智慧生態(tài)城創(chuàng)新服務中心結構設計

艾 威， 陳 寶

(中信建筑設計研究總院有限公司， 武漢 430014)

1 工程概況

智慧生態(tài)城創(chuàng)新服務中心位于武漢經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)，地處武漢市區(qū)西南三環(huán)外沿，吸引了眾多投資者和人群，是智慧城的總部及發(fā)展源泉。地上部分包含五個“貝殼狀”的單體多高層建筑，建筑效果圖見圖1，各單體平面示意圖見圖2。

圖2 各單體平面示意圖

本項目地上結構由五個單體(1#，2#，3#，4#，5#樓)構成，建筑高度為21.9～80.7m，單體間設置架空綠化景觀層，并通過設置防震縫斷開。各單體平面均為橢圓形，建筑外形為“貝殼狀”，通過外圈框架圓斜柱來達到結構層層收進的效果。1#，3#，4#樓底層橢圓長軸為70～80m，短軸為30～40m，柱距為10～12m。2#，5#樓底層橢圓長軸約為45m，短軸約為25m，柱距為9.5m。1#樓建筑共4層，首層層高為9.0m，2，3層層高均為8.0m，頂層層高為7.8m，建筑高度為32.8m；2#樓建筑共4層，首層層高為9.0m，2，3層層高均為4.2m，頂層層高為3.6m，建筑高度為17.4m；3#樓建筑共12層，首層層高為9.0m，2層層高為8.4m，標準層層高為4.2m，頂層層高為4.1m，建筑高度為59.3m；4#樓建筑共16層，首層層高為9.0m，2，3層層高為8.4m，標準層層高為4.2m，頂層層高為4.5m，建筑高度為80.7m；5#樓建筑共9層，首層層高為9.0m，標準層層高為4.0m，頂層層高為3.8m，建筑高度為40.8m。屋頂采用單層網(wǎng)殼實現(xiàn)大空間的采光觀景平臺。

建筑結構設計使用年限為50年，結構設計基準期為50年，結構安全等級為二級，地基基礎設計等級為甲級，抗震設防類別為標準設防類(丙類)。工程所屬場地為建筑抗震一般地段，場地土類別為Ⅲ類，抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度值為0.05g，設計地震分組為第一組。地震影響系數(shù)最大值αmax=0.054，特征周期Tg=0.45s；50年一遇基本風壓為0.35kN/m2，10年一遇基本風壓為0.25kN/m2，地面粗糙度為B類；50年一遇基本雪壓為0.50kN/m2；結構計算阻尼比取為0.05[1]。

2 結構設計

主體結構采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結構體系，屋頂鋼構架采用單層網(wǎng)殼結構，架空綠化層為框架結構，3#，4#樓之間架空綠化層設置鋼結構連橋，與各單體間通過設置防震縫斷開，主體結構整體結構模型見圖3。

圖3 整體結構模型

各單體結構形式類似，平面形狀均為橢圓形。3#樓標準層結構平面布置見圖4，在建筑中部樓梯、電梯間設置剪力墻，與周邊的框架柱形成多道抗震防線。為實現(xiàn)“貝殼狀”層層收進的建筑效果，外圈框架柱采用圓形斜柱，單根斜柱的傾斜角度(簡稱傾角)大部分在0°～15°之間，局部最大達到25°，自底層至頂層，斜柱傾角逐層增大，3#樓剖面見圖5。

圖4 3#樓標準層結構平面布置

圖5 3#樓剖面圖

以斜柱傾角最大的3#樓為例，底層剪力墻厚度為500mm，外圈框架圓斜柱直徑為1 000～1 200mm，矩形框架柱截面為800×800～1 000×1 000，框架梁最大跨度為12m，主要梁截面為400×800。

3 結構靜力計算

本項目的5棟單體，除2#樓為多層建筑外，其余4棟均為A級高度的高層建筑，體型較為規(guī)則。為實現(xiàn)建筑造型，結構外圈框架采用圓斜柱且傾角較大，結構設計時采用YJK(1.9.3)和MIDAS Building 2019(V1.1)兩個計算軟件分別對建筑高度較高的3#樓和4#樓進行了多遇地震和風荷載作用下的靜力彈性分析。單體嵌固端均為地下室頂板，結構的動力特性、最大層間位移比、層間位移角等整體指標見表1[2]。

