東湖VR大廈結(jié)構(gòu)設(shè)計探析

翁錦華

(福州市建筑設(shè)計院有限責(zé)任公司 福建福州 350011)

1 工程概況

東湖·海西高新技術(shù)企業(yè)港軟件開發(fā)基地(數(shù)字福建VR雙創(chuàng)孵化基地)二期C1-2-1#樓(以下簡稱東湖VR大廈)地處福州市濱海新城，大廈主樓為辦公樓，地上20層、地下1層,結(jié)構(gòu)高度為100.5 m，總建筑面積約29 700 m2，結(jié)構(gòu)采用鋼管混凝土柱、鋼框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)施工過程實景圖

工程結(jié)構(gòu)設(shè)計難點為：

(1)大懸挑：5～6層南部外側(cè)兩端懸挑11.65 m，中間懸挑9 m，北部外側(cè)兩端懸挑6.35 m；

(2)主體結(jié)構(gòu)豎向受力構(gòu)件內(nèi)外傾斜大，東西兩側(cè)鋼柱外斜角度達(dá)14.04°，南北兩側(cè)各4根柱躍層外傾斜；

(3)豎向剛度突變，主體結(jié)構(gòu)大部分層高為4.5 m，5層層高變化為9.0 m。

2 設(shè)計參數(shù)及結(jié)構(gòu)體系

結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防類別為丙類，安全等級二級，基礎(chǔ)設(shè)計等級甲級，甲類防空地下室抗力級別為核六、常六級；結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限50年，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度為0.10 g，設(shè)計地震分組為第三組，場地類別Ⅲ類，結(jié)構(gòu)阻尼比取0.04，鋼管混凝土柱、鋼框架、核心筒的抗震等級均為二級；基本風(fēng)壓按50年一遇取0.80 kN/m2,承載力計算時放大1.1倍，地面粗糙度為B類，風(fēng)載體型系數(shù)考慮結(jié)構(gòu)體形變化，經(jīng)計算取1.33。

結(jié)構(gòu)采用鋼管混凝土柱、鋼框架-鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)體系(圖2)，柱腳為埋入式柱腳，核心筒主要由剪力墻、十字型鋼混凝土柱和型鋼混凝土梁構(gòu)成。由于核心筒剪力墻Y向長度僅7 m，小于核心筒高度的1/12，且結(jié)構(gòu)層高較高，最高達(dá)9 m，因此，主樓地面以上部分核心筒外周邊剪力墻厚度為500 mm，3層以上減薄至400 mm，以保證型鋼混凝土梁的放置。型鋼柱截面為十500×500×30×30，型鋼梁最大截面為H900×150×30×40。核心筒外部框架主要由H型鋼梁、圓鋼管柱、鋼斜撐和鋼桁架(位于5～6層，有H型鋼拼接而成)組成，核心筒南北兩側(cè)對稱設(shè)置各六根圓鋼管混凝土柱，核心筒東西兩側(cè)一至二十層對稱設(shè)置各四根圓鋼管斜柱。其中，一至七層(標(biāo)高±0.000 m～+32.83 m)采用圓鋼管混凝土柱內(nèi)斜，十至二十層(標(biāo)高+46.33 m至屋面)圓鋼管柱外斜，東西兩側(cè)鋼斜柱之間設(shè)置鋼斜撐。一至四層南北最外側(cè)各設(shè)四根躍層外傾斜方鋼管柱，高度19.5m。主樓內(nèi)除東西兩側(cè)十一層以上向外傾斜鋼柱外，其余鋼管柱由底至頂，在管內(nèi)灌注混凝土形成鋼管混凝土柱，東西兩側(cè)圓鋼管柱混凝土僅澆筑至11層。鋼梁最大截面為H1000×400×30×30，鋼管柱最大截面為○1000×25。結(jié)構(gòu)5、6層因為外懸挑大，設(shè)有懸挑鋼桁架結(jié)構(gòu)。鋼柱、鋼梁材質(zhì)為Q345B，鋼斜撐材質(zhì)為Q235B，連梁、鋼管混凝土柱、剪力墻的混凝土強度等級C35～C50，樓板混凝土強度等級C30。

