閩投營運中心塔樓結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

李 熹

(福州市規(guī)劃設(shè)計研究院,福州 350108)

1 工程概況

本工程位于福州市鼓樓區(qū)古田路南側(cè),西側(cè)為中美大廈(28層框架-剪力墻混凝土結(jié)構(gòu),一層地下室),東側(cè)為古樂路,南側(cè)為閩都創(chuàng)業(yè)公寓及高橋新村(8～9層框架結(jié)構(gòu))。擬建建筑為1幢28層框架-支撐芯筒結(jié)構(gòu)辦公樓,大屋面標(biāo)高116.70 m,建筑高度129.45 m;1幢24層框架-支撐芯筒結(jié)構(gòu)酒店,大屋面標(biāo)高91.85 m,建筑高度99.45 m。2幢高層間為5層商業(yè)裙樓,三者間設(shè)置抗震縫完全斷開,滿堂布置四層地下室。本工程+0.00相當(dāng)于羅零7.60,場地整平標(biāo)高約6.0 m,基坑周長約500 m,單層地下室面積約10 000 m2,坑底相對標(biāo)高為-20.150 m,實際開挖深度約18.55 m,建筑效果圖如圖1所示,辦公樓剖面圖如圖2所示。

2 結(jié)構(gòu)體系與結(jié)構(gòu)布置

本工程兩座塔樓采用框架-支撐芯筒結(jié)構(gòu)體系,外框架采用鋼管混凝土柱和型鋼混凝土梁組成的抗側(cè)力體系,內(nèi)核心筒采用矩形鋼管混凝土柱和型鋼支撐組合而成的支撐芯筒抗側(cè)力體系。區(qū)別于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土剪力墻核心筒,本工程采用支撐芯筒主要出于以下幾點考慮:

圖1 建筑效果圖Fig.1 Architecture rendering drawing

圖2 辦公樓剖面圖(單位:mm)Fig.2 Office building section view (Unit:mm)

(1) 支撐芯筒可以減輕核心筒的自重,對地基和基礎(chǔ)的設(shè)計產(chǎn)生直接的經(jīng)濟(jì)效益。

(2) 支撐芯筒可以方便地調(diào)整支撐布置和剛度,達(dá)到調(diào)整整個核心筒抗側(cè)剛度的目的。如以傳統(tǒng)的鋼筋混凝土剪力墻核心筒概念設(shè)計,本工程剪力墻墻厚為400～500 mm;對于層高突變的避難層、設(shè)備層,剛度的調(diào)整一般是通過墻厚的增減來實現(xiàn),調(diào)整難度很大,容易形成薄弱層。而支撐芯筒可以通過調(diào)整支撐的截面、支撐的布置來實現(xiàn)剛度的調(diào)整,因而支撐芯筒更加科學(xué)合理。

因本工程與地鐵相鄰,工期緊,擬采用蓋挖逆作法進(jìn)行地下室的設(shè)計與施工。傳統(tǒng)的剪力墻核心筒如采用逆作法施工,剪力墻的施工質(zhì)量較難控制,因而常采用順作施工,效率不高,工期較長,不能完全發(fā)揮出逆作法的優(yōu)勢。采用支撐芯筒,主體芯筒的鋼管混凝土柱可以同時作為逆作法支撐體系的一部分,避免了傳統(tǒng)做法需要設(shè)置托梁的工序,充分利用主體結(jié)構(gòu),地上地下可以同時施工,減少了工期,經(jīng)濟(jì)合理。

本工程較高塔樓(辦公樓)標(biāo)準(zhǔn)層平面布置圖如圖3所示,標(biāo)準(zhǔn)層布置軸側(cè)圖如圖4所示,1-1剖面如圖5所示,2-2剖面如圖6所示。

圖3 辦公樓標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)布置平面圖(單位:mm)Fig.3 Typical structure plan of office building (Unit:mm)

圖4 辦公樓標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)布置軸測圖Fig.4 Typical structure isometric view of office building

圖5 1-1剖面 Fig.5 1-1 section view

圖6 2-2剖面Fig.6 2-2 section view

3 設(shè)計參數(shù)

3.1 主要設(shè)計參數(shù)

本工程設(shè)計使用年限為50年,結(jié)構(gòu)安全等級為二級;基本風(fēng)壓取0.70 kN/m2,地面粗糙類別C類,風(fēng)壓體型系數(shù)取1.4,結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類,場地類別為Ⅲ類,抗震設(shè)防烈度為7度(0.1g),設(shè)計地震分組為三組,阻尼比取0.04。