對比表1中結果可發(fā)現(xiàn)，兩種計算軟件統(tǒng)計的結構總質(zhì)量誤差在5%以內(nèi)，結構整體響應也比較吻合。結構扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期T扭和平動為主的第一自振周期T1之比不大于0.9，滿足《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》(JGJ 3—2010)[3](簡稱高規(guī))中第3.4.5條扭轉(zhuǎn)周期比的規(guī)定。在考慮多遇地震(6度)和50年一遇的風荷載作用下，結構的層間位移和傾覆力矩由地震作用控制，整體穩(wěn)定性由地震作用和風荷載共同控制。

多遇地震作用下各樓層層間位移角曲線如圖6所示，本層與上一層樓層受剪承載力比值如圖7所示。由圖6,7可知結構具有較好的剛度和承載力，無明顯的承載力突變，結構Y向側(cè)向剛度較X向稍弱，框架圓斜柱傾角的增加未對整體結構的抗側(cè)剛度產(chǎn)生較大削弱，結構整體受力性能良好。

圖6 樓層層間位移角

圖7 樓層受剪承載力比值

3#樓樓層層間位移角最大值為1/1 652，出現(xiàn)在

結構靜力彈性分析整體指標 表1

第4層，4#樓樓層層間位移角最大值為1/1 517，出現(xiàn)在第5層，均小于高規(guī)中表3.7.3框架剪力墻結構的限值1/800。各樓層受剪承載力與上一層樓層受剪承載力比值在0.8～1.5之間，滿足高規(guī)3.5.3條的要求。

從圖3可知，電壓補償器作為系統(tǒng)中用于接收和反饋信號的核心部件，位于輻射大廳，一端通過長約10 m的信號電纜與輻照晶體管連接，另一端則通過長約100 m屏蔽雙絞電纜與測量間的測試系統(tǒng)相連，將VCC，VBB，VRB和VRC反饋至測試轉(zhuǎn)接盒。為避免電阻直接受中子輻照引起性能下降，產(chǎn)生測量誤差，將輻照板上的電阻RB，RC與晶體管分開，放置于電壓補償器中。

高層建筑在風荷載作用下產(chǎn)生過大的振動加速度會使人感到不適，按高規(guī)中第3.7.6條取10年一遇(重現(xiàn)期R=10)的風荷載標準值，并分別采用YJK，MIDAS Building軟件計算結構頂點最大加速度，結構阻尼比取為0.02，3#樓的計算結果見表2。結構頂點風振加速度滿足辦公建筑不大于0.25m/s2的要求。

風荷載標準值(R=10)作用下結構頂點最大加速度/(m/s2)表2

4 斜柱對框架梁和樓板受力性能的影響

為實現(xiàn)建筑立面的縮進要求，結構外圈框架柱均為圓斜柱。與普通框架柱相比，對斜柱在樓面處水平力分量的相關分析是結構設計的重點和難點，并且需要采取相應的加強措施來保證水平力的有效傳遞。本節(jié)主要分析：1)多遇地震作用下斜柱對各層框架梁和樓板內(nèi)力的影響；2)罕遇地震作用下斜柱和與其相連框架梁的損傷分析。

4.1 多遇地震作用下斜柱對框架梁的影響

為分析地震作用下斜柱對框架梁受力性能的影響[4]，采用YJK(1.9.3)和MIDAS Gen 2010(V2.1)計算軟件，以3#樓為例進行整體受力分析。圖4中框架斜柱(編號KZ1，KZ2)和與其相連的框架梁(編號KL1，KL2)在恒載和Y向地震(斜柱傾斜方向)作用下的軸力見表3，4。其中受拉為正，受壓為負。

由表3和表4可以看出，YJK和MIDAS Gen計算得出的斜柱和框架梁的軸力結果相差不大，反映的變化規(guī)律基本一致。框架斜柱和框架梁在恒載作用下軸力較大，水平地震作用下軸力較小，斜柱頂水平力的大小主要由豎向荷載控制。

斜柱傾角自底層向頂層不斷增大，恒載作用下，與斜柱相連的框架梁在底部樓層承受拉力，頂部樓層承受壓力，KL1，KL2均在2層出現(xiàn)最大拉力，分別為59，62kN，在9層出現(xiàn)最大壓力，分別為80，63kN。由于斜柱傾角的變化，4～8層框架梁存在受拉和受壓兩種受力狀態(tài)。

