一種幕墻拱連體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

林 泳

（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 廣州510010）

1 工程概況

某辦公樓位于廣州市南沙區(qū)，地上9 層，地下1層，建筑總高度47.95 m，建筑面積約15 789 m2，結(jié)構(gòu)體系為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)；由于建筑功能的需要，本工程部分結(jié)構(gòu)柱不能上下貫通，5～10層形成大跨度連體區(qū)域。該連體區(qū)域?qū)挾葹?2.0 m，跨距32.4 m，總高22.5 m。建筑效果如圖1所示。

圖1 建筑效果Fig.1 The Construction Effect Chart

2 連體區(qū)域結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

由于建筑功能的需要及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本工程連體區(qū)利用幕墻的建筑布置，在幕墻骨架位置布置X 型支撐、吊柱及底層拉桿，X 型支撐布置呈“拱”型，整個(gè)幕墻骨架受力體系簡(jiǎn)稱“幕墻拱”。“幕墻拱”剛度較大，承擔(dān)大部分連體區(qū)的豎向荷載。

連體結(jié)構(gòu)布置如圖2、圖3 所示，在左右兩側(cè)設(shè)置的幕墻拱命名為GHJ1和GHJ2，GHJ1、GHJ2立面示意如圖4 所示。整個(gè)連體采用鋼結(jié)構(gòu)，兩側(cè)支承柱采用1 200 mm×1 500 mm 矩形鋼管混凝土柱，樓蓋厚度頂層與底層為150 mm、中間層為110 mm，各主要構(gòu)件截面尺寸（H×B×Tw×Tf）mm 分別為：（豎桿）箱型300×400×20×20、（水平橫梁）箱型400×500×20×20、（交叉斜撐）箱型400×400×20×20。

圖2 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型Fig.2 Structural Calculation Model

圖3 結(jié)構(gòu)平面布置Fig.3 Structure Plane Layout

圖4 幕墻拱傳力示意Fig.4 Curtain Wall Arch Force Transmission

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

3.1 連體區(qū)域抗震性能設(shè)計(jì)

該辦公樓屬于A 級(jí)高度帶連體的超限高層建筑，根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：JGJ 3—2010》［1］，本工程總體抗震性能目標(biāo)按C級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并按文獻(xiàn)［1］的各驗(yàn)算公式要求計(jì)算。連體區(qū)域采用“幕墻拱”形式布置，屬于重要構(gòu)件，其抗震性能目標(biāo)按大震不屈服、中震彈性進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)連體部位進(jìn)行了多遇地震、設(shè)防地震和罕遇地震下的抗震驗(yàn)算［2］，使各計(jì)算指標(biāo)滿足文獻(xiàn)［1］要求，并采取了以下加強(qiáng)措施：

⑴受壓斜撐、GHJ1 和GHJ2 的頂層水平梁、底層受拉梁、支撐幕墻拱的框架柱為關(guān)鍵構(gòu)件。為保證斜撐的受壓穩(wěn)定性，斜撐均采用方鋼管混凝土構(gòu)件予以加強(qiáng)。頂層水平梁、支撐幕墻拱的框架柱均采用型鋼混凝土構(gòu)件。底層受拉梁采用箱型鋼梁，其內(nèi)部張拉預(yù)應(yīng)力索以減少梁對(duì)梁端框架柱的拉力。由于頂部?jī)蓪恿菏軌?，為保證整體平面外穩(wěn)定性，頂層樓板加厚，并在頂層中部增加橫向桁架，保證其整體穩(wěn)定性。［3］

⑵連體部分的鋼骨梁，鋼結(jié)構(gòu)桁架伸入主體結(jié)構(gòu)至少一跨，連體結(jié)構(gòu)的邊梁截面加大。連體結(jié)構(gòu)及與連體結(jié)構(gòu)相連接的結(jié)構(gòu)構(gòu)件在連體區(qū)域高度范圍及其上、下層的抗震等級(jí)提高一級(jí)，即剪力墻按二級(jí)，框架按一級(jí)。與“幕墻拱”相連的框架柱在連體區(qū)域高度范圍及其上、下層，箍筋全高加密，并驗(yàn)算中震彈性計(jì)算結(jié)果的柱配筋，軸壓比限值按其他樓層的剪力墻、框架柱的數(shù)值減小0.05 采用，即剪力墻按0.45 控制軸壓比，框架柱按0.65 控制軸壓比。與連接體相連的剪力墻通高采用約束邊緣構(gòu)件［4］。

