成都某帶斜柱超限高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

郟建磊，何平召，譙旭東，王忠凱

(成都基準(zhǔn)方中建筑設(shè)計(jì)有限公司，四川成都 610017)

1 工程概況

本工程位于成都市天府新區(qū)，是一個(gè)集辦公、商業(yè)、配套等為一體的大型高檔景觀辦公和休閑購物綜合體。項(xiàng)目主要包括地上一棟塔樓及其裙房，塔樓與裙房之間設(shè)防震縫。本文僅對(duì)該塔樓部分進(jìn)行分析，塔樓為48層，主體結(jié)構(gòu)屋面高度為167.635 m，結(jié)構(gòu)類型為混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)。1～5層功能主要為商業(yè)，6層以上為辦公，包括三個(gè)避難層。項(xiàng)目設(shè)計(jì)使用年限為50 a，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)。擬建場(chǎng)區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第三組，場(chǎng)地類別為Ⅱ類。抗震設(shè)防分類為重點(diǎn)設(shè)防類(乙類)，本結(jié)構(gòu)的性能目標(biāo)為C級(jí)。核心筒抗震等級(jí)為特一級(jí)。框架抗震等級(jí)為一級(jí)，抗震構(gòu)造措施為特一級(jí)。工程效果圖及結(jié)構(gòu)整體計(jì)算模型如圖1、圖2所示。

圖1 工程效果

圖2 主體結(jié)構(gòu)三維模型

2 結(jié)構(gòu)體系及超限情況

2.1 結(jié)構(gòu)體系

該結(jié)構(gòu)為框架-核心筒結(jié)構(gòu)，核心筒剪力墻厚度由850 mm逐漸收到400 mm。核心筒內(nèi)樓板厚度為150 mm。典型框架柱尺寸為2 150 mm×1 200 mm、1 700 mm×1 300 mm、1 200 mm×1 200 mm。典型框架梁截面為400 mm×700 mm。建筑、結(jié)構(gòu)典型平面圖見圖3、圖4。左側(cè)為裙房，右側(cè)為塔樓。由于塔樓偏置較多，塔樓質(zhì)心與大底盤質(zhì)心偏心距大于底盤的20 %。采用文獻(xiàn)[1]建議的位移比控制方法后，位移比雖有較大改善，但限于建筑功能，位移比仍大于1.2。因此在主塔樓與裙房之間設(shè)防震縫脫開。塔樓平面輪廓為矩形，外輪廓尺寸為42.6 m×31.3 m。核心筒尺寸為26 m×13.8 m。

圖3 三層建筑平面布置

圖4 三層結(jié)構(gòu)平面布置

2.2 超限情況

根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)(建質(zhì)【2015】67 號(hào))》和DB51/T508 -2014《四川省抗震設(shè)防超限高層建筑工程界定標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，本工程結(jié)構(gòu)體系符合現(xiàn)行規(guī)范的適用范圍，超限情況如下。

主體結(jié)構(gòu)高度為167.635 m，高度超過A級(jí)高度限值130 m，屬于B級(jí)高度抗震設(shè)防超限高層建筑，并存在不規(guī)則項(xiàng)的“其他不規(guī)則(斜柱)”，屬于超限高層建筑。依據(jù)JGJ3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(以下簡(jiǎn)稱《高規(guī)》)[2]設(shè)定工程抗震性能目標(biāo)為C級(jí)，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)在小震、中震、大震預(yù)期的性能水準(zhǔn)分別為1、3、4。

針對(duì)以上超限情況，主要采取以下加強(qiáng)措施：

(1)控制底部加強(qiáng)部位核心筒剪力墻軸壓比大部分不超過0.45，個(gè)別不超過0.48(規(guī)范限值為0.50)，以保證其延性。

(2)底部加強(qiáng)部位剪力墻的水平和豎向分布鋼筋最小配筋率取為0.45 %，一般部位的水平和豎向分布鋼筋最小配筋率取為0.35 %，過渡層(兩層)水平和豎向分布鋼筋最小配筋率取為0.40 %。

(3)對(duì)中震偏心受拉構(gòu)件進(jìn)行了驗(yàn)算，雙向水平地震下墻肢全截面由軸向力產(chǎn)生的平均名義拉應(yīng)力未超過1倍混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,但考慮到中震下核心筒外筒四角出現(xiàn)了不同程度的偏拉，此處受力復(fù)雜，且角部剪力墻兩個(gè)方向均有洞口，核心筒外筒四角在底部加強(qiáng)區(qū)設(shè)置型鋼，核心筒外筒四角Y向短墻肢配筋分別按剪力墻與柱包絡(luò)設(shè)計(jì)。同時(shí)筒體角部全樓設(shè)置約束邊緣構(gòu)件，外核心筒體剪力墻軸壓比大于0.3均設(shè)約束邊緣構(gòu)件。

