交通銀行某分行營(yíng)業(yè)大樓超限結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

王國(guó)銓

(林產(chǎn)工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)院廈門分院 福建廈門 361004)

1 工程概況與主要設(shè)計(jì)參數(shù)

項(xiàng)目坐落于福建省某市區(qū)，占地面積1.1hm2，總建筑面積55 000m2。營(yíng)業(yè)大樓由兩層地下室、20層塔樓、5層裙樓構(gòu)成；首層結(jié)構(gòu)層高為5.1m，其余各層結(jié)構(gòu)層高均為4.5m，建筑高度91.3m(裙房高度21.8m)。項(xiàng)目建筑鳥瞰圖及剖面圖，如圖1～圖2所示。結(jié)構(gòu)主要設(shè)計(jì)參數(shù)，如表1所示。

2 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

根據(jù)該營(yíng)業(yè)大樓項(xiàng)目《巖土工程勘察報(bào)告》，場(chǎng)地內(nèi)土層⑩卵石層[厚度為16.20m～21.20m，頂面標(biāo)高為-40.69～-35.63m]，其力學(xué)強(qiáng)度較高、巖層厚度較厚中風(fēng)化花崗巖，可選作樁基持力層，但其埋藏深度大，頂面標(biāo)高為-64.69m～-67.43m]。典型地質(zhì)剖面、底板承臺(tái)標(biāo)高示意如圖3所示。

圖1 鳥瞰圖

圖2 剖面圖

表1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

綜合考慮上部重力荷載等因素，主樓、裙房及地下室均采用沖孔灌注樁基礎(chǔ)方案，以⑩卵石作為樁基基持力層，主塔樓選用1200mm樁徑，裙房部分根據(jù)柱底內(nèi)力需要選用1000mm、1200mm樁徑；裙樓和地下室區(qū)域進(jìn)行抗浮驗(yàn)算，裙樓和純地下室位置上浮力大于結(jié)構(gòu)與底板重量，結(jié)果表明存在抗浮問題。基此，設(shè)置了抗拔樁，抗拔樁選用800mm、1000mm、1200mm 3種樁徑。各樁有效樁長(zhǎng)為45m～48m。

圖3 典型地質(zhì)剖面圖

3 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

3.1 結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)

主樓塔樓采用框筒結(jié)構(gòu)，裙房采用框架結(jié)構(gòu)(為加強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗扭剛度，在裙房樓、電梯間設(shè)置剪力墻)。裙房北側(cè)大懸挑、裙房屋面、塔樓屋面6m構(gòu)架采用設(shè)置斜撐加強(qiáng)，主要結(jié)構(gòu)截面、混凝土強(qiáng)度等級(jí)參數(shù)，如表2所示。

主樓及裙房地下室頂板區(qū)域結(jié)構(gòu)板厚度為180mm，純地下室部分結(jié)構(gòu)板厚度為200mm。塔樓標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)樓板板厚為120mm。因該項(xiàng)目存在塔樓偏置，在塔樓第六、第七層處結(jié)構(gòu)樓板加厚至150mm。結(jié)構(gòu)典型平面布置圖如圖4所示。

表2 主要結(jié)構(gòu)截面、混凝土強(qiáng)度等級(jí)參數(shù)

(a)三層 (b)塔樓標(biāo)準(zhǔn)層 (c)十七層圖4 結(jié)構(gòu)典型平面布置圖

3.2 超限情況說明及抗震性能目標(biāo)

根據(jù)《超限高層專項(xiàng)審查要點(diǎn)》[1](20150512)有關(guān)規(guī)定進(jìn)行細(xì)則分析，該項(xiàng)目A級(jí)高度。主要存在以下結(jié)構(gòu)不規(guī)則項(xiàng)：

①扭轉(zhuǎn)不規(guī)則[1]：考慮偶然偏心時(shí)，Y向裙房最大位移比為1.39，裙房以上樓層塔樓最大位移比為1.35，略超過規(guī)范1.2的限值但均小于1.4；

