某地塊項(xiàng)目 A 號(hào)主樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

武蓮霞（華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200002）

1 工程概況

某地塊項(xiàng)目主要由 6 棟相對(duì)獨(dú)立的新金融總部辦公樓組成，按建筑形態(tài)分為 A、B、C、D、E、F 等 6 棟高層。地上 1 F、2 F 為辦公入口大堂；3 F 及 3 夾層為架空層，內(nèi)有設(shè)備房和健身房；標(biāo)準(zhǔn)層為大空間辦公層；頂部?jī)蓪訛楦吖苻k公層。建筑鳥(niǎo)瞰圖見(jiàn)圖 1。

圖1 建筑鳥(niǎo)瞰圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 A 號(hào)主樓結(jié)構(gòu)體系

A 號(hào)主樓地上 15 F，地上頭兩層層高均為 5.2 m，設(shè)備層及懸臂轉(zhuǎn)換桁架層層高分別為 2.9 m、3.2 m，標(biāo)準(zhǔn)層層高為 4.3 m，結(jié)構(gòu)體系為核心筒-底部懸臂桁架承托外框柱體系見(jiàn)圖 2。

2.2 A 號(hào)主樓結(jié)構(gòu)布置

為滿足建筑立面要求，外框有四根框架柱不落地，利用 3 層夾層的 3.2 m 層高，在樓層范圍內(nèi)設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換桁架，將不落地的 4 根鋼框架柱托起。轉(zhuǎn)換桁架形式為梯形鋼結(jié)構(gòu)懸臂桁架，桁架根部外包高度為 3.2 m，懸挑跨度為 7.5 m。桁架上下弦采用矩形鋼管，腹桿采用焊接工字鋼，各標(biāo)準(zhǔn)層鋼框柱相關(guān)位置采用鋼梁、鋼柱及組合樓板結(jié)構(gòu)形式，其余部位仍采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式。懸臂轉(zhuǎn)換桁架擱置處剪力墻墻厚為 900 mm，剪力墻底部加強(qiáng)區(qū)內(nèi)設(shè)鋼骨，以達(dá)到剪力墻在中震及大震下的性能化要求。

剪力墻抗震等級(jí)為二級(jí)，底部框架抗震等級(jí)為三級(jí)，標(biāo)準(zhǔn)層框架抗震等級(jí)為三級(jí)，局部框架跨度大于 18.0 m 的框架抗震等級(jí)為二級(jí)，外鋼框抗震等級(jí)為三級(jí)。

3 超限情況和應(yīng)對(duì)措施

3.1 結(jié)構(gòu)超限情況

根據(jù) GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》和 JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中有關(guān)規(guī)定，A 號(hào)主樓存在局部平面扭轉(zhuǎn)不規(guī)則（首層考慮偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比 1.47）、樓板不連續(xù)（2 層開(kāi)洞面積 60%）、尺寸突變（三層以上平面收進(jìn) 60%，懸挑轉(zhuǎn)換桁架懸挑長(zhǎng)度為 7.5 m）以及構(gòu)件間斷（外框柱轉(zhuǎn)換，柱不連續(xù)）共兩項(xiàng)豎向一般不規(guī)則和兩項(xiàng)平面一般不規(guī)則，不存在嚴(yán)重不規(guī)則，屬于超限高層建筑。

3.2 針對(duì)超限的結(jié)構(gòu)措施及性能目標(biāo)

3.2.1 針對(duì)豎向構(gòu)件不連續(xù)的加強(qiáng)措施

(1) 針對(duì)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則采取的措施。首層適當(dāng)加大短向框架梁的剛度，合理調(diào)整核心筒墻厚及連梁高度；裙房以上的主樓范圍，合理布置核心筒墻厚及相關(guān)連梁梁高，減小平面剛心與質(zhì)心的偏差。

