋼框架-鋼筋混凝土筒體混合結(jié)構(gòu)體系。內(nèi)部核心筒壁厚為1400mm～700mm，自下而上逐漸變薄，混凝土標(biāo)號C60～C50，核心筒內(nèi)部對應(yīng)框架梁位置布置有鋼骨柱；內(nèi)外筒之間除了鋼結(jié)構(gòu)梁外，在第34層、第45層利用避難層布置兩道加強層，加強層內(nèi)布置伸臂桁架。外筒平面接近方形，X、Y向落地尺寸約43.6m，外筒高寬比為5.7；內(nèi)筒落地平面尺寸20.2(X向)×23.10(Y向)，內(nèi)筒高寬比為12.0(X向)、10.5(Y向)。結(jié)構(gòu)布置平面、建筑效果圖及剖面如圖1～圖4所示。

圖1 低(中高區(qū))結(jié)構(gòu)平面布置圖

圖2 34層、45層加強層伸臂桁架布置圖

圖3 建筑效果圖 圖4 建筑剖面圖

擬建場地原始地貌單元屬沖海積階地，場地整體較平坦、開闊。中風(fēng)化花崗巖埋深為現(xiàn)有地面往下28m～40m，厚度約5m～8m，下為微風(fēng)化花崗巖，基巖埋深較淺。

建筑抗震設(shè)防類別為重點設(shè)防類，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，設(shè)計使用年限50年。所在地區(qū)的抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度0.15g，設(shè)計地震分組：第三組；場地類別：Ⅱ類；特征周期根據(jù)規(guī)范為Tg=0.45s，建筑結(jié)構(gòu)的阻尼比4%。 50年一遇的基本風(fēng)壓：0.7kN/m2，風(fēng)荷載體型系數(shù)1.4，地面粗糙度類別：A類。結(jié)構(gòu)抗震等級：框架為一級、核心筒為特一級。

2 伸臂加強層位置的選擇

該工程高寬比基本能滿足規(guī)范要求，但是由于地處廈門海邊，風(fēng)荷載大，風(fēng)荷載作用下不做伸臂加強層，剛度比不能滿足規(guī)范要求。伸臂鋼桁架連續(xù)布置，穿過核心筒剪力墻，與外框架柱連接成整體，外框柱的拉壓作用及鋼臂的連接，進(jìn)一步有效地提高整個結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度及控制整體結(jié)構(gòu)位移。參照《實用高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計》[1]第599頁15.4.2-(1)，伸臂層的位置首選0.6H高度處及頂層，由于頂層建筑功能需要，設(shè)有25m挑高的空中會所，故頂層不宜設(shè)置?，F(xiàn)根據(jù)建筑避難層位置，對伸臂層位置及數(shù)量分析比較，如表1～表2所示，結(jié)合規(guī)范要求及經(jīng)濟性，最佳方案即伸臂加強層設(shè)置在34層、45層。

表1 4種加強層方案周期對比

表2 4種加強層方案層間位移角對比

3 超限情況

根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點》[2]附件1中的表2～表4，該工程存在的主要超限情況如下：

(1)地上高度242.850m，超過規(guī)范7度區(qū)框架核心筒混合結(jié)構(gòu)最大高度190m的規(guī)定，存在高度超限的情況(圖5)。

圖5 加強層位置變化方案對比：(SATWE)

(2)存在的不規(guī)則項，如表3所示。

表3 該工程不規(guī)則情況表

4 基于性能的抗震設(shè)計

4.1 抗震性能目標(biāo)

選用性能目標(biāo)時，需綜合考慮抗震設(shè)防類別、設(shè)防烈度、場地條件、結(jié)構(gòu)的特殊性、建造費用、震后損失和修復(fù)難易程度等因素。該工程結(jié)構(gòu)高度超過B級高度較多且存在不規(guī)則性，根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[3](以下簡稱《高規(guī)》)3.11.1條及《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[4]附錄M，最低性能目標(biāo)選用C級，具體抗震性能目標(biāo)如表4所示。

