東方國(guó)際商務(wù)中心復(fù)雜連體超限高層結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)*

黃明波

(中煤邯鄲設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，邯鄲 056031)

1 工程概述

河北省邯鄲市東方國(guó)際商務(wù)中心總建筑面積為114 458.3m2，為雙塔樓建筑，建筑功能主要為商務(wù)辦公、商業(yè)及餐飲。南北塔樓地上為22層，裙樓為4層，地下室為3層，主樓結(jié)構(gòu)高度為95.80m。在20,21,22層處設(shè)置鋼托架連接體和空腹桁架，連體部分底標(biāo)高為81.6m、頂標(biāo)高為95.20m，屬于高位連體結(jié)構(gòu)，連接體跨度為31.50m，連接體與南北塔樓主體結(jié)構(gòu)采用剛性連接。工程建筑效果、現(xiàn)場(chǎng)照片、建筑剖面圖及結(jié)構(gòu)平面布置圖分別如圖1～3所示。

圖1 建筑效果圖和現(xiàn)場(chǎng)照片

圖2 建筑剖面圖

圖3 結(jié)構(gòu)平面布置圖

該工程抗震設(shè)防基本烈度為7度，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.15g，場(chǎng)地類別為Ⅲ類，特征周期為0.55s，地面粗糙度類別為C類。工程設(shè)計(jì)使用年限為50年,安全等級(jí)為二級(jí),抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類。

2 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)體系和主要構(gòu)件截面

南北塔樓主體結(jié)構(gòu)為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，框架抗震等級(jí)為二級(jí)，剪力墻抗震等級(jí)為二級(jí)，抗震構(gòu)造措施的抗震等級(jí)提高一級(jí)。典型柱網(wǎng)為9m×9m，框架柱截面尺寸主要為1 250×1 250～950×950，剪力墻厚度主要為200～500mm，剪力墻混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60～C45，梁板混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C45～C30，型鋼均采用Q345B級(jí)鋼。塔樓采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓蓋，樓板厚度不小于120mm。連接體采用鋼結(jié)構(gòu)空間托架，與連接體相連的塔樓兩跨范圍內(nèi)的梁柱采用型鋼混凝土梁柱，樓蓋采用壓型鋼板上澆筑混凝土樓板，樓板厚度為150mm。

2.2 連接體

連接體位于19層頂至22層頂，結(jié)構(gòu)形式為鋼托架和空腹桁架，跨度為31.5m，跨中橫向最窄處為14.7m，兩側(cè)支座橫向最寬處為17.4m。為保證21，22層建筑功能的完整性，鋼托架占用第20層空間，高度為4m；21，22層為空腹桁架，每層層高均為4.5m。與連接體相鄰一跨的框架梁、框架柱為型鋼混凝土梁柱，連接體弦桿與其剛性連接，樓板水平方向設(shè)置交叉支撐。連體結(jié)構(gòu)部分的樓板采用150mm厚的鋼筋混凝土樓板(延伸至塔樓一跨)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，雙層雙向配筋，加強(qiáng)連接體與南北兩塔樓的變形協(xié)調(diào)。連接體構(gòu)件均采用Q345B級(jí)焊接H型鋼，鋼托架上、下弦桿均選用H1 200×700×40×45，交叉斜腹桿采用H500×500×25×36，豎向方柱采用方管□600×600×32，其余弦桿采用H600×350×28×32，橫向水平支撐均采用H400×300×20×20；延伸塔樓一跨設(shè)置型鋼混凝土梁(內(nèi)設(shè)鋼骨H600×260×16×20)和型鋼混凝土柱(內(nèi)設(shè)十字鋼骨雙H800×500×20×20)。連接體立面如圖4所示。

圖4 連接體平面和立面布置

2.3 結(jié)構(gòu)超限情況和采取的相應(yīng)措施

該主體結(jié)構(gòu)主要超限類型為扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、樓板不連續(xù)、多塔和連體結(jié)構(gòu)復(fù)雜連接等，工程屬超限結(jié)構(gòu)。需針對(duì)上述情況，從整體結(jié)構(gòu)體系、設(shè)計(jì)內(nèi)力調(diào)整、增強(qiáng)重要構(gòu)件的延性等方面采取措施。具體如下：