(2) 針對(duì)樓板不連續(xù)采取的措施。將 2 F 樓板厚度加至 150 mm，樓板按雙向雙層配筋，同時(shí)加強(qiáng)周邊梁的配筋率，并在周邊梁中設(shè)置抗扭腰筋。復(fù)核開(kāi)洞形成的穿層柱的計(jì)算長(zhǎng)度，外框的長(zhǎng)柱按短柱的剪力復(fù)核承載力，同時(shí)躍層柱及短柱承載能力按中震彈性及大震不屈服進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(3) 針對(duì)尺寸突變采取的措施。設(shè)計(jì)中嚴(yán)格按規(guī)范要求，有效控制結(jié)構(gòu)的剛度比和抗剪承載力的比值，避免形成薄弱層和軟弱層。3 夾層為懸挑轉(zhuǎn)換桁架下弦平面，將核心筒處樓板厚度增至 200 mm。

(4) 針對(duì)構(gòu)件間斷采取的措施。① 懸臂轉(zhuǎn)換桁架擱置處剪力墻墻厚為 900 mm，端部轉(zhuǎn)角處增設(shè)鋼骨至芯筒底部，嚴(yán)格按照規(guī)范要求控制其軸壓比。懸挑轉(zhuǎn)換桁架處及以下部位的剪力墻抗震等級(jí)為二級(jí)，按中震彈性、大震不屈服設(shè)計(jì)。剪力墻墻身內(nèi)均勻設(shè)工字型鋼柱，與墻身縱向分布的鋼筋共同承擔(dān)中震下拉力。將懸臂轉(zhuǎn)換桁架以上 2 層剪力墻也設(shè)定為關(guān)鍵部件，其性能化標(biāo)準(zhǔn)為中震彈性、大震不屈服。② 懸臂轉(zhuǎn)換桁架所在樓層為結(jié)構(gòu)薄弱層，計(jì)算分析時(shí)對(duì)該樓層地震作用下的剪力乘以 1.25 的增大系數(shù)，并適當(dāng)提高薄弱層豎向抗側(cè)力構(gòu)件的配筋率。③ 將標(biāo)準(zhǔn)層鋼框架柱承擔(dān)的剪力分配至本層剪力墻上承擔(dān)，保證剪力墻有足夠的安全度。④ 懸臂轉(zhuǎn)換桁架上弦桿所在樓面采用鋼筋混凝土樓板，厚度為 200 mm，控制中震及大震下樓板鋼筋應(yīng)力，下弦桿處核心筒內(nèi)樓板厚 200 mm，樓板鋼筋雙向雙層設(shè)置，提高樓板配筋率。⑤ 懸挑桁架的上下弦桿及腹桿和均采用鋼結(jié)構(gòu)，鋼材材料為 Q 420 GJ-B-Z 25，小震作用下上下弦桿應(yīng)力比控制在 0.85 以內(nèi)；中震作用下達(dá)到中震彈性，應(yīng)力比控制在 1.00 以內(nèi)；大震作用下達(dá)到大震不屈服，應(yīng)力小于鋼板的屈服強(qiáng)度。

3.3 性能目標(biāo)

結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)根據(jù)抗震設(shè)防類(lèi)別、設(shè)防烈度、場(chǎng)地條件、結(jié)構(gòu)的特殊性、建造費(fèi)用、震后損失和修復(fù)難易程度等因素確定。

本工程根據(jù)結(jié)構(gòu)的自身特殊性，針對(duì)塔樓的結(jié)構(gòu)體系特點(diǎn)及超限情況，根據(jù) JGJ 3—2010 3.11.1 抗震性能目標(biāo)四等級(jí)和 3.11.2 抗震性能五水準(zhǔn)規(guī)定，適當(dāng)提高性能水準(zhǔn)。