(4)為了保證與框架梁平面外連接的筒體的壓彎承載力，本項(xiàng)目在施工圖設(shè)計(jì)時(shí)，在與筒體的連接部位設(shè)置暗柱，并依照壓彎承載力要求進(jìn)行暗柱鋼筋配置。

(5)斜柱內(nèi)增設(shè)型鋼，并向下延伸一層。

(6)對(duì)與斜柱相連的框架梁按拉(壓)彎構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)，框架梁中產(chǎn)生的軸向拉力可全部由梁中型鋼腹板及腰筋承擔(dān)，以保證梁在大震作用下的可靠傳力。

(7)塔樓核心筒內(nèi)樓板板厚加厚為150 mm，雙層雙向配筋且配筋率不小于0.25 %。

(8)四層與斜柱相鄰的板厚取150 mm厚，雙層雙向配筋，最小配筋率0.25 %；一層樓板180 mm厚，雙層雙向配筋，最小配筋率0.25 %。其余與斜柱相關(guān)樓層的相鄰樓板均雙層雙向配筋，最小配筋率0.25 %。

2.3 超限審查意見及修改意見

本工程于2018年順利通過了超限高層抗震專項(xiàng)審查，專家組提出的審查意見有：

(1)進(jìn)一步采取措施加強(qiáng)內(nèi)外筒之間的連接；加強(qiáng)外筒Y向連梁的抗剪承載力。

(2)斜柱及斜柱相連的構(gòu)件應(yīng)進(jìn)一步分析并加強(qiáng)；底部加強(qiáng)區(qū)外框柱設(shè)置型鋼。

(3)部分梁柱偏心過大，應(yīng)按高規(guī)6.1.7條采取措施。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

3.1 小震反應(yīng)分析

采用YJK及MIDAS Building兩種軟件對(duì)本工程進(jìn)行小震彈性分析，考慮雙向水平地震作用下的扭轉(zhuǎn)影響，并考慮單向地震時(shí)偶然偏心的影響。主要計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 多遇地震反應(yīng)譜分析主要結(jié)果對(duì)照

由表1可知，兩種程序計(jì)算的各項(xiàng)參數(shù)都比較接近，保證力學(xué)分析結(jié)果的可靠性，各項(xiàng)指標(biāo)也滿足規(guī)范的要求。

本工程的小震彈性時(shí)程分析采用YJK軟件進(jìn)行分析，選取了五條天然波，兩條人工波，按7度地震、Ⅱ類場(chǎng)地進(jìn)行多遇地震作用下彈性動(dòng)力時(shí)程分析；主方向最大加速度為35.000 cm/s2，次方向?yàn)?9.750 cm/s2。所選的7條波地震影響系數(shù)曲線與規(guī)范普的地震影響系數(shù)在前三周期點(diǎn)相差均不超過20 %。計(jì)算結(jié)果如表2所示，可看出，7條地震波作用下的基底剪力與規(guī)范譜的基底剪力比值范圍為75.4 %～110.9 %。其平均值與規(guī)范譜的比值為87.8 %～91.2 %之間，均滿足GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]的要求。

3.2 中震分析

本工程在設(shè)防烈度地震作用下，關(guān)鍵構(gòu)件及普通豎向構(gòu)件的正截面承載力滿足中震不屈服，抗剪承載力滿足中震彈性，耗能構(gòu)件抗剪承載力滿足不屈服。利用YJK軟件進(jìn)行計(jì)算，各種構(gòu)件均能滿足相應(yīng)的抗震性能目標(biāo)。

經(jīng)過計(jì)算，在中震(雙向地震作用)下結(jié)構(gòu)底部只有核心筒的外筒四角出現(xiàn)了受拉情況，其余墻柱均未出現(xiàn)偏拉。提取受拉墻肢在中震下恒載、活載及地震工況下的軸向力，則墻肢軸向力NK=NE-(ND+0.5NL)、墻肢應(yīng)力σk=NK/AQ，設(shè)其應(yīng)力拉為正、壓為負(fù)，式中:AQ為墻肢面積并考慮一

表2 彈性時(shí)程分析基底剪力與規(guī)范譜比較

倍墻厚翼緣。通過計(jì)算所有豎向構(gòu)件拉應(yīng)力均小于1.0ftk。受拉墻肢編號(hào)見圖5，各墻肢受拉情況見表3。

圖5 受拉墻肢編號(hào)