3.2 連體整體穩(wěn)定分析及變形分析

由于連體區(qū)兩側(cè)的幕墻拱跨度、豎向剛度均較大，需采取措施確保整個(gè)轉(zhuǎn)換體系的側(cè)向穩(wěn)定性。因此在連體區(qū)頂層中部設(shè)置了橫向穩(wěn)定桁架并將連體區(qū)頂層板厚增加至150 mm，以加強(qiáng)連體區(qū)的橫向穩(wěn)定性。整體穩(wěn)定性分析結(jié)果：最低階屈曲因子為14.925，失穩(wěn)類型為整體扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)（見圖5）。

圖5 一階屈曲模態(tài)Fig.5 First Order Buckling Mode

由于連體區(qū)跨度達(dá)32.4 m，需保證連體區(qū)豎向剛度滿足文獻(xiàn)［5］要求。在（1.0恒+1.0活）靜力荷載工況作用下，平面構(gòu)件的最大豎向位移為31.4 mm，撓跨比為1/1 050，滿足1/400的撓度限值要求。兩側(cè)幕墻拱之間的橫向跨度為21.0 m，跨中最大撓度值為14.0 mm，撓跨比為1/1 500，滿足1/400的撓度限值要求。

3.3 連體溫度內(nèi)力分析

因連體構(gòu)件大多采用鋼構(gòu)件，受溫度作用影響明顯，且裙房各層平面長(zhǎng)度達(dá)到78 m，需分析溫度作用對(duì)連體結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力的影響。按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范：GB 50009—2012》［6］要求，溫度作用組合系數(shù)為0.6?？紤]混凝土結(jié)構(gòu)的收縮徐變，彈性模量折減系數(shù)為0.3，不改變鋼結(jié)構(gòu)的彈性模量，考慮結(jié)構(gòu)升降溫25°。

在溫度作用下，構(gòu)件變形值較大處位于連體區(qū)頂層、底層的邊梁，以及兩側(cè)的X 型交叉撐。升溫及降溫對(duì)桁架影響較大，整個(gè)連體結(jié)構(gòu)的控制工況為恒+活+溫度作用。經(jīng)復(fù)核各截面能滿足設(shè)計(jì)要求。

溫度組合下鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力比：幕墻拱的X 交叉撐剛接模型，最大應(yīng)力比為0.937，應(yīng)力比較大的地方出現(xiàn)在連體區(qū)與塔樓交接部位的水平梁端，以及靠近塔樓的X 交叉撐處。幕墻拱的X 交叉撐鉸接模型最大應(yīng)力比為0.942，應(yīng)力比較大的地方出現(xiàn)在連體區(qū)與塔樓交接部位的水平梁端，以及頂部橫向穩(wěn)定桁架的腹桿處。均滿足設(shè)計(jì)文獻(xiàn)［5］要求。

3.4 樓板中震彈性應(yīng)力分析及溫度應(yīng)力分析

連體結(jié)構(gòu)樓板起到傳遞樓層剪力的作用，除了承受較大的面外彎矩外，樓板還承受巨大軸力，因此需采用彈性樓板進(jìn)行分析。選擇中震彈性荷載工況分析可知［7］，連體部位X向最大拉應(yīng)力達(dá)到12.60 N/mm2，出現(xiàn)在頂層連體區(qū)與塔樓相接的邊緣部位。Y向拉力在吊柱與樓板交接處出現(xiàn)應(yīng)力峰值，達(dá)到9.89 N/mm2；根據(jù)此應(yīng)力結(jié)果，設(shè)計(jì)時(shí)連體區(qū)域塔樓連接處增設(shè)X向?yàn)棣?16@150、Y 向?yàn)棣?16@150 的局部附加鋼筋；在吊柱與樓板交接位較大處同時(shí)增設(shè)兩向局部附加鋼筋φ 16@150。因連體結(jié)構(gòu)地震內(nèi)力相對(duì)較小，樓板的平面內(nèi)壓力不會(huì)導(dǎo)致樓板壓曲破壞，為加強(qiáng)樓板的抗剪切滑移能力，構(gòu)造上在鋼梁上翼緣均設(shè)置多排φ 16@200栓釘。