4.2 多遇地震下結(jié)構(gòu)計算分析

依據(jù)表4，首先采用考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)的振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行多遇地震下結(jié)構(gòu)計算分析(考慮偶然偏心和雙向地震)。采用SATWE、ETABS和MIDAS 3種程序分別計算，兩種程序計算出的主要指標(biāo)比如層間位移角、周期比、剪重比等大致相同，同時均滿足規(guī)范要求，位移比除首層、34層超過1.2外，其余均小于1.2。主要計算結(jié)果對比如表5所示。

表4 抗震性能目標(biāo)

表5 主要計算結(jié)果對比(多遇地震)

圖6 樓層側(cè)向剛度比曲線圖

根據(jù)《高規(guī)》第 3.5.2 條第2款，對框架核心筒結(jié)構(gòu)考慮層高修正的樓層側(cè)向剛度比γ2不宜小于0.9，由圖6可知，除加強層上下層外，結(jié)構(gòu)整體剛度均勻，無薄弱層，滿足規(guī)范要求。加強層的設(shè)置帶來了結(jié)構(gòu)剛度、內(nèi)力突變，并形成薄弱層，結(jié)構(gòu)的損壞機理難以呈現(xiàn)“強柱弱梁”和“強剪弱彎”的延性屈服機制，故本項目針對伸臂層及其帶來的問題，進(jìn)行詳細(xì)的抗震性能分析(詳中、大震的計算分析)，確保結(jié)構(gòu)安全。

圖7 樓層承載力之比

根據(jù)《高規(guī)》3.5.3條規(guī)定，B級高度高層建筑的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的層間受剪承載力不應(yīng)小于相鄰上一層受剪承載力的75%。該工程采用SATWE軟件計算，由圖7可知，第2層抗剪承載力比第3層(X向0.62，Y向0.60)，首層抗剪承載力比第4層(X向0.64，Y向0.65)，不滿足規(guī)范要求，其余均能滿足規(guī)范要求。針對結(jié)構(gòu)底部抗剪承載力超限,采取如下措施：

(1)在首層～4層樓層處、型鋼柱間增設(shè)型鋼梁拉結(jié)；

(2)鋼管柱壁厚加大至50mm；

(3) 柱內(nèi)力放大1.2倍；

(4)外框9.000標(biāo)高設(shè)鋼梁；

(5)底部三層剪力墻水平筋配筋加強。

其中，為了提高底部的抗剪承載力，該工程采用了3種方案對比：

方案一：外圍在標(biāo)高9m處設(shè)環(huán)梁，底部三層剪力墻的墻身水平筋配筋加強(底部三層剪力墻水平筋實配系數(shù)為3.0，第4 層1.15)；

方案二：外圍在標(biāo)高9m處設(shè)環(huán)梁，加大底部三層柱的截面；

方案三：不設(shè)環(huán)梁，加大底部三層柱截面。

設(shè)η為底部3層抗剪承載力最小值比第4層，各方案計算如表6所示，結(jié)合建筑功能使用等因素，由表6可知，選擇方案一最佳。

表6 提高底部抗剪承載力的3個方案對比

按照現(xiàn)行規(guī)范要求，應(yīng)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行小震作用下的結(jié)構(gòu)彈性時程分析，采用SATWE進(jìn)行計算。根據(jù)《高規(guī)》第4.3.4～5條的要求采用彈性時程分析法進(jìn)行多遇地震作用下的計算，地面加速度最大值取55cm/s2。設(shè)計選擇了7組地震波(其中5組天然地震波，2組人工波)，其時程曲線的平均地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應(yīng)譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計意義上相符。各條地震波計算的底部剪力最小值和底部剪力平均值均滿足《高規(guī)》第4.3.5.1條的要求。將地震波剪力平均值與反應(yīng)譜進(jìn)行比較，得到放大系數(shù)約1.1，按放大系數(shù)重新代入小震模型對反應(yīng)譜分析結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。