表3 單片墻肢受拉情況統(tǒng)計(jì)表

3.3 大震動(dòng)力彈塑性分析

利用SAUSAGE軟件，選取了兩條天然波和一條人工波，三條地震波作用下結(jié)果的剪力及位移角如表4所示，由該表可知，結(jié)構(gòu)最大層間位移角為X向1/154，Y向1/123，均小于高規(guī)中的限值1/100，保證了大震不倒的性能目標(biāo)。

4 斜柱分析

因一層汽車坡道凈寬要求，下圖中左側(cè)KZ1需要水平右移2 m左右，而在四層板面以上因建筑房間布置要求，該KZ1需保持原位置不動(dòng)，故在一層板面—四層板面做成斜柱，傾斜角度為7 °，為了平衡斜柱(KZ1)傾斜后在上下斜柱端產(chǎn)生的水平力，在其相鄰右側(cè)位置增設(shè)一個(gè)傾斜方向相反，傾斜角度相同的斜柱(KZ2)，以形成自平衡體系，使得兩根斜柱產(chǎn)生的水平力相互平衡，斜柱的水平分力僅在兩根斜柱間的梁板產(chǎn)生影響(對(duì)比小、中、大震單斜柱和對(duì)稱雙斜柱內(nèi)力分布知，單斜柱會(huì)使得整榀框架內(nèi)所有梁產(chǎn)生較大的拉、壓力，影響范圍較大，而雙斜柱則只在斜柱間產(chǎn)生較大的內(nèi)力，對(duì)相鄰的整榀框架梁影響很小，特別是在大震下，對(duì)于剛度已有損傷的整榀框架來說，由于單斜柱而產(chǎn)生的水平分力一直存在，對(duì)結(jié)構(gòu)安全始終是個(gè)不利因素而存在，雙斜柱由于自平衡體系而不存在此水平分力)。經(jīng)小、中、大震的分析，斜柱本身已滿足了小震彈性，中震抗剪彈性，抗彎不屈服，大震抗剪抗彎均不屈服的目標(biāo)。

表4 大震彈塑性分析結(jié)果

現(xiàn)對(duì)由雙斜柱引起的梁中軸力進(jìn)行分析，斜柱平面布置圖及立面圖如圖6、圖7所示。

圖6 斜柱布置示意

圖7 斜柱剖面示意(單位:mm)

由于斜柱及與斜柱傾斜面內(nèi)相連的框架梁破壞對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性有較大的影響，特別是受力較大的KL1和KL4，故除了定義斜柱為關(guān)鍵構(gòu)件外，對(duì)受拉、壓作用的KL1～KL4的性能水準(zhǔn)也做適當(dāng)提高，結(jié)合抗震性能要求，抗震性能目標(biāo)如表5所示。

表5 抗震性能目標(biāo)

在彈性狀態(tài)下，斜柱產(chǎn)生的水平分力可由梁板共同承擔(dān)，但在極端情況下，樓板可能會(huì)發(fā)生破壞，為安全起見，不考慮樓板有利作用，斜柱產(chǎn)生的拉力(壓力)完全由兩斜柱之間的框架梁承擔(dān)，計(jì)算得到軸力最大的框架梁在罕遇地震作用下斜柱內(nèi)跨梁的軸力如表6、圖8所示。

表6 軸力最大框梁承載力驗(yàn)算

圖8 KL2及KL3軸力計(jì)算示意(單位:mm)

由表6數(shù)據(jù)可知，軸向拉力最大的KL1在罕遇地震下產(chǎn)生的水平分量可由梁中的型鋼腹板(H600 mm×80 mm×20 mm×20 mm)和梁兩側(cè)腰筋共同承擔(dān)，軸向壓力最大的KL4在罕遇地震下產(chǎn)生的水平分量完全可由梁混凝土承擔(dān)(實(shí)際上是梁與相鄰板一起承擔(dān))。即便是在罕遇地震作用下樓板發(fā)生損傷，框架梁也能承擔(dān)由斜柱產(chǎn)生的水平分力。前面的章節(jié)已經(jīng)驗(yàn)證，斜柱本身也可以滿足中震抗剪彈性抗彎不屈服的性能目標(biāo)，因此可以判定，斜柱及相關(guān)的框架梁滿足結(jié)構(gòu)預(yù)定的性能目標(biāo)。對(duì)與斜柱相關(guān)的水平構(gòu)件，采取以下加強(qiáng)措施：