3.2 阻尼比的討論

影響結(jié)構(gòu)阻尼比的因素很多,因此準(zhǔn)確確定結(jié)構(gòu)的阻尼比是一件比較困難的事情。本工程抗側(cè)力構(gòu)件主要是鋼管混凝土柱,主梁常用的做法是采用鋼梁或者鋼筋混凝土梁,但是基于本項目甲方防火防腐維護(hù)成本及使用空間的要求,提出了主梁采用型鋼混凝土梁的方案,阻尼比指標(biāo)主要以《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[2]《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》[3]《組合結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[4]為參考依據(jù)。相關(guān)規(guī)范條文如表1所示。

表1阻尼比規(guī)范相關(guān)條文

Table 1Code rules for damping ratio

由本工程梁柱所使用的材料可知,本工程的結(jié)構(gòu)可定性為混合結(jié)構(gòu),阻尼比宜取0.04,取值大于《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》[3]中采用鋼梁的實心鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的阻尼比0.035,是合理的。

3.3 位移角的討論

本工程抗側(cè)力構(gòu)件主要是鋼管混凝土柱,位移控制參考指標(biāo)以《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》[3]《組合結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[4]《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[2]《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[1]為依據(jù),本工程由于采用了支撐芯筒,結(jié)構(gòu)體系上可以參考框架結(jié)構(gòu)、框架-支撐結(jié)構(gòu)、框架-核心筒結(jié)構(gòu)來進(jìn)行界定,雖然采用了支撐芯筒,但是完全參照框架-核心筒位移指標(biāo)來進(jìn)行設(shè)計又顯得不太合理,傳統(tǒng)框架-核心筒的位移指標(biāo)大部分是基于鋼筋混凝土的實踐和經(jīng)驗得來的,由《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》[3]的條文說明可知,鋼管混凝土的抗震性能和抗倒塌性能優(yōu)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),位移指標(biāo)可以得到適當(dāng)放寬,《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》[3]里框架-核心筒的“核心筒”指的是鋼筋混凝土剪力墻核心筒,而本工程采用的是支撐芯筒,從體系上來說又類似框架-支撐結(jié)構(gòu)體系,從這個角度出發(fā),位移角也可以適當(dāng)放寬,若勉強要滿足框架-核心筒1/800的要求,則結(jié)構(gòu)的主要抗側(cè)構(gòu)件尺寸(如支撐)將大幅加大,不利于建筑的空間使用和門洞布置,從綜合經(jīng)濟(jì)和使用角度來說并不合理。根據(jù)本工程超限審查專家組的意見[9],本工程的位移角指標(biāo)可參考《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[1]附錄G.1.4-4條的規(guī)定,按框架和框架-核心筒結(jié)構(gòu)內(nèi)插確定,因本工程主梁采用型鋼混凝土的做法在高層建筑中比較少見,位移角指標(biāo)保守取為1/700。

3.4 抗震等級

本工程根據(jù)《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》[3]對于框架-支撐、框架-核心筒,《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[2]對于鋼管混凝土框架-鋼筋混凝土核心筒,以及《組合結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[4]對于鋼管混凝土框架-鋼筋混凝土核心筒的規(guī)定,設(shè)防烈度為7度,高度小于130 m,框架和支撐芯筒的抗震等級確定為二級。

4 結(jié)構(gòu)超限情況

4.1 結(jié)構(gòu)體系超限

結(jié)構(gòu)體系超限分析如表2所示。

表2結(jié)構(gòu)體系超限情況

Table 2Out of code assessment for structure system

4.2 不規(guī)則情況分析

不規(guī)則情況分析如表3所示。

表3結(jié)構(gòu)不規(guī)則情況

Table 3Regularity assessment for structure system

4.3 超限情況小結(jié)

辦公樓采用規(guī)范未規(guī)定的新結(jié)構(gòu)體系,辦公樓存在兩項不規(guī)則:扭轉(zhuǎn)不規(guī)則,樓板不連續(xù)。

5 結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[2]3.11.1及3.11.2規(guī)定,本工程總體結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)為C級;根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[2]3.11.1及3.11.2規(guī)定,《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[1]M.1.1規(guī)定,本工程構(gòu)件性能目標(biāo)如表4所示。

表4構(gòu)件性能目標(biāo)

Table 4Performance goals for structure members

6 多遇地震結(jié)構(gòu)分析

本工程分別采用盈建科和MIDAS BUILDING兩種軟件對結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行分析,具體對比結(jié)果如表5所示。通過對比可知,兩種軟件在主要計算控制指標(biāo)上數(shù)值接近,由軟件得到的計算結(jié)果是比較合理準(zhǔn)確的,結(jié)構(gòu)設(shè)計可以滿足安全可靠的要求。根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[2]4.3.4條的規(guī)定,大于100 m的7度丙類高層需要采用彈性時程分析法進(jìn)行多遇地震下的補充計算。因此本工程選取了7條地震波(5條地震波,2條人工波)對結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了多遇地震的時程分析,分析結(jié)果表明,本工程選擇的單條波計算所得結(jié)構(gòu)底部剪力不小于振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的65%,多條波計算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值不小于振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的80%,多組時程波的平均地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應(yīng)譜法所用的地震影響系數(shù)曲線相比,在對應(yīng)于結(jié)構(gòu)主要振型的周期點上相差不大于20%,滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[2]和《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[1]的要求。