4 多遇地震下抗震設(shè)計(jì)的計(jì)算分析論證

本工程采用 SATWE 和 ETABS 兩種軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇地震彈性反應(yīng)譜分析。由整體結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果對(duì)比可知，兩種軟件計(jì)算指標(biāo)接近，且結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性基本吻合，周期比（T 3/T 1）滿足 JGJ 3—2010 限值 0.9 的要求；在水平地震力和風(fēng)荷載作用下的最大層間位移角均符合要求，因 A 號(hào)主樓角部四根框架柱不落地，核心筒位移指標(biāo)按剪力墻結(jié)構(gòu)控制；兩種程序得到的結(jié)構(gòu)首層剪力值比較接近，剪重比值相近，均滿足規(guī)范最小剪重比要求 1.6%；結(jié)構(gòu)體系在兩個(gè)方向的動(dòng)力特性較為相近，結(jié)構(gòu)整體抗扭剛度較好。

進(jìn)行彈性時(shí)程分析時(shí)，根據(jù) GB 50011—2010 第 5.1.2 規(guī)定，本工程采用 7 條時(shí)程曲線，其中 2 條人工波，5 條天然波，滿足規(guī)范規(guī)定的實(shí)際強(qiáng)震記錄 ≥2/3 的要求。每條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力均大于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的 65%，且 7 條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值大于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的 80%，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)按 7 條地震波作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)的平均值與振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的較大值進(jìn)行取值。

5 罕遇地震下的構(gòu)件設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果及分析論證

5.1 底層豎向構(gòu)件的中震和大震驗(yàn)算

底層豎向構(gòu)件(核心筒剪力墻及落地外框柱) 軸壓比滿足規(guī)范要求。根據(jù)性能目標(biāo)，底部加強(qiáng)區(qū)（地下 1～6 F 結(jié)構(gòu)樓板）核心筒墻體及截面按中震彈性和大震不屈服設(shè)計(jì)。計(jì)算結(jié)果均能滿足性能目標(biāo)要求。底部核心筒墻體中震下受拉驗(yàn)算，以底層 900 mm 厚剪力墻為例，水平地震組合下產(chǎn)生的拉力由剪力墻豎向分布筋和受拉鋼骨共同承受，豎向分布筋配筋率為 1.0%，每延米須另加鋼骨，鋼骨全截面含鋼率為 1.4%。據(jù)性能設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，底層混凝土框架柱在中震下的承載力應(yīng)滿足中震彈性要求，在大震下的承載力應(yīng)滿足大震不屈服要求。計(jì)算結(jié)果均能滿足。

5.2 懸臂轉(zhuǎn)換桁架的中震和大震驗(yàn)算

A 號(hào)主樓懸臂轉(zhuǎn)換桁架主要承受上部外框柱傳遞來(lái)的柱底反力，以一榀桁架(最大柱底軸力)為例分析懸臂轉(zhuǎn)換桁架內(nèi)力的控制工況。由計(jì)算結(jié)果可知，中震和大震作用下考慮豎向地震組合的桁架內(nèi)力和小震作用下考慮恒+活組合的桁架內(nèi)力較為接近，中震彈性設(shè)計(jì)的懸臂轉(zhuǎn)換桁架能夠同時(shí)滿足大震不屈服。

驗(yàn)算懸臂轉(zhuǎn)換桁架在小震作用下的構(gòu)件應(yīng)力比和端部撓度，結(jié)果均滿足規(guī)范要求。在結(jié)構(gòu)自重作用下，懸臂結(jié)構(gòu)端部將產(chǎn)生一定的撓度，為了消除感觀上的傾斜以及便于幕墻結(jié)構(gòu)等附屬結(jié)構(gòu)的連接，可以對(duì)轉(zhuǎn)換桁架預(yù)起拱或預(yù)變形，使施工完成后結(jié)構(gòu)的外形與建筑師的理論建筑定位相同。變形量可以通過(guò)精確的計(jì)算分析確定。

驗(yàn)算懸臂桁架主要桿件在中震彈性下、大震不屈服作用下的應(yīng)力比，計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

