某金融大廈斜交外網(wǎng)格塔樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

曾志和，潘衛(wèi)球，施永芒

（1、悉地國際設(shè)計(jì)顧問（深圳）有限公司 深圳518048；2、深圳農(nóng)村商業(yè)銀行股份有限公司 深圳518000）

1 工程概況

深圳某金融大廈（見圖1），位于深圳市寶安中心區(qū)，中央綠洲西側(cè)，圖書館旁。東至臨寶興路，南至臨海秀路，西至臨興業(yè)路，北至小區(qū)路。項(xiàng)目總用地面積7 665.64 m2。建筑主要功能為深圳某銀行總部辦公，塔樓主屋面高為148.7 m，地上34 層，標(biāo)準(zhǔn)層高為4.5 m，出屋面構(gòu)架3 層，構(gòu)架層頂高度為161.580 m，地下6 層，建筑總面積約為91 500 m2，采用菱形斜交網(wǎng)格支撐鋼框架+混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)體系。嵌固端位于首層。塔樓平面尺寸為45 m×45 m，塔樓高寬比為3.59，X、Y 向核心筒高寬比均為7.24。

工程設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年?？拐鹪O(shè)防烈度為7 度（0.1g），地震分組為第一組，抗震設(shè)防類別為丙類，場地類別為Ⅱ類［1］?；撅L(fēng)壓取50年一遇，為0.75 kPa，地面粗糙度為B 類。塔樓采用人工挖孔樁基礎(chǔ)，持力層為中風(fēng)化/微風(fēng)化花崗片麻巖層，地下水位為-1.0 m。

圖1 建筑效果圖Fig.1 Architectural Renderings

2 結(jié)構(gòu)布置、受力特點(diǎn)及超限情況

2.1 塔樓結(jié)構(gòu)布置

塔樓采用菱形斜交網(wǎng)格支撐鋼框架+混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)體系構(gòu)成如圖2 所示。塔樓外框架柱地下6 層～地下1 層為型鋼混凝土柱，角柱截面尺寸為1 800 mm×1 800 mm，其他柱截面尺寸為1 500 mm×1 500 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60；1 層以上角部采用L 形鋼管組合截面柱，截面尺寸由L950（肢長）×950（肢長）×800（肢寬）×70 mm（壁厚）變化至L600（肢長）×600（肢長）×400（肢寬）×30 mm（壁厚），鋼號(hào)由Q390GJ 變?yōu)镼390；1 層以上斜交網(wǎng)格截面由□800×450×70×70 變化至□425×425×27×27，到頂部樓層最后變化為I425×350×20×25，鋼號(hào)為Q390；核心筒外墻厚由600 mm 變化至400 mm，內(nèi)墻厚均為350 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C60～C40。結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層平面及建筑剖面如圖3、圖4 所示。標(biāo)準(zhǔn)層無外邊框梁，斜交網(wǎng)格在每一樓層處匯交，樓面內(nèi)框鋼梁在匯交點(diǎn)處剛接，與核心筒鉸接。偶數(shù)層角部樓面斜梁與角柱不相連，奇數(shù)層角部樓面斜梁與角柱剛接。

圖2 結(jié)構(gòu)體系構(gòu)成示意Fig.2 Structure System Constitution

圖3 塔樓標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面圖Fig.3 Typical Structural Layout of Tower

圖4 塔樓立面及剖面Fig.4 Elevation and Section of Tower

2.2 受力特點(diǎn)

因建筑幕墻相對于外框往核心筒方向偏移進(jìn)去1 650 mm，導(dǎo)致整層樓板與斜交網(wǎng)格外框不相連，周邊梁與斜交網(wǎng)格之間樓面的重力荷載通過短梁和短梁后跨梁傳遞至外框和核心筒（見圖5）。因?yàn)槎塘虹U空無樓板，為了能抵抗不平衡扭矩，短梁采用箱型截面，并與斜交網(wǎng)格外框剛接。