②凹凸不規(guī)則[1]：塔樓平面B/Bmax=43.2%﹥規(guī)范30%限值；

③塔樓偏心偏置[1]：第六、七層質(zhì)心相差為相應(yīng)邊長(zhǎng)的(X向16.7%，Y向18.1%)，大于規(guī)范15%的限值；

④樓板不連續(xù)[1]：為滿足建筑空間要求，第五層樓板有效寬度為43.6%，小于50%的限值；

⑤構(gòu)件間斷[1]：裙房北面外圍框架第三、四層采用支撐托柱轉(zhuǎn)換，存在豎向構(gòu)件局部不連續(xù)；

⑥局部不規(guī)則[1]：第二層、第十一、第十三、第十五、第十七、第二十層存在局部穿層柱。

綜合考慮塔樓的設(shè)防類別、烈度、場(chǎng)地條件、地震損失、修復(fù)代價(jià)等因素，該結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)目標(biāo)控制為C級(jí)。根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重要程度，將結(jié)構(gòu)構(gòu)件分為普通構(gòu)件和關(guān)鍵構(gòu)件。其中，關(guān)鍵構(gòu)件包括穿層柱、支撐挑柱。結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)目標(biāo)如表3所示。

3.3 結(jié)構(gòu)抗震分析

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010)[2]第3.4.4條有關(guān)規(guī)定，項(xiàng)目屬特別不規(guī)則高層結(jié)構(gòu)，組織抗震專家進(jìn)行了論證。

采用SATWE軟件結(jié)構(gòu)分析，并用MIDAS Building軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移、周期比、振型數(shù)等項(xiàng)目的比對(duì)計(jì)算分析。小震彈性計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析，如表4所示。在地震工況與風(fēng)荷載工況下，兩種軟件的計(jì)算結(jié)果吻合度良好，且相應(yīng)的指標(biāo)滿足要求。

表3 性能設(shè)計(jì)目標(biāo)

表4 SATWE及MIDAS Building彈性結(jié)果對(duì)比分析

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ3-2010)[3]第4.3.4、4.3.5條的有關(guān)規(guī)定，采用SATWE軟件進(jìn)行小地震作用下時(shí)程分析計(jì)算。根據(jù)場(chǎng)地特點(diǎn)，按滿足頻譜特性、有效峰值和持續(xù)時(shí)間3條原則[3]，選取7條地震波(其中天然地震波5條、人工地震波2條)，按1∶0.85進(jìn)行雙向輸入分析。規(guī)范譜與各地震波譜平均值對(duì)比圖，如圖5所示。

表5是彈性時(shí)程分析底部剪力與CQC法比較，比較結(jié)果表明，7條波每條波計(jì)算出的底部剪力均處于CQC反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)構(gòu)的0.65～1.35倍之間，7條波的平均均值在CQC反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)構(gòu)的0.8～1.2倍之間。既可以保證滿足規(guī)范的最低安全需求，又能體現(xiàn)安全性和經(jīng)濟(jì)性的平衡，滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ3-2010)[3]相關(guān)規(guī)定。

圖5 規(guī)范譜與各地震波譜平均值對(duì)比圖

表5 彈性時(shí)程分析底部剪力與CQC法比較

該工程采用PKPM Satwe-pushover分析了結(jié)構(gòu)在大震作用下的反應(yīng)。如圖6～圖7所示，能力譜-位移曲線相對(duì)上升平滑，隨體系周期的增大遞增，能力譜曲線在X和Y兩方向均與需求譜相交，得到性能點(diǎn)。在大震作用下，該項(xiàng)目結(jié)構(gòu)在抗倒塌能力充裕度較大。結(jié)構(gòu)X向、Y向性能點(diǎn)最大層間彈塑性相對(duì)位移角分別為1/214、1/267，均能滿足JGJ3[3]對(duì)混凝土框筒結(jié)構(gòu)層間彈塑性最大位移角1/100的規(guī)定，符合“大震不倒”的基本思路。