針對(duì)因懸臂轉(zhuǎn)換桁架豎向撓度而對(duì)樓板產(chǎn)生的附加拉應(yīng)力，進(jìn)行中震、大震作用下的計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，上弦桿對(duì)應(yīng)的樓板須設(shè)置抗拉鋼筋以抵抗樓板附加拉力，下弦桿對(duì)應(yīng)的樓板僅須加強(qiáng)構(gòu)造。

6 罕遇地震靜力彈塑性分析

為與“大震不倒”的第 3 水準(zhǔn)抗震設(shè)防目標(biāo)相對(duì)應(yīng)，本工程對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行了第 2 階段抗震設(shè)計(jì)，即罕遇地震作用下的結(jié)構(gòu)彈塑性變形驗(yàn)算。A 號(hào)主樓大屋面高度為 59.5 m，可采用彈塑性靜力推覆分析方法 (Push-Over Analysis) 分析。結(jié)構(gòu)推覆曲線見(jiàn) 圖 3、圖 4。

圖3 頂層 X 向荷載—位移曲線圖

圖4 頂層 Y 向荷載—位移曲線

推覆分析結(jié)果如下所示。

(1) 罕遇地震下的最大彈塑性層間位移角為 1/269，能滿足規(guī)范 1/120 的限值要求。

(2) 連梁在地震作用下作為第 1 道抗震防線首先消耗能量，出現(xiàn)塑性鉸，基本達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

(3) 推覆過(guò)程中，整體結(jié)構(gòu)逐漸進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，側(cè)向剛度沒(méi)有出現(xiàn)明顯突變，直至大震性能點(diǎn)仍然保持穩(wěn)定的抗側(cè)承載能力。

7 罕遇地震動(dòng)力彈塑性分析

以 ABAQUS/STANDARD 和 ABAQUS/EXPLICIT 作為求解器，進(jìn)行動(dòng)力彈塑性計(jì)算,分析時(shí)考慮結(jié)構(gòu)幾何非線性以及材料非線性。整個(gè)分析過(guò)程分為施工加載計(jì)算、“附加恒+0.5 活”加載計(jì)算、地震波時(shí)程計(jì)算 3 個(gè)部分。

由整體計(jì)算結(jié)果可知，在給定地震波作用下，結(jié)構(gòu)均處于穩(wěn)定狀態(tài)，滿足“大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)：結(jié)構(gòu)在 X、Y 兩個(gè)主方向剪重比分別為 14.0% 和 14.7%，頂層位移平均值分別為 297 mm、215 mm，最大層間位移角分別為 1/151、1/212，滿足層間位移角 ≤1/100 高規(guī)[2]的限值要求。

對(duì)包括墻體、框架柱、梁、懸臂轉(zhuǎn)換桁架及上下弦樓板在內(nèi)的構(gòu)件也作了計(jì)算和分析。結(jié)果顯示，在罕遇地震作用下，構(gòu)件的受力性能均滿足設(shè)計(jì)要求。

8 結(jié) 語(yǔ)

本項(xiàng)目 A 號(hào)主樓為核心筒+底部懸臂桁架承托外框柱體系的超限高層建筑。本文通過(guò)對(duì)其超限類(lèi)型和程度進(jìn)行分析，采取一系列有效控制安全的技術(shù)措施，同時(shí)提出了性能目標(biāo)要求。通過(guò)多個(gè)程序?qū)π≌?、中震及大震作用下的整體結(jié)構(gòu)和底部加強(qiáng)區(qū)核心筒及懸臂轉(zhuǎn)換桁架等關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行了罕遇地震靜力彈塑性分析和動(dòng)力彈塑性分析，采取了一系列加強(qiáng)措施，使結(jié)構(gòu)達(dá)到預(yù)定的抗震性能要求，滿足規(guī)范關(guān)于“小震（多遇地震）不壞、中震可修、大震（罕遇地震）不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)。