圖5 構(gòu)件定義圖Fig.5 Component Definition

在地震作用及風(fēng)荷載作用下，斜交外網(wǎng)格與核心筒之間存在變形差，因?yàn)槎塘禾師o樓板，變形導(dǎo)致短梁產(chǎn)生面外彎矩。

斜交外網(wǎng)格無水平拉梁，導(dǎo)致角柱會(huì)產(chǎn)生面外的水平力，該水平力通過角部的樓面斜梁承擔(dān)，底部樓層該樓面斜梁的水平拉力最大。

2.3 超限情況

塔樓部分超限內(nèi)容主要有：①特殊類型高層建筑；②1～5 層通高大堂樓板不連續(xù)；③樓板與斜交網(wǎng)格外框不相連。

3 抗震性能目標(biāo)

按照《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：JGJ 3-2010》（以下簡稱“高規(guī)”）［2］，根據(jù)本項(xiàng)目特點(diǎn)，塔樓結(jié)構(gòu)整體抗震性能目標(biāo)擬達(dá)C 級(jí)［3-5］，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能水準(zhǔn)及抗震等級(jí)如表1 所示。

表1 結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能水準(zhǔn)及抗震等級(jí)Tab.1 Performance Level and Seismic Grade

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 小震結(jié)構(gòu)基本性能

本工程采用ETABS 和PKPM 兩種軟件計(jì)算了小震和風(fēng)荷載各項(xiàng)性能指標(biāo)，主要計(jì)算結(jié)果如表2 所示。扭轉(zhuǎn)周期比最大0.385，小于規(guī)范規(guī)定的0.85；風(fēng)荷載作用下最大位移角1/1 962，地震作用下最大位移角為1/2 096，小于規(guī)范規(guī)定的1/765；最小剪重比2.38%，大于規(guī)范規(guī)定的1.6%。因此，結(jié)構(gòu)能滿足小震基本性能。

4.2 角柱抗連續(xù)倒塌研究

根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，底部角柱如果出現(xiàn)破壞結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生連續(xù)倒塌的可能。根據(jù)《高規(guī)》第3.12.6 條對底層角柱及其相連斜交網(wǎng)格構(gòu)件的表面附加80 kN/m2側(cè)向偶然荷載，然后驗(yàn)算偶然荷載作用下的承載力，具體加載位置如圖6 所示。

表2 主要計(jì)算結(jié)果Tab.2 Main Calculation Results

圖6 角柱加載Fig.6 Corn Column Load

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50017-2003》第5.2.2條計(jì)算彎矩作用平面內(nèi)和平面外的穩(wěn)定應(yīng)力分別為145 N/mm2、142 N/mm2，小于極限值406 N/mm2；根據(jù)第5.2.5 條計(jì)算關(guān)于X 軸和Y 軸雙向彎矩的穩(wěn)定應(yīng)力分別為164 N/mm2、170 N/mm2，小于極限值406 N/mm2。因此，滿足抗連續(xù)倒塌的要求。

4.3 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)有限元分析

本項(xiàng)目樓板與外框分離，樓面斜梁存在較大的軸力，且結(jié)構(gòu)外框?yàn)樾苯痪W(wǎng)格，角柱與斜交網(wǎng)格連接處節(jié)點(diǎn)受力復(fù)雜，同時(shí)考慮日照溫度的影響，故選取南面5層樓面斜梁與角柱連接處的節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行實(shí)體節(jié)點(diǎn)有限元分析。分析的節(jié)點(diǎn)位置及三維示意圖如圖7 所示。