恒載與Y向地震作用下KZ1，KL1軸力/kN 表3

恒載與Y向地震作用下KZ2，KL2軸力/kN 表4

為了保證樓層處水平力的有效傳遞，設計時采取以下加強措施：1)沿斜柱傾斜方向布置框架梁和次梁，以減小樓板水平方向承受的軸力；2)沿斜柱傾斜方向的框架梁和次梁均設置不小于216通長受力鋼筋，且均按單側(cè)配筋面積不小于0.1%bhw設置受扭腰筋；3)外圈環(huán)狀框架梁底筋和面筋均按不小于420通長配筋，箍筋直徑不小于10mm，并沿梁高設置間距不大于200mm的抗扭腰筋。

4.2 多遇地震作用下斜柱對樓板應力的影響

由表3和表4可知，在恒載與地震荷載作用下，3#樓在6層處框架梁軸力達到最大。選取該層樓板進行應力分析，在恒載+0.5活載+地震作用(X向或Y向)組合下，大部分樓板單元剪應力均小于1.0MPa。《混凝土結構設計規(guī)范》(GB 50010—2010)(2015年版)[6]6.3.3節(jié)規(guī)定了樓板斜截面受剪承載力公式，單位寬度的樓板剪應力限值取0.7ftk=1.407MPa(混凝土強度等級為C30)。由此可知大震作用下樓板剪應力均滿足要求。

1.2恒載+1.4活載組合下斜柱周邊樓板X向、Y向正應力分布分別如圖8，9所示，其中拉應力為正，壓應力為負。由圖8，9可知，樓板在X向支座處板面與跨中處板底出現(xiàn)拉應力，最大達到5.0MPa，大于樓板混凝土軸心抗拉強度設計值ft=1.43MPa，需按計算配置受拉鋼筋；樓板Y向板面均為壓應力，板底拉應力最大為1.5MPa，略大于ft，僅需配置構造鋼筋。上述樓板的應力分布與常規(guī)樓板的受力狀態(tài)一致，說明斜柱對樓板的內(nèi)力影響較小。本項目樓板采用單向板，板厚100mm，板受力鋼筋滿足最小配筋率及計算要求，板面均按0.15%附加拉通鋼筋。

圖8 1.2恒載+1.4活載組合下樓板X向正應力/MPa

4.3 罕遇地震作用下斜柱和相連框架梁、樓板的損傷分析

本工程選取2組天然波和1組人工波，采用SAUSAGE非線性分析軟件對4#樓進行6度罕遇地震作用下結構的動力彈塑性時程分析，對主方向為X向、Y向的3組地震波，共6種工況進行頻譜分析得出，每條時程曲線的頻譜特性、有效峰值和持續(xù)時間均滿足《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011—2010)(2016年版)[7](簡稱抗震設計規(guī)范)第5.1.2-3條的相關規(guī)定。地震動峰值加速度取為140gal，采用抗震設計規(guī)范第3.10.4條及其條文說明計算得到罕遇地震作用下3#樓的彈塑性層間位移角參考值如圖10所示，樓板X向?qū)娱g位移角最大值為1/252(3層)，Y向?qū)娱g位移角最大值為1/220(4層)，小于罕遇地震作用下的層間位移角限值1/200，均滿足規(guī)范要求。

圖10 罕遇地震作用下結構的層間位移角

基于混凝土受壓損傷因子、受拉損傷因子和鋼筋的塑性應變大小對結構構件的損壞程度進行評估。梁柱構件性能等級取單元性能的最大值，墻板構件性能等級取單元按面積加權平均后的性能等級。3組地震波在主方向X向、Y向作用下結構構件性能等級的最終包絡結果見圖11，12。由圖11,12可知，罕遇地震作用下框架柱、框架梁、斜柱、墻柱均在輕度損壞及以下，墻梁部分出現(xiàn)嚴重損壞，樓板基本處于無損狀態(tài)。

圖11 結構構件性能等級百分比

圖12 第3層框架梁柱、樓板性能水平

總體來看，結構整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，未出現(xiàn)較大側(cè)向變形，層間位移角滿足要求，抗側(cè)力構件損壞程度較輕，斜柱和與其相連的框架梁、樓板均能有效傳遞水平力，結構抗震性能良好。

5 有限元分析

5.1 屋頂單層網(wǎng)殼有限元分析

為實現(xiàn)單體建筑屋頂曲面的外觀要求和大空間采光觀景平臺的功能要求，可采用鋼架和單層網(wǎng)殼兩種方案，見圖13。屋頂結構平面投影長36m，寬5m，立面矢高13.28m。

圖13 屋頂結構方案(3#樓)