(1)南北塔樓主體結(jié)構(gòu)均采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，在滿足單塔整體指標(biāo)前提下，通過(guò)調(diào)整剪力墻布置，使兩塔樓的剛度接近，避免在地震作用下因振型不一致造成對(duì)連接體的不利影響；加強(qiáng)剛性連體整體剛度，協(xié)調(diào)兩塔樓在地震作用下的反應(yīng)。

(2)底部加強(qiáng)區(qū)1～5層剪力墻按抗震等級(jí)一級(jí)設(shè)置，墻內(nèi)暗柱設(shè)置型鋼；連接體區(qū)域17～22層剪力墻體按抗震等級(jí)一級(jí)設(shè)計(jì)。剪力墻加強(qiáng)部位延伸至裙房頂上一層，墻肢均設(shè)置約束邊緣構(gòu)件，并加強(qiáng)剪力墻配筋。

(3)連接體樓蓋采用壓型鋼板上澆筑混凝土樓板，樓板厚度為150mm，在鋼梁上設(shè)置剪力栓釘以有效傳遞剪力。樓板平面內(nèi)設(shè)置交叉支撐，可進(jìn)一步保證水平力的有效傳遞及平面內(nèi)的側(cè)向剛度，增強(qiáng)雙塔的協(xié)同工作性能，并減少樓板開裂。連接體樓板加厚范圍延伸至主樓內(nèi)各一跨，且此跨樓板平面內(nèi)也設(shè)置型鋼混凝土梁和型鋼混凝土柱，在此范圍內(nèi)上下樓板鋼筋全部拉通，以使連接體部分能更有效地抵抗板內(nèi)可能出現(xiàn)的拉應(yīng)力。

3 主體結(jié)構(gòu)計(jì)算分析結(jié)果

根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性，該工程結(jié)構(gòu)的抗震性能化目標(biāo)選為C級(jí)，關(guān)鍵構(gòu)件小震滿足水準(zhǔn)1，中震滿足水準(zhǔn)3，大震滿足水準(zhǔn)4[1]。在此主要論述關(guān)鍵構(gòu)件包括連接體、連接節(jié)點(diǎn)、支承連體結(jié)構(gòu)的豎向構(gòu)件、連接體相鄰構(gòu)件、連接體樓面支撐構(gòu)件和樓板的應(yīng)力等。采用SATWE(2011年版)和PMSAP(2011年版)兩種軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體計(jì)算分析設(shè)計(jì)和結(jié)果分析對(duì)比?？紤]到工程的重要性及復(fù)雜性，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多遇地震作用、設(shè)防地震作用和罕遇地震作用下計(jì)算分析。

3.1 計(jì)算模型及主要參數(shù)

本結(jié)構(gòu)計(jì)算自振周期折減系數(shù)為0.80，考慮5%偶然偏心及雙向地震作用，振型組合方法為CQC法[1]。阻尼比統(tǒng)一按0.05考慮[2]。樓板假定：計(jì)算周期和位移等整體指標(biāo)時(shí)采用剛性樓板假定；計(jì)算桿件內(nèi)力和截面設(shè)計(jì)時(shí)采用真實(shí)反映樓板平面內(nèi)剛度的假定，即將較大洞口周圍及連體部分的樓板定義為彈性膜[3]。

3.2 反應(yīng)譜分析結(jié)果

采用兩種不同的有限元軟件進(jìn)行地震反應(yīng)譜分析,計(jì)算結(jié)果如表1所示。兩種軟件計(jì)算的主體結(jié)構(gòu)動(dòng)力特征接近，兩塔樓前兩階振型均為同向平動(dòng)，表明塔樓剪力墻設(shè)置合理，抗扭剛度較好。

多遇地震作用下反應(yīng)譜分析計(jì)算結(jié)果 表1

在多遇地震作用下，南北單塔、整體結(jié)構(gòu)底層外框架部分承受的地震傾覆力矩與結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的比值均約為25%，且單塔和整體結(jié)構(gòu)各樓層的比值情況相近，見圖5。

