某體形扭轉(zhuǎn)的高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

廖昉，馬悅，梁濤

（1重慶城市綜合交通樞紐（集團(tuán)）有限公司，重慶 400025；2中機(jī)中聯(lián)工程有限公司，重慶 400039）

1 工程概況

該工程為重慶市仙桃數(shù)據(jù)谷項(xiàng)目二期工程1#樓。1#樓為建筑功能辦公建筑，地下2層，地上25層。單棟建筑面積約2.2萬m2，建筑結(jié)構(gòu)為框架-核心筒結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)高度為103m。工程設(shè)計(jì)年限為50年。結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，場(chǎng)地類別為Ⅲ類，抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)地震分組為第一組?；撅L(fēng)壓取50年一遇w0=0.40kN/m2進(jìn)行承載力設(shè)計(jì)，地面粗糙度為B類。結(jié)構(gòu)嵌固端于基礎(chǔ)頂部。整體建筑效果圖如圖1所示。

圖1 建筑效果圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)體系的選擇

該項(xiàng)目外形由從底到頂?shù)男毕蜇Q線條構(gòu)成，形成貫穿建筑的立面斜向線條，斜線條沿底層平面邊界指向屋頂，沿順時(shí)針方向形成體形，并勾勒出各層平面。為滿足建筑外立面需求，從結(jié)構(gòu)體系、工程造價(jià)和施工工藝等多方面進(jìn)行了對(duì)比分析，最后確定采用中間設(shè)置核心筒，結(jié)合建筑平面在變化較大的位置周邊設(shè)置沿法向變化的斜框架柱。該方案斜柱相對(duì)于核心筒對(duì)稱設(shè)置，傳力合理也沒有大跨度懸挑梁。方案典型樓層平面布置圖：2層、6層、14層、20層和27層 （屋面）， 如圖2所示。

圖2 建筑效果圖典型樓層平面布置圖

從圖2中可以看出，該樓形成了兩頭大中間小的建筑形態(tài)，2層和屋面層的單層建筑面積約為1004m2，細(xì)腰部14層的單層建筑面積為803m2。采用框架-核心筒體，斜柱相對(duì)于核心筒兩兩對(duì)稱。斜柱通過水平構(gòu)件傳遞到核心筒，對(duì)稱布置的斜柱軸力產(chǎn)生的水平分力與水平荷載作用方向相反，相互抵消。

2.2 主要構(gòu)件尺寸及材料

核心筒外圍剪力墻厚度X向?yàn)?00mm，Y向?yàn)?00mm，到屋頂厚度變?yōu)?00mm，內(nèi)部墻厚為200mm、250mm、300mm等尺寸。外圍框架柱截面尺寸為Φ1000×30mm，Φ900×30mm，Φ900×25mm鋼管混凝土，混凝土框架梁均采用型鋼混凝土梁，截面為400mm×600mm， 內(nèi)藏H型鋼400mm×475mm×12mm×20mm?；炷翉?qiáng)度等級(jí)：剪力墻為C50～C30，鋼管柱為C50～C40，標(biāo)準(zhǔn)層梁板混凝土標(biāo)號(hào)為C40。型鋼均采用Q345B。結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

3 結(jié)構(gòu)分析

3.1 整體計(jì)算結(jié)果

本文利用工程計(jì)算軟件盈建科對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇地震作用下的振型分解反應(yīng)譜計(jì)算分析。CQC法的計(jì)算結(jié)果如表1所示?？梢钥闯?，整體結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果均滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]和《高程建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[2]要求。

表1 多遇地震CQC法計(jì)算結(jié)果

3.2 樓面水平構(gòu)件內(nèi)力分析

由于建筑功能布置原因，核心筒X向?yàn)檎袅Γ鳼向由于門洞和設(shè)備洞口原因需要開洞，核心筒角部的關(guān)鍵區(qū)域墻肢較短，截面分別為500mm×1200mm和500mm×1550mm，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，針對(duì)核心筒關(guān)鍵墻肢做剪力分析。地震計(jì)算工況為中震彈性，水平地震影響系數(shù)為0.12，荷載組合為1.2×恒+0.6×活+1.3×中震，分析方向?yàn)閅向，材料強(qiáng)度取設(shè)計(jì)值。結(jié)合現(xiàn)有研究的分析思路和方法[3-4]，確定該結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件并編號(hào)，如圖4所示。

關(guān)鍵構(gòu)件的計(jì)算結(jié)果如表2—表4所示。

表2 2層核心筒關(guān)鍵墻肢剪力統(tǒng)計(jì)

表3 14層核心筒關(guān)鍵墻肢剪力統(tǒng)計(jì)

表4 27層核心筒關(guān)鍵墻肢剪力統(tǒng)計(jì)

