浙江某銀行辦公樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

肖 陽

(同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司,上海 200092)

1 工程概況

本項(xiàng)目上部結(jié)構(gòu)分為裙房和塔樓，出于建筑效果考慮，兩者之間不設(shè)抗震縫。塔樓地下2層，地上27層，房屋高度118.000 m。塔樓平面尺寸約為36 m×36 m，采用鋼筋混凝土框架—核心筒結(jié)構(gòu)。主樓7層以下外框柱設(shè)置鋼骨。裙房地下2層，地上4層，房屋高度20.800 m。裙房平面尺寸約為90 m×68 m，采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。1層主入口處4層～5層區(qū)域采用鋼桁架結(jié)構(gòu)。地下室為兩層且連為整體，平面尺寸約112 m×110 m，埋深11.5 m～12.4 m。主樓對應(yīng)地下室采用鋼筋混凝土框架—核心筒結(jié)構(gòu)，其余采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。工程為6度區(qū)，裙房范圍內(nèi)樓層劃分為重點(diǎn)設(shè)防類；裙房以上塔樓取標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類。建筑效果圖見圖1。

2 結(jié)構(gòu)選型

2.1 承重體系

豎向承重體系由樓面梁板結(jié)構(gòu)傳遞給柱和剪力墻。

塔樓：主梁截面主要為300×700～700×1 600(部分為鋼骨梁)，次梁截面主要為250×600～300×700;4層～6層樓板厚度為150 mm，其他樓層核心筒外樓板厚度主要為120 mm，核心筒內(nèi)樓板厚度主要為140 mm?？蚣苤饕孛鏋?00×800～1 000×1 000(7層以下設(shè)置十字形鋼骨)，剪力墻厚度為300 mm～600 mm。

裙房：主梁截面主要為300×700～800×1 500，次梁截面主要為250×600～300×700；2層，3層樓板厚度主要為120 mm，局部樓面開洞較大處及弱連接處樓板厚度為150 mm；4層，5層樓板厚度為150 mm；柱主要截面為600×600～800×1 300(局部設(shè)置十字鋼骨)，主入口處設(shè)置φ1 450鋼骨柱(圓柱)。桁架兩端框架柱截面1 100×1 400(鋼骨截面：H1 000×600×50×50)。

2.2 抗側(cè)力體系

結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度由剪力墻和框架柱共同提供。通過調(diào)整抗側(cè)力構(gòu)件的布置，使得質(zhì)心和剛心盡量接近，加強(qiáng)整體結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)剛度，盡可能減小扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。在結(jié)構(gòu)弱連接處及結(jié)構(gòu)豎向收進(jìn)處樓板厚度增加至150 mm，減小樓板水平拉應(yīng)力并使樓板有效傳遞水平力。

2.3 鋼桁架布置

裙房主入口頂部4層～5層采用鋼桁架結(jié)構(gòu)，最大跨度約為56 m，與鋼桁架連接的左右各一跨混凝土框架采用鋼骨混凝土形式以保證組合結(jié)構(gòu)的有效連接及應(yīng)力分配(見圖2)。

2.4 屈曲約束支撐

5層裙房南側(cè)由于桁架作用，剛度較大，層間位移小，原X向位移比大于1.5；為滿足層間位移比要求塔樓北側(cè)設(shè)置屈曲約束支撐，增加剛度，減少北側(cè)層間位移后，位移比小于1.4(見圖3)。

2.5 梁上立柱

根據(jù)建筑需求，在24層，塔樓右側(cè)5顆框架柱不連續(xù)(梁上立柱)，采用鋼骨梁轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換梁截面為850×1 500(H1 000×500×20×40)，上部結(jié)構(gòu)荷載由轉(zhuǎn)換梁傳遞給兩側(cè)的框架柱，轉(zhuǎn)換梁及兩側(cè)框架柱抗震等級均提高一級。

2.6 塔冠

塔冠結(jié)構(gòu)位于塔樓屋面設(shè)備層(建筑標(biāo)高118 m)以上，總高度約為17.8 m。平面投影為正方形，尺寸約為39 m×39 m。整個(gè)塔冠結(jié)構(gòu)由核心筒+外圍鋼骨混凝土柱+四周環(huán)向鋼梁+屋蓋鋼梁組成(見圖4)。

3 結(jié)構(gòu)抗震等級及性能目標(biāo)