圖5 外框架承擔(dān)的傾覆力矩比例

3.3 地震作用下彈性時(shí)程分析結(jié)果

本文選取了5條天然波(WAV55-1～WAV55-5分別對(duì)應(yīng)NGA3023 HWA036，NGA 718，NGA 744 BVW，NGA 1605，NGA 169)和兩條人工波(WAV55-6～WAV55-7)，采用PMSAP軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性時(shí)程分析[1]。地震波持續(xù)時(shí)間一般為結(jié)構(gòu)基本周期的5～10倍，多遇地震加速度各分量(主分量方向、次分量方向、豎向分量方向)的取值為55，46.75，35.75cm/s2，各方向分量取值比為1∶0.85∶0.65。計(jì)算得到的樓層剪力如圖6所示。由圖6可知，每條地震波作用下計(jì)算所得結(jié)構(gòu)基底剪力與CQC法計(jì)算結(jié)果比值處于68%～113%之間，7條地震波計(jì)算所得結(jié)構(gòu)基底剪力的平均值與CQC法計(jì)算結(jié)果較為接近，且不小于CQC法計(jì)算結(jié)果的80%。時(shí)程分析計(jì)算得到的X，Y兩個(gè)方向的最大層間位移角平均值分別為1/1 184，1/820。

圖6 樓層剪力分布圖

3.4 罕遇地震作用下彈塑性分析結(jié)果

采用PUSH&EPDA軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了罕遇地震下的彈塑性Pushover分析[3-4]，X向推覆性能點(diǎn)的最大層間位移角為1/137，Y向推覆性能點(diǎn)的最大層間位移角為1/129，均小于規(guī)范限值1/100[1]，滿足規(guī)范要求。多遇地震作用、設(shè)防地震作用和罕遇地震作用下性能點(diǎn)基底剪力、位移響應(yīng)等對(duì)比見表2，可見三個(gè)地震水準(zhǔn)作用下，結(jié)構(gòu)響應(yīng)較為合理[5-6]。

三個(gè)地震水準(zhǔn)作用下分析計(jì)算結(jié)果 表2

3.5 溫度荷載作用計(jì)算

由于結(jié)構(gòu)超長(zhǎng)且未設(shè)置伸縮縫，溫度對(duì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力影響不可忽視，考慮到結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，工程設(shè)計(jì)中溫度及荷載取值為[7]：升溫30℃，降溫30℃，荷載分項(xiàng)系數(shù)為1.2，組合系數(shù)為0.8，考慮徐變應(yīng)力松弛系數(shù)為0.3，梁柱混凝土構(gòu)件截面彈性剛度折減系數(shù)為0.85。鋼結(jié)構(gòu)不折減，樓板全部定義為彈性膜，采用PMSAP軟件進(jìn)行溫度應(yīng)力計(jì)算。梁配筋計(jì)算時(shí)，考慮溫度荷載的不利組合，計(jì)算結(jié)果表明梁縱筋配筋量較未考慮溫度荷載組合時(shí)有所增加，設(shè)計(jì)時(shí)按包絡(luò)結(jié)果配筋。

4 連接體計(jì)算分析

南北塔樓平面為缺角四邊形，且中心部位的剪力墻布置不相同，因此調(diào)整兩塔樓豎向構(gòu)件尤其是剪力墻的布置，確保兩塔樓地震響應(yīng)保持基本一致，將對(duì)連接體受力產(chǎn)生關(guān)鍵的影響。而連接體的設(shè)置反過(guò)來(lái)也帶來(lái)了扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯、連接部位受力復(fù)雜等問(wèn)題[8]。

4.1 連接體對(duì)塔樓動(dòng)力特征的影響

整體模型、南北單塔模型的動(dòng)力特征如表3所示。整體模型前3階周期均小于單塔模型的前3階周期，表明連接體增加了結(jié)構(gòu)的整體剛度。單塔第1階振型為Y向平動(dòng)，而整體模型由于連接體作用變?yōu)閄向平動(dòng)。表明連接體可有效協(xié)調(diào)雙塔共同工作，使整體抗側(cè)剛度增大，在設(shè)計(jì)中需注重對(duì)連接體樓層面內(nèi)剛度的加強(qiáng)。

不同塔樓模型的動(dòng)力特征對(duì)比 表3

4.2 連接體對(duì)塔樓側(cè)向變形和相連框架柱的影響

整體模型、單塔模型的最大層間位移角如表4所示。多遇地震作用下，單塔模型最大層間位移角計(jì)算結(jié)果比整體模型中對(duì)應(yīng)塔樓的大，所在樓層位置整體模型比單塔模型高，可見連接體能協(xié)調(diào)雙塔共同抵抗側(cè)向地震作用。

不同塔樓模型的最大層間位移角對(duì)比 表4

與連接體相連框架柱(選取位置A，B柱見圖3)軸壓比和柱頂位移情況見圖7，柱頂位移分別為X向地震和Y向地震作用下對(duì)應(yīng)的位移。其中軸壓比在18層以上因設(shè)置型鋼而突然減小，但設(shè)置型鋼對(duì)柱頂位移影響不大。