分析表2—表4可以發(fā)現(xiàn)，底層部分的剪力主要由地震力貢獻(xiàn)，但斜柱的水平分力對(duì)核心筒產(chǎn)生了較大的附加剪力。

3.3 樓面水平構(gòu)件內(nèi)力分析

基于結(jié)構(gòu)體形特點(diǎn)，在豎向荷載作用下斜柱軸力的水平分力傳遞到水平構(gòu)件和核心筒上，因此通過YJK計(jì)算分析水平構(gòu)件的軸力，樓板采用彈性膜，考慮樓板的面內(nèi)剛度，框架梁中震工況軸力情況如表5所示。

表5 框架梁中震工況軸力統(tǒng)計(jì)

從表5可以看出，由于斜柱受力特性，重力荷載對(duì)水平構(gòu)件產(chǎn)生的軸力較大，2層主要為拉力，14層和27層主要為壓力。

4 針對(duì)斜柱采取的措施

通過多結(jié)構(gòu)的受力分析，斜柱軸力的水平分力主要由框架梁傳遞，且建筑對(duì)室內(nèi)凈空有嚴(yán)格要求，故通過在框架梁內(nèi)設(shè)置型鋼來提高框架梁的承載力。具體措施如下：

（1）W1—W4等關(guān)鍵核心筒墻肢內(nèi)設(shè)型鋼，與斜柱相連的暗柱設(shè)置型鋼增加剪力墻的抗剪能力，按中震彈性對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)；

（2）框架梁內(nèi)設(shè)置型鋼，增加框架梁受拉和受壓承載力，根據(jù)所受拉力和壓力大小來合理設(shè)置型鋼的截面；

（3）外圍框架梁內(nèi)設(shè)置型鋼，增加外圍框架梁剛度；

（4）2層斜柱轉(zhuǎn)直柱層采用180mm厚樓板，標(biāo)準(zhǔn)層采用140mm厚樓板增加平面內(nèi)剛度，設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)合應(yīng)力分析結(jié)果進(jìn)行配筋。

5 整體屈曲分析

由于周邊斜柱在結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系和豎向傳力體系中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，需要通過整體屈曲分析來了解結(jié)構(gòu)屈曲模態(tài)和對(duì)應(yīng)的屈曲因子，從而對(duì)影響結(jié)構(gòu)的薄弱部位進(jìn)行加強(qiáng)。通過1.0恒載+0.5活載的屈曲計(jì)算分析得出表6中的屈曲因子。從計(jì)算結(jié)果看出，屈曲因子均大于61，表明結(jié)構(gòu)具有良好的整體穩(wěn)定性，第一屈曲模態(tài)出現(xiàn)為層高較高的1層（均為直柱），在后期設(shè)計(jì)階段會(huì)將該位置柱截面加大。

表6 屈曲分析結(jié)果

6 靜力彈塑性（PushOver）分析

為分析結(jié)構(gòu)在大震下的抗震性能并發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)薄弱部位，采用軟件YJK-PushOver對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力彈塑性（PushOver）推覆分析。

非線性分析時(shí)，考慮P-Δ二階效應(yīng)的影響。隨著側(cè)推荷載的逐步增大，結(jié)構(gòu)位移逐漸增加，從而得到基底剪力-位移曲線，轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)的能力譜。能力譜和需求譜交點(diǎn)即為性能點(diǎn)。該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)應(yīng)處于目標(biāo)性能范圍之內(nèi)。結(jié)構(gòu)所承受的初始豎向荷載為重力荷載代表值，即1.0×恒+0.5×活，材料強(qiáng)度取標(biāo)準(zhǔn)值。該結(jié)構(gòu)X向的動(dòng)力特性和結(jié)構(gòu)剛度較弱，故主要分析X向的計(jì)算結(jié)果，罕遇地震作用下需求譜-能力譜曲線如圖5所示。

圖5 罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)需求譜與能力譜曲線關(guān)系

從圖5可以看出，結(jié)構(gòu)的性能點(diǎn)對(duì)應(yīng)的最大彈塑性層間位移角為1/489（25層），滿足規(guī)范1/100的限值。頂點(diǎn)位移為147.8mm，對(duì)應(yīng)的底部總剪力為20459.5kN。

結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下性能點(diǎn)的結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)如圖6所示。

圖6 罕遇地震作用下性能點(diǎn)結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)

從推覆分析的過程中可以發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)的塑性鉸首先出現(xiàn)在上部樓層核心筒中間的連梁上，隨后出現(xiàn)在核心筒與外框柱（斜柱和直柱）的框架梁上，隨著荷載進(jìn)一步增加，部分連梁和框架梁出現(xiàn)了輕微損傷，部分核心筒底層洞口兩側(cè)的剪力墻出現(xiàn)輕微損傷，外框柱（斜柱和直柱）僅僅在塔樓上部1/2范圍出現(xiàn)了較多輕微損傷。整個(gè)推覆分析損傷情況顯示結(jié)構(gòu)具有較高的安全儲(chǔ)備，能夠達(dá)到大震不倒的性能目標(biāo)。