圖2 結(jié)構(gòu)布置圖

3 超限類型及抗震性能目標(biāo)

結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，部分樓層Y向考慮偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比>1.2但<1.40；樓板不連續(xù)，2層、18層樓板開洞寬度>有效寬度50%；剛度突變，2層、5層層高分別為6 m、9 m， 相鄰層剛度變化大;此外，5層、6層外挑達(dá)11.65 m。 核心筒東西兩側(cè)全樓有八根內(nèi)斜、外斜鋼柱，南北兩側(cè)有八根穿層鋼斜柱。根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點》(建質(zhì)〔2015〕67號)，該工程屬于特別不規(guī)則結(jié)構(gòu)；根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ3-2010)[1](以下簡稱《高規(guī)》)第3.11.1條和《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 99-2015)[2](以下簡稱《高鋼規(guī)》)第3.8.3條，本工程對局部關(guān)鍵結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行性能設(shè)計，在中震下鋼管斜柱和受拉的樓面鋼梁按彈性設(shè)計、核心筒剪力墻按抗剪彈性、抗彎不屈服設(shè)計。

4 超限設(shè)計主要措施及分析方法

本結(jié)構(gòu)的設(shè)計采用以下主要措施及分析方法，以確?？拐鹦阅苣繕?biāo)的實現(xiàn)：

(1)采用MIDAS GEN (2011)及盈建科兩個程序，進(jìn)行多遇地震下的靜力計算分析，并驗證結(jié)構(gòu)梁、柱、墻在多遇地震作用下的性能目標(biāo)，保證結(jié)構(gòu)力學(xué)分析的可靠性,再進(jìn)一步采用盈建科程序進(jìn)行設(shè)防地震的計算分析。

(2)針對該工程局部樓板開洞較大的情況，增加相鄰層及本層洞口邊的板厚，并雙層雙向配筋，減少開洞對整體抗震性能的削弱，計算采用彈性樓板模型。

(3)針對扭轉(zhuǎn)位移比較大和扭轉(zhuǎn)周期比比較大的情況，增加外圈鋼框架梁的剛度，并在東西兩側(cè)設(shè)置鋼斜撐，增加結(jié)構(gòu)抗扭剛度。

(4)針對出現(xiàn)的斜柱和躍層柱，鋼管斜柱和躍層柱以及受拉的樓面鋼梁，均按中震彈性設(shè)計，核心筒剪力墻按中震抗剪彈性，抗彎不屈服設(shè)計；核心筒底部加強區(qū)剪力墻水平和豎向分布鋼筋的配筋率不小于0.30%。

(5)結(jié)構(gòu)整體計算應(yīng)考慮重力二階效應(yīng)，長懸挑梁考慮豎向地震作用，并增設(shè)斜撐，形成桁架，以減少其使用時的撓度，并進(jìn)行舒適度驗算。

(6)根據(jù)《高規(guī)》第4.3.4條和《高鋼規(guī)》第5.3.2條，本結(jié)構(gòu)結(jié)合場地實際情況及結(jié)構(gòu)特點，選用一條人工波和兩條天然波進(jìn)行多遇地震下彈性時程分析。

(7)采用PKPM的EPDA&PUSH程序,進(jìn)行結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的推覆計算。

4.1 多遇地震作用下的結(jié)構(gòu)計算

結(jié)構(gòu)整體計算結(jié)果如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)整體計算結(jié)果

規(guī)定水平力作用下底層框架、剪力墻承擔(dān)的地震剪力、總傾覆力矩如表2所示。

表2 底層框架、剪力墻承擔(dān)的地震剪力、總傾覆力矩

結(jié)構(gòu)一層柱、墻軸壓比計算結(jié)果顯示，在多遇地震作用下，框架柱、剪力墻均能保持彈性狀態(tài)。

該工程使用盈建科程序進(jìn)行多遇地震下的彈性動力時程分析，采用一條人工波(RH2TG065)和兩條天然波(TH1TG065，Chi-Chi Taiwan06_NO_3286 Tg(0.65))，場地地面最大加速度取35cm/s2，彈性時程分析計算結(jié)果總體上小于規(guī)范反應(yīng)譜計算結(jié)果。按照《高規(guī)》4.3.5條，取時程法計算結(jié)果的包絡(luò)值和振型反應(yīng)譜法計算結(jié)果的較大值，作為結(jié)構(gòu)設(shè)計的依據(jù)。