圖7 與連體相連框架柱軸壓比和位移情況

4.3 連接體對(duì)塔樓樓層抗剪承載力的影響

南北塔樓的樓層抗剪承載力沿高度方向變化均勻，無(wú)明顯突變。增設(shè)連接體后，由于連接體剛度較大，連接體所在樓層的抗剪承載力顯著提高，因而在連接體上下的過(guò)渡層抗剪承載力產(chǎn)生突變，連接體下層與連接體首層的抗剪承載力比值為0.73。設(shè)計(jì)時(shí)放大連接體下部三層的地震剪力，并通過(guò)在連接體下部的三層的豎向構(gòu)件中設(shè)置型鋼柱、加大剪力墻配筋量等措施調(diào)整加強(qiáng)。

5 連接體構(gòu)件內(nèi)力分析

5.1 連接體構(gòu)件承載力驗(yàn)算

連接體需滿足中震彈性的性能目標(biāo)[9]，按7度(0.15g)進(jìn)行設(shè)防地震作用計(jì)算，多遇地震水平地震影響系數(shù)最大值取0.12，設(shè)防地震水平地震影響系數(shù)最大值取0.34[1]，并考慮豎向地震作用，阻尼比取0.025[2]，周期不折減，考慮多種組合作用，承載力計(jì)算起控制作用的工況組合為：1.2×(1.0恒載+0.5活載)+1.3×1.0水平地震+0.5×1.0豎向地震。

選取20層處鋼托架下層關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行分析，位置見圖8，構(gòu)件應(yīng)力比情況見表5。計(jì)算結(jié)果表明，鋼托架在考慮多遇地震組合作用下各桿件應(yīng)力比普遍較小，一般不超過(guò)0.6，桿件承載力有較大富余，最大內(nèi)力位于鋼托架端部弦桿；考慮設(shè)防地震作用組合下，各桿件應(yīng)力比一般不超過(guò)0.80，應(yīng)力比最大值為0.83，產(chǎn)生于鋼托架下弦與主樓連接處，但鋼托架整體仍處于彈性狀態(tài)。

圖8 鋼托架下層桿件位置示意

5.2 連接體施工過(guò)程驗(yàn)算

鋼托架長(zhǎng)度約31.5m，需分段運(yùn)輸進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)拼接。設(shè)計(jì)施工順序?yàn)椋?)將19，20層鋼托架在地面進(jìn)行拼裝并連接橫向支撐形成空間整體；2)將拼裝完成的鋼托架整體吊裝至安裝位置并與主樓節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，合攏溫度暫定邯鄲市年平均氣溫18℃；3)逐層施工21，22層的空腹桁架及橫向支撐；4)鋪裝19～22層頂?shù)臉前搴臀菝姘濉?/p>

連體部位桿件承載力驗(yàn)算下應(yīng)力比 表5

考慮到施工過(guò)程中存在由20層鋼托架承受施工堆載的可能性，故需要對(duì)其進(jìn)行施工堆載驗(yàn)算?，F(xiàn)將21，22層的所有鋼構(gòu)件及樓板材料自重等荷載施加于20層頂。鋼構(gòu)件應(yīng)力情況如表6所示(選取驗(yàn)算位置同圖8)。由表6可知：在考慮施工堆載工況下，構(gòu)件最大應(yīng)力比為0.43，絕大多數(shù)構(gòu)件應(yīng)力比均在0.25以下，施工堆載工況下結(jié)構(gòu)安全可靠。

鋼托架施工過(guò)程中桿件承載力驗(yàn)算下應(yīng)力比 表6

5.3 連接體樓板應(yīng)力分析

多遇地震作用下鋼托架所在樓層20層頂樓板應(yīng)力分布如圖9，10所示，可見最大拉應(yīng)力均不超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(C30，ftk=2.01MPa)。

圖9 X向地震作用下樓板正應(yīng)力Sx等值線/kPa

圖10 Y向地震作用下樓板正應(yīng)力Sy等值線/kPa

5.4 連接體構(gòu)件節(jié)點(diǎn)驗(yàn)算

通過(guò)連體結(jié)構(gòu)整體計(jì)算，可得到節(jié)點(diǎn)區(qū)桿件的最大組合內(nèi)力，進(jìn)而得到實(shí)體節(jié)點(diǎn)中桿件端部的內(nèi)力，按照此內(nèi)力采用MIDAS Gen軟件進(jìn)行彈塑性有限元計(jì)算，單元類型選取四邊形厚板單元(DKMQ)，并以三角形厚板單元(DKMT)進(jìn)行輔助,有限元模型中不考慮焊縫的影響。