(1)對(duì)與斜柱相連的框架梁KL1按拉彎構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)，框架梁中產(chǎn)生的軸向拉力可全部由梁中型鋼腹板及腰筋承擔(dān)，以保證大震作用下可靠傳力，其他梁按其實(shí)際受力狀態(tài)復(fù)核其配筋。

(2)四層與斜柱相鄰的板厚取150 mm厚，雙層雙向配筋，最小配筋率0.25 %；一層樓板180 mm厚，雙層雙向配筋，最小配筋率0.25 %。其余與斜柱相關(guān)樓層的相鄰樓板均雙層雙向配筋，最小配筋率0.25 %。

(3)在斜柱中增加型鋼，并下延伸一層。

5 斜柱節(jié)點(diǎn)分析

取四層斜柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，利用有限元軟件ABAQUS建立有限元模型，型鋼和混凝土均采用實(shí)體單元，鋼筋采用T3D2(兩結(jié)點(diǎn)線性三維桁架單元)，并將鋼筋與混凝土的相互作用設(shè)定為嵌入式約束，即不考慮鋼筋與混凝土之間的相對(duì)滑移。鋼筋與型鋼的本構(gòu)均采用理想彈塑性本構(gòu)模型，型鋼彈性模量E=2.06×105N/mm2，鋼筋彈性模量E=2.00×105N/mm2，泊松比均為μ=0.3。由于該有限元模型只考慮節(jié)點(diǎn)的靜力性能，因此兩種鋼材均定義為各項(xiàng)同性，并采用VonMises屈服準(zhǔn)則。梁采用C30混凝土，柱采用C60混凝土，兩種混凝土本構(gòu)關(guān)系均符合GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(2015年版)[4]。斜柱分析中根據(jù)大震下(大震下斜柱軸力最大)節(jié)點(diǎn)力平衡得到的梁柱內(nèi)力施加到節(jié)點(diǎn)，分析結(jié)果如圖9～圖12所示，斜柱及拉梁混凝土無明顯受壓損傷，節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土輕微損傷,受拉梁中型鋼及梁中縱筋鋼筋應(yīng)力約為150～180 MPa,未達(dá)到屈服，滿足預(yù)定的性能目標(biāo)。

圖9 混凝土受壓損傷云圖

圖10 節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土受壓損傷云圖

圖11 鋼筋應(yīng)力云圖(單位：MPa)

圖12 型鋼應(yīng)力云圖(單位：MPa)

6 樓板應(yīng)力分析

6.1 等效彈性法下樓板應(yīng)力

由于本工程存在斜柱，因此選取斜柱起始層、斜柱終止層進(jìn)行罕遇地震下等效彈性樓板應(yīng)力分析。上述典型樓板層在X向、Y向罕遇地震作用下主應(yīng)力如圖13～圖16所示(圖中單位為kN/m2)，從圖中可以看出，大部分主拉應(yīng)力小于C30混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.010 MPa，只有局部平面角部、核心筒內(nèi)局部以及洞口周邊出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖13 斜柱起始層樓板X向地震主應(yīng)力云圖

圖14 斜柱起始層樓板Y向地震主應(yīng)力云圖

圖15 斜柱終止層樓板X向地震主應(yīng)力云圖

圖16 斜柱終止層樓板Y向地震主應(yīng)力云圖

6.2 彈塑性時(shí)程分析下的樓板應(yīng)力分析

選取斜柱斜柱終止層樓板作為典型樓板層，進(jìn)行罕遇地震下彈塑性時(shí)程分析。

改層受壓損傷與受拉損傷如圖17所示，從圖中可以看出，混凝土樓板雖然出現(xiàn)了一定的受拉損傷，但損傷因子均小于0.5。由此可見，在罕遇地震下，樓板完整性較好，能夠有效的傳遞樓層剪力及斜柱的產(chǎn)生的水平力。

圖17 斜柱終止層樓板受拉損傷應(yīng)力云圖

7 結(jié)論

本工程屬于B級(jí)高度抗震設(shè)防超限高層建筑，并存在斜柱。對(duì)結(jié)構(gòu)處于小震、中震、大震的各個(gè)地震水準(zhǔn)進(jìn)行分析，均滿足預(yù)定的性能目標(biāo)。對(duì)結(jié)構(gòu)中的斜柱、斜柱相連的框架梁，斜柱周邊的樓板以及斜柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了充分分析，保證各個(gè)地震水準(zhǔn)下均滿足預(yù)定的性能目標(biāo)。