表5整體結(jié)構(gòu)計算結(jié)果對比

Table 5Comparison of results for structure system

7 多道防線分析

本結(jié)構(gòu)采用框架-支撐芯筒結(jié)構(gòu)體系,支撐芯筒為抗震第一道防線,外框架為抗震第二道防線,由于軟件統(tǒng)計的是所有框架柱和支撐的剪力和傾覆彎矩,采用人工計算復(fù)核外框架和支撐芯筒的剪力和傾覆彎矩分配比例,計算結(jié)果如表6所示。核心筒的剪力比和傾覆彎矩比均大于50%,可以作為抗震第一道防線,外框架的剪力比大于10%,滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[2]9.1.11條對框架-核心筒結(jié)構(gòu)外框架的要求,可以作為抗震第二道防線。 經(jīng)復(fù)核,本工程各層框架承擔(dān)的地震剪力均不小于結(jié)構(gòu)底部縱地震剪力的20%,根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[2]9.1.11條的條文說明,框架地震剪力可不進(jìn)行調(diào)整。

表6底部傾覆彎矩分配比例

Table 6Distribution ratio of bottom overturning moment

8 設(shè)防地震結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)表4構(gòu)件性能目標(biāo)及超限審查的要求,底部加強部位以下的豎向構(gòu)件和支撐均按中震不屈服復(fù)核,局部躍層柱按中震彈性復(fù)核。躍層柱承擔(dān)的剪力應(yīng)不小于相應(yīng)樓層框架柱平均剪力的1.2倍,需考慮在中震下水平位移所產(chǎn)生的二階效應(yīng),并按躍層柱高度進(jìn)行穩(wěn)定性驗算及采取加強措施。經(jīng)復(fù)核,底層豎向構(gòu)件中震最大應(yīng)力比為0.94,支撐最大應(yīng)力比為0.99,躍層柱最大應(yīng)力比為0.98,均滿足規(guī)范要求。

9 罕遇地震結(jié)構(gòu)分析

采用MIDAS BUILDING對本工程結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行靜力彈塑性分析,得出以下結(jié)論:

(1) 罕遇地震下X方向最大層間位移角為1/103,Y方向最大層間位移角為1/156,均滿足規(guī)范要求。

(2) 罕遇地震下,支撐芯筒先于外框架進(jìn)入非線性狀態(tài),框架能充分發(fā)揮抗震第二道防線的作用。對于支撐芯筒,芯筒內(nèi)的支撐比芯筒內(nèi)的框架柱先進(jìn)入非線性狀態(tài),可以起到耗能作用,保護(hù)了芯筒內(nèi)的框架柱。

(3) 本工程在性能點處大部分柱鉸處于彈性狀態(tài),只有少部分底部加強區(qū)的柱鉸進(jìn)入了FEMA規(guī)定的IO(直接使用)彈塑性狀態(tài)。對于框架梁鉸,約17%處于IO(直接使用)彈塑性狀態(tài),8%處于LS(生命安全)彈塑性狀態(tài),僅在底部加強區(qū)出現(xiàn)了個別的CP(防止倒塌)塑性鉸,其余大部分框架鉸仍處于彈性狀態(tài)。

以上結(jié)果表明本工程結(jié)構(gòu)體系耗能良好,安全可靠。

10 結(jié) 論

本文對閩投營運中心的框架-支撐芯筒結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了綜合的計算分析和闡述,并對相關(guān)的一些設(shè)計參數(shù)作出了探討。通過兩種軟件和多種地震情況下的對比分析,本工程所采用的結(jié)構(gòu)體系具有多道抗震防線,耗能性良好,能滿足規(guī)范要求的各項指標(biāo),實現(xiàn)了抗震性能化設(shè)計,安全合理。由于建筑方案的限制,支撐芯筒中支撐布置的方案可選擇性不多,對于支撐芯筒中最優(yōu)最合理的支撐布置可以進(jìn)行更深一步的研究?？蚣?支撐芯筒結(jié)構(gòu)體系跟傳統(tǒng)的框架核心筒結(jié)構(gòu)體系有一些區(qū)別,外框架和支撐芯筒的協(xié)同作用也有待更進(jìn)一步的研究。