4.3 中震下結(jié)構(gòu)計算分析

中震計算地震影響系數(shù)取0.34，中震計算時，連梁剛度折減系數(shù)取0.5，中梁剛度放大系數(shù)取1.5，阻尼比取5%。中震彈性設(shè)計應(yīng)采用作用分項系數(shù)、材料分項系數(shù)和抗震承載力調(diào)整系數(shù)，構(gòu)件的承載力計算時材料強度采用設(shè)計值，不考慮構(gòu)件抗震等級，對加強層及其上下層剪力墻、鋼管柱以及底層14m高，頂層25m高鋼管柱等關(guān)鍵構(gòu)件內(nèi)力放大1.2倍。中震不屈服設(shè)計不采用作用分項系數(shù)、材料分項系數(shù)和抗震承載力調(diào)整系數(shù)，構(gòu)件的承載力計算時材料強度采用標(biāo)準(zhǔn)值。 采用SATWE進(jìn)行計算。

4.3.1結(jié)構(gòu)構(gòu)件中震彈性設(shè)計

結(jié)果表明：鋼管混凝土柱、伸臂層及其上下層墻均處于彈性狀態(tài)；剪力墻剪壓比滿足規(guī)范要求，抗剪截面處于彈性狀態(tài)。首層的計算指標(biāo)如圖8所示。

圖8 首層計算指標(biāo)

4.3.2結(jié)構(gòu)構(gòu)件中震不屈服設(shè)計

由圖9～圖10可知，伸臂桁架滿足中震不屈服要求；施工圖設(shè)計時，剪力墻配筋應(yīng)滿足抗壓彎/拉彎不屈服要求。

圖9 34層伸臂桁架中震不屈服驗算應(yīng)力比

圖10 45層伸臂桁架中震不屈服驗算應(yīng)力比

4.3.3中震下墻肢全截面受拉驗算

墻軸力取標(biāo)準(zhǔn)值核心筒底部墻肢拉力的計算采用的荷載工況為：1.0恒載+0.5活載+1.0雙向地震(中震),計算時不考慮內(nèi)力放大系數(shù)。計算考慮墻肢中型鋼的作用，墻肢中的型鋼根據(jù)鋼和混凝土的剛度比，折算為一定厚度的混凝土。最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在底部的核心筒角部墻肢，可以滿足《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點》要求。

4.4 罕遇地震下結(jié)構(gòu)彈塑性分析

采用MIDAS GEN對結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力彈塑性和動力彈塑性時程分析；計算模型中結(jié)構(gòu)主體范圍內(nèi)采用剛性樓板假定，為考慮加強層樓板對桁架影響,對加強層上下層樓板采用了實際樓板剛度；考慮1.0恒載+0.5活載作為結(jié)構(gòu)初始荷載，并考慮重力二階效應(yīng)；用模態(tài)加載方法進(jìn)行靜力彈塑性分析；動力彈塑性分析采用直接積分法；動力彈塑性分析地震波采用雙向地震輸入，主次方向地面加速度峰值比值為1∶0.85。

4.4.1靜力彈塑性分析

根據(jù)結(jié)構(gòu)的能力譜曲線與7度(0.15g)罕遇地震需求譜相交點，確定結(jié)構(gòu)性能點。在性能點對應(yīng)的地震作用下，結(jié)構(gòu)X向?qū)娱g位移角最大值為1/137(33F)，結(jié)構(gòu)Y向?qū)娱g位移角最大值為1/129(25F)。

4.4.2動力彈塑性分析

采用5條天然波和2條人工波進(jìn)行彈塑性時程分析:大震彈塑性/小震作用下基底剪力之比為3.7～4.7；如表7，最大層間位移角均可滿足規(guī)范要求。

表7 大震彈塑性作用下最大層間位移角

在7條波中，選取一條天然波T022，研究結(jié)構(gòu)在天然波T022的作用下結(jié)構(gòu)構(gòu)件及整體的變形性能，計算其頂點位移時程曲線，具體如圖11～圖12所示。

圖11 T022波X向頂點位移時程曲線

圖12 T022波Y向頂點位移時程曲線

結(jié)構(gòu)在地震波作用開始階段，彈性及彈塑性頂點位移基本一致，時程曲線基本重合，一段時間后，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷，耗能構(gòu)件屈服，結(jié)構(gòu)剛度退化，結(jié)構(gòu)阻尼增大，周期變長，彈塑性位移時程曲線滯后于彈性時程曲線。