溫度對(duì)樓板的影響主要表現(xiàn)為降溫工況下樓板的收縮。在降溫工況作用下連體部位大部分區(qū)域的樓板應(yīng)力超過C30 的抗拉強(qiáng)度值，需要配置溫度鋼筋。X向拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)在頂層連體區(qū)與塔樓交界處，最大拉力值達(dá)到14.40 N/mm2。Y 向拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)在頂層“幕墻拱”與樓板交接部位，最大拉力值達(dá)到10.00 N/mm2。從上述可知，降溫產(chǎn)生的收縮對(duì)樓板影響較明顯，需加強(qiáng)板溫度鋼筋的配置。

3.5 連體區(qū)樓蓋舒適度分析

分析樓蓋的舒適度采用Midas Gen 軟件，分析對(duì)象為5～10 層中連體部位處的樓板，樓板的第一階豎向自振頻率為4.1 Hz，第二階豎向自振頻率為5.5 Hz，第三階豎向自振頻率為7.2 Hz。滿足文獻(xiàn)［1］對(duì)豎向自振頻率的要求。

因?yàn)槿藗凖R步行進(jìn)的步頻約為2.0 Hz，有節(jié)奏的步行活動(dòng)步頻通常為3.0 Hz，接近本樓蓋基本振型的頻率，因此樓板的豎向振動(dòng)加速度峰值還須驗(yàn)算。人行走及跑動(dòng)時(shí)引起的樓板峰值加速度采用彈性時(shí)程分析方法進(jìn)行驗(yàn)算。采用的工況有：①多人同時(shí)行走一步；②多人同時(shí)連續(xù)行走；③多人同時(shí)跑動(dòng)?？紤]行人重量為70 kg/人，在這3種工況作用下，得出樓板豎向振動(dòng)加速度峰值計(jì)算結(jié)果分別為0.030 m/s2、0.100 m/s2、0.132 m/s2；由結(jié)果可知，樓蓋舒適度滿足文獻(xiàn)［2］要求。

3.6 連體區(qū)域施工階段分析

本工程連體區(qū)域初步擬定按以下施工順序：①先施工兩側(cè)塔樓至頂層；②支模至連體區(qū)底層標(biāo)高，按5層、6層、7層、8層、9層、10層的先后順序安裝連體區(qū)鋼結(jié)構(gòu)；③按5 層、6 層、7 層、8 層、9 層、10 層樓面的先后順序施工各層樓板；④拆除支模，完成連體區(qū)土建施工。施工階段的模擬采用Midas Gen進(jìn)行［8］。

綜合各荷載步計(jì)算結(jié)果可知，連體部位內(nèi)力極值出現(xiàn)在最后一個(gè)子步，即連體荷載全部施加后的情況。按上述施工安裝步驟實(shí)行時(shí)連體區(qū)剛度已經(jīng)形成，連體部位逐層安裝逐層施加荷載對(duì)結(jié)構(gòu)影響減至最小，因此荷載最大值出現(xiàn)在最后一步。通過上述分析各構(gòu)件在整個(gè)安裝環(huán)節(jié)中均能滿足受力要求。除了重點(diǎn)分析內(nèi)力及構(gòu)件承載力以外，鋼結(jié)構(gòu)的變形、側(cè)移也重點(diǎn)考慮。在第三步施工連體層樓面后，連體桁架頂部變形最大處水平側(cè)移為3.6 mm，豎向變形為9.5 mm；在第四步拆除連體區(qū)胎架后，頂部水平側(cè)移為10.2 mm，豎向變形為31.2 mm；由于連體區(qū)兩側(cè)豎向剛度較大，因此鋼結(jié)構(gòu)整體剛度形成后，就能有效承擔(dān)豎向力［9］（見圖6）。

圖6 第四階段連體區(qū)變形Fig.6 The Fourth Stage Deformation of Conjoined Area

4 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)有限元分析

4.1 計(jì)算模型的建立

采用ABAQUS 對(duì)“幕墻拱”的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元分析，按結(jié)構(gòu)施工圖建立模型的混凝土強(qiáng)度等級(jí)、模型尺寸等，其中型鋼為Q345，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40。所有節(jié)點(diǎn)的型鋼采用殼單元模擬，混凝土采用損傷模型實(shí)體單元模擬。依據(jù)“盈建科”模型，各構(gòu)件長(zhǎng)度取從節(jié)點(diǎn)區(qū)至相鄰節(jié)點(diǎn)的距離作為構(gòu)件長(zhǎng)度，在各端部加約束和由盈建科計(jì)算模型中獲取的荷載。因?yàn)楹奢d對(duì)加載端的應(yīng)力應(yīng)變?cè)谝欢ǚ秶鷥?nèi)產(chǎn)生較大影響，所以本文計(jì)算結(jié)果主要查看節(jié)點(diǎn)區(qū)的型鋼應(yīng)力情況。