總之，在風(fēng)與多遇地震作用下，結(jié)構(gòu)能保持良好的抗側(cè)和抗扭性能，設(shè)計指標(biāo)均滿足抗震彈性設(shè)計的要求。

4.2 設(shè)防地震作用下的結(jié)構(gòu)承載力復(fù)核

通過對鋼斜柱和受拉的樓面鋼梁按中震彈性，核心筒剪力墻按中震抗剪彈性、抗彎不屈服計算，發(fā)現(xiàn)鋼斜柱和相關(guān)的鋼梁鋼柱在設(shè)防地震下，均未發(fā)生彎曲和剪切破壞，滿足中震彈性要求，核心筒剪力墻底部加強區(qū)在設(shè)防地震下，需增加較多配筋。地面一層剪力墻局部位置需增設(shè)型鋼，以保證抗剪彈性?？箯澆磺?，通過修改斷面、配筋、增設(shè)型鋼等措施，重新計算，確保核心筒剪力墻滿足中震抗剪彈性、抗彎不屈服抗震性能目標(biāo)。總之，結(jié)構(gòu)在中震作用下，可以實現(xiàn)關(guān)鍵構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計性能目標(biāo)。

4.3 罕遇地震下的推覆計算

為實現(xiàn)“大震不倒”的抗震目標(biāo)，項目還進(jìn)行了罕遇地震下的彈塑性變形驗算，以確保結(jié)構(gòu)的安全性。計算采用靜力彈塑性推覆計算方法,程序為PKPM的EPDA&PUSH，地震計算參數(shù)按規(guī)范取值，場地特征周期Tg=0.70s，地震影響系數(shù)最大值αmax=0.50。經(jīng)計算罕遇地震作用下的X向、Y向結(jié)構(gòu)層間彈塑性，位移角最大值分別為1/216、1/278，均小于規(guī)范要求的1/100。關(guān)鍵構(gòu)件在大震作用下均未出現(xiàn)塑性鉸，實現(xiàn)“大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)。

5 結(jié)構(gòu)設(shè)計的考慮

5.1 斜柱交叉節(jié)點處的優(yōu)化

工程建筑方案原設(shè)計東西兩側(cè)下部，內(nèi)斜柱與上部外斜柱直接相交在九層，上下兩斜柱直接與筒體角柱相連，如圖3所示。

圖3 原設(shè)計結(jié)構(gòu)剖面圖

考慮此種連接方式結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，分析困難，且連接面大，焊縫長度長，節(jié)點處理困難，尤其與筒體內(nèi)的型鋼混凝土角柱連接困難，與甲方、方案方確認(rèn)后，修改調(diào)整為如圖4所示。7～10層增加一段直柱，下部內(nèi)斜柱在7層與直柱連接，上部外斜柱在10層與直柱連接，受力分析簡單，柱間連接簡單，施工方便，焊縫長度大幅度減少，且方便建筑平面交通使用，建筑外立面通過其外掛的玻璃幕墻仍能夠?qū)崿F(xiàn)。6～11層短鋼梁節(jié)點施工時，直接在工廠與圓鋼管柱焊接成型，另一端在工地現(xiàn)場與筒體內(nèi)型鋼混凝土角柱焊接連接，如圖5所示。