以內(nèi)力最大的節(jié)點(diǎn)1為例(位置見圖8)，其網(wǎng)格劃分及控制工況下von Mises 應(yīng)力云圖如圖11，12所示。分析結(jié)果表明，7度設(shè)防地震作用下(水平地震影響系數(shù)最大值αmax=0.34)，節(jié)點(diǎn)域最大的von Mises應(yīng)力圖中大部分范圍為0～265MPa；挖空區(qū)域表示有效應(yīng)力大于265MPa，但小于鋼材的屈服強(qiáng)度最小值325MPa。產(chǎn)生此取值范圍的原因?yàn)橐砭壈暹吺┘雍奢d的部位由于點(diǎn)荷載失真而產(chǎn)生應(yīng)力集中。腹板部位出現(xiàn)應(yīng)力集中，但其高應(yīng)力區(qū)域范圍很小且并未明顯大于許用應(yīng)力。由于混凝土的參與作用，混凝土柱內(nèi)的鋼骨板件隨著鋼構(gòu)件向柱中心的深入，鋼構(gòu)件內(nèi)應(yīng)力迅速擴(kuò)散，至柱形心附近處，鋼構(gòu)件的有效應(yīng)力降至較低的水平(約50MPa)。此處翼緣板設(shè)計(jì)時(shí)采取單獨(dú)加厚并在應(yīng)力集中處增設(shè)加勁板的措施。整體來(lái)看,節(jié)點(diǎn)域大部分區(qū)域的應(yīng)力為20～265MPa，小于鋼材的鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值265MPa[10]；從位移角度分析，節(jié)點(diǎn)域連接板的最大位移僅為1～3mm。可以認(rèn)為，局部加強(qiáng)處理后，鋼托架節(jié)點(diǎn)有足夠的安全儲(chǔ)備，完全可以滿足7度設(shè)防地震作用下構(gòu)件承載力中震彈性要求。

圖11 節(jié)點(diǎn)1網(wǎng)格劃分

圖12 節(jié)點(diǎn)1應(yīng)力云圖/MPa

6 結(jié)論

(1)本工程兩側(cè)塔樓建筑平面布置差別較大，為減少雙塔間不協(xié)調(diào)的扭轉(zhuǎn)對(duì)連接體造成的不利影響，調(diào)整兩側(cè)塔樓結(jié)構(gòu)布置使其振動(dòng)特性相近，并適當(dāng)增加塔樓的抗側(cè)剛度。

(2)本工程采用連接體與塔樓剛性連接形式，設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮其受力與構(gòu)造特點(diǎn)，增加連接體剛度，使其與兩側(cè)塔樓連為整體，協(xié)調(diào)兩側(cè)塔樓在外力作用下共同工作。

(3)對(duì)于復(fù)雜連體超限結(jié)構(gòu)，應(yīng)采取多種有限元軟件進(jìn)行多遇地震作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析，并采用彈性時(shí)程分析作補(bǔ)充，本工程以上分析對(duì)比結(jié)果較為接近。對(duì)結(jié)構(gòu)還進(jìn)行設(shè)防地震、罕遇地震作用下反應(yīng)譜分析及靜力推覆分析，研究三個(gè)地震水準(zhǔn)作用下結(jié)構(gòu)抗震性能，考察重要部位抗震性能并加強(qiáng)。

(4)兩側(cè)塔樓與連接體的連接形式是連體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題，應(yīng)對(duì)連接體、連接節(jié)點(diǎn)、支承連接體的豎向構(gòu)件、連接體相鄰構(gòu)件、連接體樓面支撐構(gòu)件和樓板應(yīng)力等進(jìn)行必要的分析。本文還對(duì)連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)精細(xì)化有限元實(shí)體建模，重點(diǎn)考察其受力和變形特點(diǎn)，并采取必要構(gòu)造措施確保其受力合理。

綜上所述，本工程主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，能達(dá)到設(shè)定的抗震性能目標(biāo)。該工程于2013年12月順利通過(guò)了河北省超限專家審查，2020年竣工驗(yàn)收投入使用。

致謝：參與本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和研究分析的工程師還有王克峰、王彬等，特此表示感謝！