4.2 節(jié)點(diǎn)計(jì)算參數(shù)

限于篇幅，本文以關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)A 為例進(jìn)行分析，4層連體區(qū)越層X 型支撐與幕墻拱相交的節(jié)點(diǎn)為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)A，如圖7所示。

圖7 節(jié)點(diǎn)A位置Fig.7 Node A Location

方鋼管混凝土柱的鋼管壁厚為20 mm；縱橫兩向的水平箱型鋼梁的上下翼緣板厚40 mm，腹板厚30 mm；“幕墻拱”的斜撐采用方鋼管混凝土構(gòu)件，鋼管壁厚20 mm；越層X型吊撐采用箱型截面鋼構(gòu)件，箱型鋼截面上下翼緣及腹板均為25 mm。節(jié)點(diǎn)區(qū)用C40混凝土灌密實(shí)，模型中考慮了混凝土澆筑孔導(dǎo)致的截面削弱。節(jié)點(diǎn)A的約束情況為橫向水平梁端部受三向位移約束。

4.3 罕遇地震下節(jié)點(diǎn)A的計(jì)算結(jié)果

考慮罕遇地震作用，阻尼比取6%，連體區(qū)域及連體周邊樓板采用膜單元，荷載取值按“盈建科”軟件建立的結(jié)構(gòu)整體模型采用的標(biāo)準(zhǔn)值。

按組合1.0 恒+1.0 活±1.0 水平地震±0.4 豎向地震進(jìn)行計(jì)算。

⑴節(jié)點(diǎn)A的混凝土損傷情況：混凝土受壓剛度退化較小，核心區(qū)最大受壓剛度退化小于1.6%，最大受壓剛度退化的部位出現(xiàn)在幕墻拱的X 撐與吊柱交接部位，由局部應(yīng)力集中引起?；炷恋氖芾瓌偠韧嘶饕性谠綄覺 型吊撐與吊柱交接處附近，主要由于吊撐較大的拉力導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土受拉引起。節(jié)點(diǎn)核心區(qū)受拉剛度退化明顯的區(qū)域約占總面積的33%。

⑵節(jié)點(diǎn)A 的型鋼應(yīng)力水平：節(jié)點(diǎn)A 的最大MISES 應(yīng)力為221 MPa，出現(xiàn)在橫向水平梁下翼緣，主要由梁端邊界約束引起，可以忽略不計(jì)。節(jié)點(diǎn)區(qū)域的最大MISES 應(yīng) 力 均 小 于Q345 鋼 材的屈服強(qiáng)度值345 MPa，滿足大震不屈服的性能要求。節(jié)點(diǎn)A 最大剪應(yīng)力為87 MPa，出現(xiàn)在幕墻拱X 撐與吊柱交接處，屬于應(yīng)力集中。節(jié)點(diǎn)核心區(qū)最大剪應(yīng)力小于Q345 鋼材的抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值155 MPa，滿足大震抗剪彈性的要求（見圖8）。

圖8 節(jié)點(diǎn)A受拉損傷、型鋼應(yīng)力、型鋼剪應(yīng)力Fig.8 Node A Tensile Damage，Section Steel Stress，Section Steel Shear Stress

以上分析結(jié)果表明，在罕遇地震作用下，混凝土存在一定的受拉損傷，受壓損傷較?。恍弯搼?yīng)力水平滿足大震不屈服要求，型鋼滿足大震抗剪彈性，所以該節(jié)點(diǎn)區(qū)是安全的［10］。

5 結(jié)論

針對(duì)本連體復(fù)雜結(jié)構(gòu)，采用有結(jié)構(gòu)特色的由交叉斜撐組成的拱架（幕墻拱）全鋼結(jié)構(gòu)連體。對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗震性能設(shè)計(jì)、整體穩(wěn)定分析及變形分析、樓板應(yīng)力分析及溫度內(nèi)力分析、樓蓋舒適度分析、施工階段分析，并對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元分析。分析結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足要求，所采取的設(shè)計(jì)方法合理可行，可給同類型結(jié)構(gòu)提供參考。