圖7 節(jié)點(diǎn)位置及實(shí)體節(jié)點(diǎn)Fig.7 Joint Position & Solid Joint

為了真實(shí)模擬節(jié)點(diǎn)模型的邊界條件，將實(shí)體節(jié)點(diǎn)的劃分網(wǎng)格模型引入整體計(jì)算模型中，與節(jié)點(diǎn)相連接的構(gòu)件將提供相對真實(shí)的剛度矩陣，來反應(yīng)節(jié)點(diǎn)端部的約束條件。節(jié)點(diǎn)分析的主要流程為［6-8］：采用Midas FEA 建立節(jié)點(diǎn)的實(shí)體有限元模型，并采用自動(dòng)網(wǎng)格劃分單元，最終將節(jié)點(diǎn)實(shí)體模型引入Midas GEN的整體模型中進(jìn)行真實(shí)邊界及荷載的模擬。節(jié)點(diǎn)實(shí)體有限元模型及整體模型如圖8 所示。

圖8 節(jié)點(diǎn)實(shí)體有限元模型及整體模型Fig.8 Solid Finite Model of Joint & Whole Model

角柱內(nèi)力最大控制工況下，節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力云圖如圖9 所示。從圖9 中可以看出，角柱最大應(yīng)力出現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)交匯處以及角柱的內(nèi)側(cè)，由于結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)中控制應(yīng)力為穩(wěn)定應(yīng)力比，節(jié)點(diǎn)實(shí)體分析為強(qiáng)度應(yīng)力比，平均應(yīng)力在200～230 MPa，角柱強(qiáng)度應(yīng)力有一定的富余度。

圖9 角柱節(jié)點(diǎn)控制應(yīng)力云圖Fig.9 Control Stress of Joint of Corner Column

4.4 包絡(luò)設(shè)計(jì)模型確定

在重力、風(fēng)和地震荷載以外，斜交網(wǎng)格系統(tǒng)及其與樓板系統(tǒng)間的連接還要承受核心筒與周邊不同的溫度位移而產(chǎn)生的作用力［9］。由于系統(tǒng)高度冗余，為了涵蓋構(gòu)件中可能的所有內(nèi)力，構(gòu)件將按照以下4個(gè)模型任何一個(gè)計(jì)算得到的最大內(nèi)力設(shè)計(jì)：

模型1：獲得樓層末端斜撐和周邊梁的最大內(nèi)力。此模型中所有支撐與斜交網(wǎng)格的連接固接，且無樓板。每2 層在核心筒與周邊構(gòu)件間設(shè)置樓面支撐以傳遞扭轉(zhuǎn)作用力。

模型2：獲得角部斜梁末端的局部最大內(nèi)力。此模型所有角部斜梁鉸接而其他支撐與斜交網(wǎng)格的連接不傳遞彎矩和水平剪力，樓板剛度折減為30%。

模型3：獲得實(shí)際內(nèi)力和正常使用狀態(tài)下的撓度與內(nèi)力。此模型中所有支撐和斜梁與斜交網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)固接，且樓板剛度折減為30%。

模型4：獲得實(shí)際內(nèi)力和正常使用狀態(tài)下的撓度與內(nèi)力。此模型中所有支撐固接，斜梁與斜交網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)鉸接，且樓板按照剛性樓板模擬。

4.5 動(dòng)力彈塑性分析

本工程采用Perform-3D 研究結(jié)構(gòu)的動(dòng)力彈塑性特性。分析結(jié)果表明：X、Y 向最大層間位移角分別為1/280，1/262，均小于規(guī)范規(guī)定的1/100 限值。

大震作用下，無剪力墻受剪破壞；無連梁受剪屈服，大部分連梁彎曲屈服，進(jìn)入塑性階段，且大部分彎矩塑性鉸都小于IO 限值，沒有彎矩塑性鉸超出LS 和CP 限值，連梁出現(xiàn)塑性能有效的耗散地震能量；斜交網(wǎng)格柱的抗壓、抗拉及抗剪切的驗(yàn)算都沒有超出承載力，且未出現(xiàn)屈服。

5 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究

本工程委托廣州大學(xué)工程抗震研究中心進(jìn)行了模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究。振動(dòng)臺(tái)的主要試驗(yàn)結(jié)果如下［10］：