鋼架方案結構桿件主要截面為焊接箱形截面(400×350×12×12)，單層網(wǎng)殼方案結構桿件主要截面為方鋼管(200×100×6)，網(wǎng)格邊長為1.8～2.0m，夾角為45°～60°。對稱的兩榀網(wǎng)殼用型鋼梁連接，鋼梁截面為500×250(H×B)，長約13m，間距5m左右，水平方向布置次梁，次梁截面為400×200(H×B)。

考慮建筑的經(jīng)濟性，對屋頂兩種方案造價進行比較，見表5。由表5可知，單層網(wǎng)殼方案型鋼造價和玻璃造價均低于鋼架方案。

屋頂鋼架和單層網(wǎng)殼方案造價比較 表5

為簡化單層網(wǎng)殼與混凝土的連接，網(wǎng)架底部換梁處設置支托管，與混凝土柱頂鋼埋件直接現(xiàn)場焊接，單層網(wǎng)殼支座節(jié)點詳圖見圖14。計算時按鉸接支座與固定支座包絡，并通過建立整體結構計算模型來探究上部網(wǎng)架結構與下部混凝土框架結構受力的相互影響。

圖14 單層網(wǎng)殼支座節(jié)點

采用3D3S有限元分析軟件進行結構的整體受力分析，考慮地震和溫度作用。計算結果顯示屋頂單層網(wǎng)殼結構在恒載+活載+0.6風荷載+升溫的組合工況下變形最大，位移云圖見圖15，各組合工況下結構的最大應力與強度比值云圖見圖16。從圖15中可看出，單層網(wǎng)殼結構的最大豎向位移為13.5mm，型鋼梁最大豎向位移為39.742mm(撓度為1/788)，滿足規(guī)范限值1/400的要求[8]。從圖16中可看出，網(wǎng)架桿件的最大應力與強度比值主要在0～0.4以內(nèi)，型鋼梁最大應力比為0.85。

圖15 單層網(wǎng)殼位移云圖/mm

圖16 單層網(wǎng)殼最大應力與強度比值云圖

5.2 螺旋鋼樓梯有限元分析

在塔樓范圍外的地下室設置了兩部對稱的螺旋鋼樓梯，樓梯平面和剖面見圖17。地下1層層高5.7m，采用兩跑樓梯，每跑18步，中心梯井半徑為1.8m，樓梯寬度為1.8m，外邊線半徑為3.6m，內(nèi)邊弧形展開長度為11.3m，外邊為22.6m。兩側(cè)采用螺旋鋼梁作為結構承力構件，鋼梁截面為箱形截面250×400×16×16，鋼梁計算長度分別約為21m(外圈)、12m(內(nèi)圈)。采用3D3S軟件分析得到鋼梯梁的應力比與位移云圖見圖18。由圖18可知鋼梁兩端均為剛接，最大應力比為0.60，外圈鋼梁跨中最大位移為13.175mm，撓度為1/1 400，內(nèi)圈鋼梁跨中最大位移為7.5mm，撓度為1/1 600，均滿足設計要求。

圖17 地下室螺旋鋼樓梯

圖18 鋼梯梁應力比、位移云圖

為保證鋼梁與混凝土結構的剛性連接，鋼梯梁與基礎底板的連接節(jié)點(圖19)為外包剛性柱腳；鋼梯梁與混凝土梁連接時，鋼梯梁伸入混凝土梁內(nèi)1.5m，伸入混凝土梁部分在鋼梯梁上下翼緣設置栓釘和復合箍筋(圖20)。

圖19 鋼梯梁剛性柱腳節(jié)點

圖20 鋼梯梁與混凝土梁節(jié)點構造

6 結語

本文主要介紹了智慧城創(chuàng)新服務中心項目的工程概況、結構設計，并運用兩種計算軟件采用規(guī)范反應譜法對3#，4#樓進行多遇地震作用下的結構靜力計算，并結合罕遇地震彈塑性時程分析、樓板應力分析對斜柱柱頂水平力的傳遞以及對相連框架梁、樓板內(nèi)力的影響進行了分析，對結構薄弱部位采取有效的加強措施以保證結構的抗震性能。項目中的鋼結構連橋、屋頂單層網(wǎng)殼、螺旋鋼樓梯結構設計合理而輕巧，滿足建筑的功能和美觀要求，并對特殊的節(jié)點提出了適當?shù)募訌姶胧?，為類似工程的設計提供一定的借鑒和參考。