4.4.3結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震性能設(shè)計

大震下靜力彈塑性推覆分析和動力彈塑性時程分析結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)基本一致，動力彈塑性時程分析更能反映結(jié)構(gòu)延性和耗能能力，更真實地模擬地震作用。在7條波中，選取一條對結(jié)構(gòu)損傷較大(基底剪力及層間位移角均較大)的天然波T024，研究結(jié)構(gòu)在天然波T024的作用下，結(jié)構(gòu)構(gòu)件及整體的變形性能，并找出結(jié)構(gòu)的薄弱部位。

(1)框架鋼梁抗震性能分析：在結(jié)構(gòu)中高層區(qū)域框架鋼梁的延性比(總變形/屈服變形)比較大，但框架鋼梁絕大部分均處于彈性狀態(tài)，45F伸臂層及其上下層外圍邊跨框架鋼梁進(jìn)入塑性狀態(tài)，但未進(jìn)入全截面屈服狀態(tài)。

(2)鋼管混凝土柱抗震性能分析：彎曲成分延性較大區(qū)域在兩個伸臂層及其上下層，最大延性比為0.82；軸力成分延性較大區(qū)域在34層伸臂層及以下幾層，最大延性比為0.72。底部14m高柱軸力成分最大延性比發(fā)生在角部為0.24，彎曲成分最大延性比為0.14。頂部25m高柱軸力成分最大延性比為0.04，彎曲成分最大延性比為0.16。均在彈性范圍內(nèi)。

(3)伸臂桁架抗震性能分析：兩個方向最大延性比分別為1.76和1.55，均為斜腹桿，斜腹桿最大應(yīng)力為390MPa已屈服；兩個方向弦桿的最大延性比為0.43，處于彈性狀態(tài)。

(4)核心筒混凝土連梁抗震性能分析：在5s時刻剪力墻突變處(23F)及其下幾層連梁開始屈服出現(xiàn)塑性鉸；在5s時刻大部分連梁均已開裂，10s時刻大部分連梁已經(jīng)屈服出現(xiàn)塑性鉸；15s時刻后出現(xiàn)塑性鉸的位置趨于穩(wěn)定。

(5)核心筒剪力墻抗震性能分析：在5s時刻結(jié)構(gòu)底部及伸臂桁架上下幾層外圍剪力墻出現(xiàn)開裂，產(chǎn)生拉彎損傷；10s時刻結(jié)構(gòu)大部分外圍剪力墻開裂，結(jié)構(gòu)底部及伸臂桁架上下幾層剪力墻出現(xiàn)拉彎屈服和受拉屈服；15s后剪力墻損傷趨于穩(wěn)定。

(6)查找出結(jié)構(gòu)底層和34層加強層剪力墻的最大軸力和最大剪力，計算剪力墻的軸壓比N/fcmbh和剪壓比V/fcmbh0。從圖13～圖14可以看出：剪力墻最大軸壓比均小于1，混凝土未出現(xiàn)壓碎破壞，剪壓比均小于0.15，滿足截面限制條件。

圖14 34層核心筒墻軸壓比(剪壓比V/fckbh0)簡圖

4.4.4彈塑性分析結(jié)論

綜上彈塑性分析結(jié)果，結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下，最大層間位移角小于規(guī)范要求，整體上可以實現(xiàn)“大震不倒”設(shè)防目標(biāo)；大部分連梁出現(xiàn)不同程度塑性，形成了塑性鉸，符合屈服耗能的抗震工程學(xué)概念；下部剪力墻及加強層處剪力墻出現(xiàn)不同程度損傷，結(jié)構(gòu)薄弱部位在結(jié)構(gòu)底層及加強層上下層；伸臂桁架構(gòu)件斜腹桿出現(xiàn)屈服，弦桿處于彈性狀態(tài)；鋼管混凝土柱未出現(xiàn)屈服，大部分鋼梁未屈服，剪力墻受剪截面滿足截面限制條件，結(jié)構(gòu)有一定的安全貯備。

5 其他設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)-躍層柱的屈曲分析

5.1 恒+活荷載作用下的穩(wěn)定驗算

該結(jié)構(gòu)首層存在14m通高柱、頂部觀光會所存在25m通高柱，為保證在軸力作用下柱的穩(wěn)定，采用MIDAS軟件，對底層和頂層框架柱頂部施加單位力進(jìn)行屈曲分析，將單位力設(shè)為變量，分析結(jié)果如下：