結(jié)構(gòu)抗震等級見表1。

表1 結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震等級

預(yù)設(shè)性能目標(biāo)：D級。

4 超限判別

本單體具有扭轉(zhuǎn)不規(guī)則(位移比大于1.2)、樓板不連續(xù)(地上4層，5層裙房局部有效寬度47%)、構(gòu)件間斷(地上24層～27層部分框架柱不連續(xù))、承載力突變、局部不規(guī)則(穿層柱)5項(xiàng)小超和塔樓偏置(單塔與大底盤的質(zhì)心偏心距與底盤相應(yīng)邊長之比X向?yàn)?3%，Y向?yàn)?0%，大于20%)一項(xiàng)大超[1]。

5 小震分析

5.1 小震反應(yīng)譜法主要計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 主要計(jì)算結(jié)果

主要結(jié)論：

1)兩種軟件的計(jì)算結(jié)果基本一致，計(jì)算結(jié)果可靠，雖然部分結(jié)果存在一定偏差，但變化規(guī)律、基本形態(tài)均相同。

2)結(jié)構(gòu)具有適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度和剛度，滿足各種工況下的計(jì)算要求。

5.2 彈性時(shí)程分析

時(shí)程分析見表3。

主要結(jié)論：

1)每條時(shí)程曲線下結(jié)構(gòu)底部剪力均大于反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的65%，多條時(shí)程曲線下結(jié)構(gòu)底部剪力平均值大于反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的80%，滿足GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(簡稱抗規(guī))的規(guī)定[2]。

2)時(shí)程分析方法顯示結(jié)構(gòu)的反應(yīng)特征、變化規(guī)律與反應(yīng)譜法分析基本一致。時(shí)程分析法的計(jì)算結(jié)果均略小于反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果，反應(yīng)譜法采用的地震影響系數(shù)不需要放大。

表3 時(shí)程分析與反應(yīng)譜分析的底部剪力對比

6 中震分析

地震影響系數(shù)最大值αmax=0.12，特征周期Tg=0.35 s，阻尼比取0.05。內(nèi)力調(diào)整系數(shù)取1.0，材料強(qiáng)度取設(shè)計(jì)值。分析目的主要是計(jì)算關(guān)鍵構(gòu)件配筋及樓板應(yīng)力，用于指導(dǎo)關(guān)鍵構(gòu)件和樓板的配筋設(shè)計(jì)，作為多遇地震組合構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)的補(bǔ)充。中震的計(jì)算結(jié)果表明：

1)裙房樓面弱連接處的框架梁在中震彈性計(jì)算下未超筋，與小震組合下配筋相比，配筋增加約10%～15%；塔樓框架梁在中震彈性計(jì)算下未超筋，與小震組合下配筋相比，配筋增加約5%～15%。

2)裙房對于躍層柱、樓面弱連接部位的柱，在中震彈性計(jì)算下未超筋，柱配筋增加5%以內(nèi)；塔樓框架柱在中震彈性計(jì)算下未超筋，個(gè)別柱配筋增加15%以內(nèi)。

3)核心筒內(nèi)剪力墻，在中震彈性計(jì)算下不超筋，局部水平筋增加30%左右，豎向筋基本無增加，個(gè)別邊緣構(gòu)件配筋由構(gòu)造配筋增加為計(jì)算配筋。

4)核心筒部位墻肢均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，滿足規(guī)范要求。

5)最大樓板應(yīng)力發(fā)生在5層，最大樓板應(yīng)力1.83 kPa，小于混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

對于樓面樓板加強(qiáng)措施：

1)塔樓自大底盤收進(jìn)部分及上下各一層(4層～6層)樓板的厚度采用150 mm。

2)在陰角處配置附加雙層斜向鋼筋，增強(qiáng)樓板受力性能。

3)對洞邊混凝土梁，拉通面筋并加強(qiáng)腰筋配置。

7 大震彈塑性時(shí)程分析

采用MIDAS軟件進(jìn)行大震下的彈塑性時(shí)程分析?；炷帘緲?gòu)關(guān)系采用GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(2015年版)(簡稱混規(guī))附錄C[3]中的單軸受壓應(yīng)力—應(yīng)變本構(gòu)模型，采用一維桿件模型模擬梁、柱兩種桿單元。構(gòu)件的塑性損傷采用集中鉸模擬。在框架柱兩端設(shè)置P-M-M鉸?；炷林颁摴腔炷林鶚?gòu)件的滯回模型采用程序自帶的隨動(dòng)強(qiáng)化三折線滯回模型(見圖5,圖6)。

主要結(jié)論：

1)大震下結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)，滿足“大震不倒”的設(shè)防目標(biāo)。