圖6 X向Push-over抗倒塌驗(yàn)算圖

圖7 Y向Push-over抗倒塌驗(yàn)算圖

3.4 抗震加強(qiáng)措施

針對(duì)超限結(jié)構(gòu)情況特點(diǎn)、薄弱環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)抗震加強(qiáng)措施如下：

(1)抗側(cè)力構(gòu)件布置做到合理、均勻?qū)ΨQ，控制塔樓周邊與核心筒之間剛度比。在裙房周邊樓、電梯間布置混凝土墻體；加強(qiáng)塔樓與周邊框架之間的連接，盡可能減少塔樓核心筒墻體，使裙房層間位移比控制在1.4以內(nèi)，塔樓層間位移比控制在1.35以內(nèi)。

(2)針對(duì)第六、七層X向質(zhì)心相差16.7%，Y質(zhì)心相差向18.1%情況，第六、七層主樓區(qū)域樓板采用150mm厚；同時(shí)，此區(qū)域樓板鋼筋采用雙層雙向拉通，樓板配筋率≥0.25%，保證結(jié)構(gòu)塔樓和結(jié)構(gòu)底盤的整體作用。

(3)針對(duì)建筑平面局部開洞造成樓板有限寬度小于50%情況，樓板開洞周圍一跨范圍區(qū)域樓板采用150mm厚；運(yùn)用Gen軟件在大開洞區(qū)域結(jié)構(gòu)板進(jìn)行應(yīng)力分析；在后期施工圖中，對(duì)此區(qū)域樓板采用樓板應(yīng)力最大值雙層雙向加強(qiáng)配筋，增強(qiáng)樓板的水平剪力傳遞能力，保證大震下結(jié)構(gòu)的整體性。

(4)為滿足建筑功能需要，裙房屋頂樓局部外挑6m并做6m構(gòu)架支撐幕墻。采用混凝土支撐穿越三、四層并拉結(jié)構(gòu)架柱頂?shù)姆绞郊訌?qiáng)，如圖8所示。外挑柱抗震設(shè)計(jì)時(shí)計(jì)入豎向地震作用效應(yīng)，保證外挑柱在各個(gè)工況作用下的安全度。

圖8 外挑結(jié)構(gòu)構(gòu)架做法示意

(5)局部樓層框架柱為“穿層柱”。設(shè)計(jì)時(shí)除應(yīng)滿足中震下穿層柱抗彎不屈服，且滿足柱內(nèi)剪力按本層其余非穿層框架柱承受地震剪力平均值得1.2倍進(jìn)行復(fù)核。該項(xiàng)目通過穿層柱抗震等級(jí)提高一級(jí)、對(duì)穿層柱樓層處的全層地震剪力放大1.2倍的方法，復(fù)核穿層柱部位配筋，增大安全系數(shù)。同時(shí)，該部位框架柱縱筋在“穿層”范圍連續(xù)設(shè)置，且其箍筋全高加密。

4 結(jié)論

(1)對(duì)大底盤塔樓質(zhì)心偏置結(jié)構(gòu)，可在裙房周邊樓、電梯間周邊處設(shè)置混凝土墻體，調(diào)節(jié)裙房樓層的扭轉(zhuǎn)位移比。

(2)局部樓板大開洞結(jié)構(gòu)，開洞周邊區(qū)域樓板除應(yīng)采取雙向配筋、增大樓板配筋率等構(gòu)造措施外，還應(yīng)進(jìn)行樓板應(yīng)力分析，保證樓板在大震下的水平剪力傳遞能力。

(3)對(duì)于支撐挑柱、穿層柱薄弱構(gòu)件，宜合理設(shè)置抗震性能目標(biāo)，并進(jìn)行相應(yīng)水準(zhǔn)的彈塑性計(jì)算，合理增加安全系數(shù)，保證薄弱構(gòu)件在各個(gè)工況下的安全度。

(4)本文提出的超限結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)思路、針對(duì)并結(jié)構(gòu)超限情況、薄弱環(huán)節(jié)、重要部位進(jìn)行的抗震加強(qiáng)措施，能夠保證結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)抗震設(shè)防設(shè)計(jì)目標(biāo)。