7 斜柱N-M曲線

斜柱受力特性復(fù)雜，與直柱相比承受更大的彎矩。同時(shí)，斜柱框架柱是此結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件，因此對(duì)結(jié)構(gòu)框架柱提出了在設(shè)防地震作用下保持彈性的性能要求，并在中震彈性工況下進(jìn)行正截面承載力驗(yàn)算，以分析斜柱構(gòu)件承載能力的富余度。本文讀取YJK軟件框架柱內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，得到了圖7所示的重要斜柱KZ1和圖8所示重要斜柱KZ3的N-M曲線。

圖7 KZ1中震彈性N-M相關(guān)曲線

圖8 KZ3中震彈性N-M相關(guān)曲線

分析圖7和圖8可以發(fā)現(xiàn)，中震彈性工況下各點(diǎn)均處于外圈包絡(luò)曲線以內(nèi)，N-M曲線的包絡(luò)情況良好，兩個(gè)重要斜柱能夠滿足承載力要求且具有較大的富余度。

8 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

根據(jù)斜柱和水平構(gòu)件內(nèi)力的分析結(jié)果，在結(jié)構(gòu)2層位置由斜柱轉(zhuǎn)為直柱的范圍構(gòu)件內(nèi)力較大，考慮到此節(jié)點(diǎn)較為關(guān)鍵，對(duì)該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)。在對(duì)比多種節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)折構(gòu)造后，最終采用的設(shè)計(jì)方案為在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)設(shè)置4個(gè)厚20mm內(nèi)加勁環(huán)板，并通過8個(gè)平均分布的豎向加勁板把4個(gè)厚20mm加勁環(huán)板連接在一起，如圖5所示。節(jié)點(diǎn)的鋼材均采用Q345B級(jí)鋼，構(gòu)件連接采用坡口焊，整個(gè)節(jié)點(diǎn)在工廠加工，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行上下柱位置焊接，保證其完整性和精度。斜柱典型節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)及透視圖如圖9所示。

圖9 斜柱典型節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)圖

9 風(fēng)荷載補(bǔ)充分析

因該工程建筑外觀扭轉(zhuǎn)明顯，本文根據(jù)顧磊、張默、黃瀅等[5-7]的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，利用工程軟件ANSYS-FLUENT，以Transition-SST模型分析了風(fēng)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響。

該工程首先通過曲面處理軟件處理了建筑模型，然后通過AutoCAD、ANSYS Structural/FLOTRAN等軟件進(jìn)行模型的轉(zhuǎn)換工作。本文在FLUENT中采用速度進(jìn)口邊界條件velocity-inlet和壓強(qiáng)出口邊界條件，定義風(fēng)場(chǎng)為B類風(fēng)場(chǎng)，編寫腳本文件并在FLUNET中讀入，實(shí)現(xiàn)了隨高度變化的入射風(fēng)場(chǎng)，完成了該結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載有限元分析。

圖10 風(fēng)荷載影響壓強(qiáng)分析云圖（單位：Pa）

圖11 風(fēng)荷載影響流速分析云圖（單位：m/s）

經(jīng)過計(jì)算所得到的分析結(jié)果云圖如圖10和圖11所示。

從圖10和圖11中可以看出，風(fēng)荷載對(duì)該結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯的不利影響，采用現(xiàn)行規(guī)范中的相關(guān)荷載要求能夠包絡(luò)風(fēng)荷載有限元分析的結(jié)果。

10 結(jié)論

（1）該工程為建筑立面扭轉(zhuǎn)的工程，經(jīng)過分析比較，確定了核心筒加外框斜柱的結(jié)構(gòu)方案。

（2）對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了整體分析，分析了設(shè)置斜柱對(duì)核心筒和框架梁產(chǎn)生的不利影響，根據(jù)分析結(jié)果提出了對(duì)核心筒關(guān)鍵墻肢內(nèi)設(shè)型鋼、框架梁內(nèi)設(shè)置型鋼和加厚樓板等針對(duì)性措施。其次補(bǔ)充了整體屈曲分析，屈曲因子均大于61，結(jié)構(gòu)具有良好的整體穩(wěn)定性。

（3）對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜力推覆分析，結(jié)構(gòu)的性能點(diǎn)對(duì)應(yīng)的最大彈塑性層間位移角為1/489（25層），滿足規(guī)范1/100的限值。整個(gè)推覆分析損傷情況顯示結(jié)構(gòu)具有較高的安全儲(chǔ)備，能夠達(dá)到大震不倒的性能目標(biāo)。

（4）補(bǔ)充分析了風(fēng)荷載對(duì)扭轉(zhuǎn)外立面的不利影響，對(duì)后期的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和幕墻設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)參考。