⑴在所有地震作用下，主體結(jié)構(gòu)X 向加速度放大系數(shù)，在多遇地震情況時(shí)最大值為3.0359；在設(shè)防地震情況時(shí)最大值為3.0846；在罕遇地震情況時(shí)最大值為2.3426；主體結(jié)構(gòu)Y 向加速度放大系數(shù)，在多遇地震情況時(shí)最大值為3.1093；在設(shè)防烈度地震情況時(shí)最大值為2.4079；在罕遇地震情況時(shí)最大值為1.7794。以上結(jié)構(gòu)表明鞭梢效應(yīng)比較顯著。

⑵在多水準(zhǔn)地震作用下，結(jié)構(gòu)層間位移最大值出現(xiàn)樓層的規(guī)律基本相同，結(jié)構(gòu)的層間位移和層間位移角的最大值主要出現(xiàn)在第29～33 層，此外結(jié)構(gòu)頂部也相對較大。多遇地震作用下，主體結(jié)構(gòu)X 向最大層間位移角的平均值為1/1 183；Y 向最大層間位移角的平均值為1/1 222；在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)X 層間位移角的最大值為1/218，Y 向?qū)娱g位移角的最大值為1/322。位移角滿足規(guī)范要求。

⑶剪力墻在25 層、28 層、35 層、36 層中部分位置接近樓板處出現(xiàn)一些水平方向裂縫，但滿足罕遇地震作用下性能水準(zhǔn)4的要求。

⑷斜交網(wǎng)格的鋼結(jié)構(gòu)部分構(gòu)件在28～30 層出現(xiàn)屈曲和破壞現(xiàn)象。不滿足罕遇地震作用下性能水準(zhǔn)3的要求。經(jīng)大震設(shè)計(jì)分析，這些部位的應(yīng)力比滿足設(shè)計(jì)要求，出現(xiàn)局部屈曲和破壞現(xiàn)象可能是由其他原因造成的。

⑸斜梁連接處樓板出現(xiàn)一定破壞，主要集中在27 層、28 層、29 層、31 層、32 層、33 層、34 層。

根據(jù)試驗(yàn)宏觀現(xiàn)象和實(shí)測數(shù)據(jù)分析表明，經(jīng)歷多遇地震、設(shè)防烈度地震和罕遇地震3 種地震波作用，結(jié)構(gòu)總體上滿足抗震性能目標(biāo)。

6 結(jié)論

經(jīng)過仔細(xì)研究分析和振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)驗(yàn)證，某金融大廈的結(jié)構(gòu)體系、節(jié)點(diǎn)形式和抗震性能目標(biāo)等合理可行［11］。

⑴塔樓采用菱形斜交網(wǎng)格支撐鋼框架+混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)體系，是合理安全可行的。斜交網(wǎng)格外網(wǎng)格有較好的抗側(cè)剛度和抗扭剛度，外網(wǎng)格無水平拉梁，且與樓板不相連，該結(jié)構(gòu)有一定的創(chuàng)新性。

⑵樓面梁的短梁周邊無樓板，梁的面外彎矩和扭轉(zhuǎn)無法通過樓板平衡，需要采用箱型梁且支座需要用剛接，設(shè)計(jì)時(shí)需考慮雙向受彎和軸拉力。

⑶為了能夠讓角部斜梁的拉力傳遞給周邊梁和板，在有斜梁樓層的樓板外圍設(shè)置水平樓面桁架。

⑷角部斜梁與樓板之間采用部分抗剪連接，避免因斜梁受拉引起的角部樓板產(chǎn)生過大開裂。

⑸動(dòng)力彈塑性分析表明，剪力墻和斜交網(wǎng)格未出現(xiàn)破壞，連梁受彎屈服形成塑性鉸，滿足大震不倒的性能目標(biāo)。