(1)底部柱：臨界荷載Ncr=3461 462kN,恒+活N=44 034kN,安全系數(shù)λ=78.61。

(2)頂部柱：臨界荷載Ncr=286 907kN,恒+活N=5709kN,安全系數(shù)λ=50.3。

由上可知：在恒荷載和活荷載作用下，底部及頂部躍層柱具有足夠的整體穩(wěn)定性。

5.2 恒+活+風(fēng)荷載作用下的穩(wěn)定驗算

由于在結(jié)構(gòu)頂部風(fēng)荷載較大，49層25m通高柱可能在柱間側(cè)向風(fēng)荷載作用下會失穩(wěn)，因此對25m通高柱進(jìn)行幾何非線性分析。結(jié)構(gòu)整體施加的荷載工況為：恒+活+整體風(fēng)+柱間線荷載風(fēng)(50kN/m)+柱頂(50 000kN節(jié)點力),通高柱相關(guān)范圍梁柱應(yīng)力最大為330MPa，小于345MPa,接近于臨界值，可認(rèn)為此時為臨界狀態(tài)。此時柱Ncr=48 248kN,而D+L時N=5709kN，安全系數(shù)λ=8.45。故，25m通高柱在恒+活+風(fēng)荷載作用下具有足夠的安全儲備，不致因失穩(wěn)而屈曲破壞。

6 結(jié)論

某鋼-砼混合框筒結(jié)構(gòu)超高層建筑結(jié)構(gòu)體系，論述了該工程存在的技術(shù)難點及超限情況，詳細(xì)介紹了解決方案，并總結(jié)出該工程結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)，可為結(jié)構(gòu)設(shè)計人員借鑒參考。

(1)超B級高度超高層，建筑高度高，位于風(fēng)荷載較大、地震作用較大地區(qū)，當(dāng)需要結(jié)合建筑避難層的位置設(shè)置伸臂加強層才能滿足剛度要求時，在方案前期應(yīng)進(jìn)行伸臂層的位置及數(shù)量比選分析，選擇最佳方案；且應(yīng)注意加強層設(shè)置帶來的結(jié)構(gòu)剛度及內(nèi)力突變，應(yīng)對加強層及其上下層做詳細(xì)抗震性能分析，確保結(jié)構(gòu)安全。應(yīng)考慮在結(jié)構(gòu)施工過程中豎向變形對伸臂桁架影響，對鋼桁架安裝及焊接順序作相應(yīng)規(guī)定。

(2)首層入口大堂14m挑高，頂層25m挑高空中會所是該工程設(shè)計關(guān)鍵點，除了剛度及內(nèi)力突變問題，“雞腿柱”也非常重要。通過對核心筒剪力墻設(shè)置鋼框架、增大墻體配筋提高抗剪承載力；并控制層間位移角確保鋼管樁穩(wěn)定，對躍層鋼管柱作屈曲分析，對這幾個部位做了抗震性能分析，確保結(jié)構(gòu)安全。

(3)框架-核心筒結(jié)構(gòu)：提高結(jié)構(gòu)自身剛度，控制結(jié)構(gòu)最小剪重比；同時控制外框架剛度，提高外框架在地震荷載下承擔(dān)的水平剪力，充分發(fā)揮外框架作為二道防線作用；對確?？蛲步Y(jié)構(gòu)的抗震性能，非常重要。

(4)通過對結(jié)構(gòu)不規(guī)則程度和構(gòu)件重要性分析，運用基于性能的抗震設(shè)計方法，從宏觀上提出了結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)，并根據(jù)宏觀目標(biāo)分別對關(guān)鍵構(gòu)件、普通豎向構(gòu)件和耗能構(gòu)件確定了性能水準(zhǔn)，通過具體設(shè)計過程和方法實現(xiàn)了預(yù)期的性能目標(biāo)和性能水準(zhǔn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 傅學(xué)怡.《實用高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計》(第二版)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，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)[2015]67號)[S].2010.

[3] 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，2010.

[4] 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，2010.