圖4 優(yōu)化后設(shè)計結(jié)構(gòu)剖面圖

圖5 短鋼梁節(jié)點圖

斜柱安裝時，每段鋼柱安裝完成后，立刻進(jìn)行其與核心筒間鋼梁的安裝，以形成穩(wěn)定體系。

更改方案設(shè)計后，結(jié)構(gòu)受力明確，且極大方便施工。

5.2 大跨度鋼桁架與大懸挑鋼桁架的結(jié)合

結(jié)構(gòu)在5層核心筒南北兩端主體結(jié)構(gòu)設(shè)置大空間使用，且南北兩端全樓5～6層間掛滿LED顯示屏，荷載大，南部外側(cè)兩端懸挑11.65 m，中間懸挑9 m，北部外側(cè)兩端懸挑6.35 m，中間懸挑3.7 m(圖6)，南北懸挑鋼梁最大截面分別為1200 mm和800 mm，為保證建筑大空間使用，5至6層間兩端利用5、6層的鋼梁設(shè)置懸挑鋼桁架結(jié)構(gòu)，桁架考慮彎矩傳遞要求，弦桿伸入主體結(jié)構(gòu)內(nèi)一跨，懸挑鋼桁架結(jié)構(gòu)端頭再設(shè)置一榀跨度為 42.8 m的鋼桁架，上下弦高僅為600 mm，與中間的懸挑鋼梁連接，形成一個穩(wěn)定的大空間結(jié)構(gòu)，如圖7所示。結(jié)構(gòu)用鋼量少，利于施工吊裝拼裝。在設(shè)計過程中，尤其注意了大懸挑結(jié)構(gòu)的舒適度計算，在大懸挑部位的兩側(cè)還設(shè)置了水平桁架，控制結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，工程采用MIDAS GEN有限元分析程序，對第5層懸挑結(jié)構(gòu)樓板進(jìn)行舒適度分析，對懸挑11.65 m和6.35 m兩部分樓板計算，得到樓蓋振動峰值加速度均小于0.05 m/s2，滿足《高規(guī)》第3.7.7條的規(guī)定，豎向自振頻率分別為4.4682 Hz 、6.1724 Hz，均滿足《高規(guī)》不小于3Hz的要求。

圖6 五層懸挑平面示意圖

圖7 五、六層鋼桁架及懸挑桁架剖面示意圖

懸挑平臺安裝時，采取上下層同步安裝的順序進(jìn)行施工。由于施工過程涉及單根懸挑鋼梁的安裝、臨時固定和變形控制，因此，安裝時，先形成局部整體結(jié)構(gòu)，再逐步拼接形成完整整體結(jié)構(gòu)，并采取懸挑梁端頭預(yù)抬升、臨時拉結(jié)等措施，避免結(jié)構(gòu)安裝過程中出現(xiàn)較大變形，待懸挑平臺全部構(gòu)件安裝和焊接完成后，再進(jìn)行組合樓板的施工。

5.3 斜撐與約束屈曲支撐BRB選擇

結(jié)構(gòu)平面變化大，豎向不規(guī)則，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)位移比和扭轉(zhuǎn)周期比較大。結(jié)構(gòu)設(shè)計時，采用增加外圈鋼框架梁的剛度，并在邊跨設(shè)置約束屈曲支撐BRB，以增加結(jié)構(gòu)的抗扭剛度。設(shè)計過程中，由于造價及甲方采購因素，通過適當(dāng)增加筒體剪力墻厚度等措施，進(jìn)行復(fù)核計算取消BRB，整體結(jié)構(gòu)體系改為鋼框架支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行比選。考慮到核心筒結(jié)構(gòu)層高較高，進(jìn)深較小，主樓地面以上核心筒外周邊剪力墻厚度為500 mm(2層以下)、400 mm(3層以上)以放置型鋼梁。修改設(shè)計后結(jié)構(gòu)計算滿足各項指標(biāo)要求，取得較好的經(jīng)濟效果。

5.4 鋼筋桁架樓承板的應(yīng)用

主樓核心筒內(nèi)采用120 mm厚現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板，外周邊采用鋼筋桁架高度為90 mm、120 mm鋼筋桁架樓承板，板厚大部分為120 mm，洞口邊樓板加強部位及考慮舒適度要求的大懸挑部分，板厚為150 mm。鋼筋桁架樓承板是將三角型鋼筋桁架與底模連接成一體，形成組合樓板，在工廠加工，施工現(xiàn)場底模僅作為模板。施工中，現(xiàn)場樓板鋼筋綁扎工作量減少65%左右；結(jié)構(gòu)設(shè)置鋼次梁，將鋼筋桁架跨度控制在3.2 m以內(nèi)，以利于運輸及施工吊裝，避免施工過程中出現(xiàn)腳手架。次梁除沿懸挑方向布置外，能夠沿長跨方向布置的均沿長跨方向布置，充分利用鋼梁的強度，減少了梁與墻的預(yù)埋件，梁與梁連接更加方便。采用好鋼筋桁架樓承板，具有施工快速的優(yōu)勢，同時還有現(xiàn)澆樓板剛度大，傳遞水平力好的優(yōu)點。