2)大震作用下，基底剪力是小震作用下5倍～6倍，最大層間位移角1/393遠(yuǎn)小于1/100，可判斷結(jié)構(gòu)整體上進(jìn)入了輕微～輕度(偏輕微)的塑性，見表4。

表4 各地震工況下的基底剪力

序號地震波X主向Y主向基底剪力/kN剪重比/%基底剪力/kN剪重比/%1RH434 3134.0135 3904.142TH644 4685.2046 4855.433TH10945 3685.3037 1624.344平均值41 3834.8439 6794.645CQC7 4430.877 4860.876包絡(luò)值與小震彈性比值5.565.30

3)桁架及所連框架柱、體型收進(jìn)處上下各兩層塔樓框架柱基本無損壞或者有輕度損壞，大跨框架及躍層柱有輕度損壞。底層柱最多至第一屈服狀態(tài)，開裂但尚未屈服。連梁大部分進(jìn)入第二屈服狀態(tài)，起到很好的塑性耗能作用。

4)核心筒大部分處于彈性，墻體剪切變形基本處于彈性狀態(tài)；框架柱基本處于彈性階段；框架梁及連梁端部形成充分的塑性鉸，實(shí)現(xiàn)了耗能機(jī)制。結(jié)構(gòu)具有良好抗震性能，能實(shí)現(xiàn)既定的抗震性能目標(biāo)。

5)鋼連廊構(gòu)件全部處于彈性狀態(tài)，具有一定的安全儲備。

6)防屈曲約束支撐在大震作用下未損壞，能夠很好的發(fā)揮作用。

8 溫度作用分析

考慮季節(jié)溫差及混凝土徐變影響，進(jìn)行溫度作用分析，計(jì)算結(jié)果顯示，2層～5層最大拉應(yīng)力分別為1.4 MPa，1.2 MPa，0.7 MPa,0.6 MPa。下部樓層豎向構(gòu)件(柱及剪力墻)變形較小，與樓板收縮變形不協(xié)調(diào)產(chǎn)生拉應(yīng)力，但均未超過C30混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.43 MPa。上部樓層雖然樓面長度超長，但樓層較高處豎向構(gòu)件變形較大，對樓板平面剛度約束較弱，故樓板溫度應(yīng)力不顯著(見圖7)。

9 鋼桁架樓面舒適度分析

裙房主入口上方(標(biāo)高15.950)處鋼桁架，跨度55 m，高度5.5 m，上弦梁截面為H1 400×700×60×60，H1 200×500×60×60；下弦梁截面為H950×700×60×60，H650×450×30×30，豎桿截面為H1 000×450×60×60，斜桿截面為H500×450×20×25，H400×450×20×20，鋼材標(biāo)號為Q420GJC，板為150 mm厚C30的鋼筋桁架樓板(見圖8)。

JGJ 3—2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(簡稱高規(guī))第3.7.7條[4]規(guī)定樓蓋結(jié)構(gòu)豎向振動(dòng)頻率不宜小于3 Hz；混規(guī)第3.4.6條規(guī)定樓蓋結(jié)構(gòu)豎向振動(dòng)頻率辦公樓不宜小于4 Hz，大跨度公共建筑不宜小于3 Hz。使用YJK1.9.1軟件進(jìn)行舒適度分析，鋼桁架部位樓板在考慮1.0D+0.5L為質(zhì)量源情況下，豎向振動(dòng)頻率為4.4 Hz，滿足規(guī)范要求。

10 躍層柱計(jì)算長度確定

表5 躍層柱計(jì)算長度

裙房主入口上方鋼桁架存在躍層柱，最大躍層層高為16 m，采用歐拉屈曲公式，對躍層柱的計(jì)算長度進(jìn)行確定，選取整體模型通過下式，得到框架柱的計(jì)算長度(見表5，圖9)。

11 主要結(jié)論

鑒于本工程的設(shè)防烈度、場地條件、不規(guī)則的情況以及經(jīng)濟(jì)性等方面的綜合考慮，本工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)設(shè)定了與建筑物本身相匹配的較為合理的性能目標(biāo)。由于在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采取了較為合理的結(jié)構(gòu)布置，并對結(jié)構(gòu)的薄弱處采取了有效的措施，從而減少了不規(guī)則帶來的不利影響。由計(jì)算結(jié)果分析得知，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)際達(dá)到C級性能目標(biāo)，超過了預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，計(jì)算結(jié)果滿足抗規(guī)和高規(guī)的要求。