5.5 核心筒角柱設(shè)計

筒體內(nèi)角柱布置有十字型鋼柱，與筒體內(nèi)型鋼混凝土梁及筒體外鋼框架梁交匯處混凝土的澆搗比較困難，因此，設(shè)計時注意筒體內(nèi)剪力墻鋼筋避讓，暗柱箍筋僅布置在外邊緣及采用菱形箍，剪力墻水平筋采用小直徑，深入暗柱滿足錨固長度即可，不與十字型鋼柱相連。混凝土采用自密實性混凝土施工，以保證節(jié)點處混凝土澆搗密實，確保施工質(zhì)量。

5.6 內(nèi)斜柱灌混凝土與外斜純鋼柱的處理

在核心筒東西兩側(cè)一至二十層，對稱設(shè)置各四根斜柱，其中一至七層(由標(biāo)高±0.000 m～+32.83 m)鋼管柱內(nèi)斜，鋼管柱內(nèi)澆搗混凝土，形成鋼管混凝土柱，減小鋼管柱直徑及壁厚，以節(jié)約造價。十至二十層(由標(biāo)高+46.33 m至屋面)鋼管柱外斜，鋼梁最大跨度達(dá)到13 m，對樓面梁形成拉力，鋼梁最大拉力約為581 kN。由于柱已在結(jié)構(gòu)中上部，軸壓比相對較小，且為減小樓面梁的拉力，鋼管柱內(nèi)未澆灌混凝土，為純鋼管柱，與鋼管柱相連的受拉樓面鋼梁延伸入筒體剪力墻內(nèi)至少一跨。

5.7 鋼框架梁側(cè)向穩(wěn)定的處理(隅撐的處理)

結(jié)構(gòu)鋼框架梁與鋼管柱及筒體暗柱交接處，為保證工字鋼梁受壓翼緣的側(cè)向穩(wěn)定，原設(shè)計考慮設(shè)置鋼隅撐。但鋼隅撐影響建筑吊頂，且施工繁瑣，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[3](GB50011-2010)8.3.3條文說明及《多高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計》[4]，計算鋼梁受壓區(qū)長細(xì)比后，以豎向加勁肋替代鋼隅撐來約束工字鋼梁，下翼緣受壓穩(wěn)定，既滿足設(shè)計要求，又節(jié)省用鋼量及方便制作安裝，施工質(zhì)量更好且造價更低，還加快了施工進(jìn)度。豎向加勁肋替代鋼隅撐，是鋼框架結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)選。

6 健康監(jiān)測

綜合本工程的結(jié)構(gòu)特點和有限元分析結(jié)果，工程在變形和傾角較大的敏感部位，對變形和傾角重點監(jiān)測、在關(guān)鍵桿件位置測試應(yīng)力，以及對大懸挑結(jié)構(gòu)部位布置加速度測點，進(jìn)行結(jié)構(gòu)動力特性以及振動監(jiān)測。

施工過程監(jiān)測采用離線測試方式，后期使用過程，健康監(jiān)測采用實時在線測試方式，部分測點采用用離線測試方式。

7 設(shè)計經(jīng)驗

由于體型、體系問題，工程經(jīng)過多方優(yōu)化設(shè)計，工程含地下室總用鋼量6067.639 t，每平方米用鋼量約200 kg，側(cè)面說明不規(guī)則結(jié)構(gòu)對主體經(jīng)濟性的影響；另外，外斜幕墻的安裝困難，對施工安全、工期及造價均產(chǎn)生較大影響。

8 結(jié)語

通過對結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計及性能化設(shè)計，東湖VR大廈結(jié)構(gòu)設(shè)計采用鋼管混凝土柱、鋼框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，滿足 “小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)。目前工程已竣工驗收，成為福州濱海新城的地標(biāo)建筑。