某超限高層連體辦公樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探析

徐 毅

(福州市建筑設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 福建福州 350011)

1 工程概述

某連體高層辦公樓位于福州市高新區(qū)旗山大道東側(cè)，地上11層，首層層高6.7m，二層及以上樓層層高4.5 m～4.2 m，結(jié)構(gòu)高度53.5 m，地下1層，滿足結(jié)構(gòu)埋深要求及地下車(chē)庫(kù)使用，效果圖如圖1所示。

圖1 建筑效果圖

圖2 剖面圖

辦公樓主體采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類(lèi)(丙類(lèi)),抗震設(shè)防烈度7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.10 g，設(shè)計(jì)地震分組為第三組,場(chǎng)地類(lèi)別Ⅲ類(lèi)，特征周期0.65 s，50年一遇基本風(fēng)壓0.70 kPa，地面粗糙度B類(lèi)，風(fēng)荷載體型系數(shù)1.40，各層按實(shí)際受風(fēng)情況，考慮雙迎風(fēng)面和雙背風(fēng)面。

該工程采用錘擊式預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁(PHC500-125-AB)基礎(chǔ)，樁基持力層為第(8)層全風(fēng)化花崗巖、第(9)層砂土狀或第(10)層碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層，單樁豎向和抗拔承載力特征值分別為2500 kN和700 kN。

2 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 主體結(jié)構(gòu)體系

辦公樓主要樓層的結(jié)構(gòu)平面布置如圖3所示。按照建筑形體的需要，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)首先要選擇頂層連廊結(jié)構(gòu)與5～10層南北塔樓是采用剛性連接還是弱連接。頂層連廊與南北塔樓采用滑動(dòng)支座等弱連接時(shí)，上部建筑形成設(shè)有底部連體裙房的雙塔結(jié)構(gòu)，此時(shí)連廊無(wú)法對(duì)南北塔樓抵抗地震、風(fēng)等水平作用提供幫助，僅作為豎向荷載加載在塔樓周邊結(jié)構(gòu)上。平面尺寸相對(duì)較小的南北塔樓，作為大底盤(pán)結(jié)構(gòu)上的兩個(gè)獨(dú)立結(jié)構(gòu)單元，獨(dú)自抵御所受外部作用，同時(shí)塔樓頂部相當(dāng)于懸臂構(gòu)件的端部，在水平作用下側(cè)移變形較為顯著，因此需要相應(yīng)增加抗側(cè)力構(gòu)件的布置；跨度26.5 m的連廊自重較大，作為集中荷載施加在塔樓周邊結(jié)構(gòu)時(shí)，塔樓平面的幾何中心與樓層質(zhì)量中心的偏離程度加大，樓層側(cè)移剛度中心與質(zhì)量中心的偏心距難以減少，豎向荷載的平面不均勻布置也削弱了結(jié)構(gòu)的抗扭轉(zhuǎn)性能，使結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力構(gòu)件布置難以做到規(guī)則對(duì)稱，構(gòu)件的受力狀態(tài)也較為復(fù)雜。

圖3 主要樓層結(jié)構(gòu)平面布置圖

主體結(jié)構(gòu)采用剛性連接方案時(shí)，為高層連體結(jié)構(gòu)，屬于超限高層建筑；采用弱連接方案時(shí)，為雙塔結(jié)構(gòu)的復(fù)雜高層建筑。通過(guò)進(jìn)一步對(duì)比計(jì)算分析，雖然經(jīng)過(guò)建筑和結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)配合調(diào)整結(jié)構(gòu)布置后，弱連接方案的雙塔結(jié)構(gòu)不屬于超限高層建筑，但該方案的結(jié)構(gòu)布置受限于前文提及的各類(lèi)不利因素，結(jié)構(gòu)性能不夠理想，與連體結(jié)構(gòu)相比，經(jīng)濟(jì)性也不突出。而剛性連接方案具有更好的結(jié)構(gòu)合理性和抵御各類(lèi)外部作用的結(jié)構(gòu)性能，因此，辦公樓最終選擇采用剛性連接方案的連體結(jié)構(gòu)。

辦公樓采用鋼筋混凝土框架一剪力墻結(jié)構(gòu)體系，主要辦公區(qū)采用8.1 m×14.8 m的大開(kāi)間框架，剪力墻基本布置在建筑物4個(gè)角部的樓梯和電梯間，結(jié)構(gòu)平面布置基本規(guī)則對(duì)稱。沿豎向結(jié)構(gòu)剛度均勻變化，剪力墻和框架柱從底層到上部截面逐漸收小，南北塔樓范圍內(nèi)各層樓板厚度120 mm，南北塔樓之間的連接體樓板厚度150 mm，屋面板厚度130 mm，柱墻混凝土強(qiáng)度等級(jí)C55～C30，梁板混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30，鋼構(gòu)件采用Q345B鋼材。各類(lèi)主要構(gòu)件截面尺寸如表1所示。

表1 主要構(gòu)件尺寸一覽表

2.2 結(jié)構(gòu)超限情況及對(duì)策

根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專(zhuān)項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》(建質(zhì)〔2015〕67 號(hào))，該連體高層辦公樓屬于超限高層結(jié)構(gòu)[1-2]。為了取得更加優(yōu)良的結(jié)構(gòu)抗震性能，設(shè)計(jì)在滿足建筑功能的基礎(chǔ)上，盡可能減少結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性。首先，豎向抗側(cè)力構(gòu)件的平面分布基本均勻?qū)ΨQ，主要利用位于建筑平面4個(gè)角部的樓梯和電梯間布置剪力墻。布置在建筑物外圍的剪力墻顯著加大了結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度。采用剛接連接方案后，結(jié)構(gòu)整體性也得到加強(qiáng)，使扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯降低，偶然偏心地震作用下的樓層扭轉(zhuǎn)位移比不大于1.20，消除了結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。其次，通過(guò)地面一～二層剪力墻、框架柱及主梁截面尺寸的合理選擇，層高約為二層以上樓層1.5倍的一層，消除了抗側(cè)剛度軟弱層和抗剪承載力薄弱層的結(jié)構(gòu)不規(guī)則。實(shí)際存在的5個(gè)不規(guī)則項(xiàng)如表2所示，均屬于建筑形體和建筑功能需要而無(wú)法避免的結(jié)構(gòu)不規(guī)則。

表2 結(jié)構(gòu)不規(guī)則類(lèi)型表

針對(duì)上述結(jié)構(gòu)不規(guī)則，采取的抗震性能設(shè)計(jì)措施主要有：①穿層柱、支撐連體桁架的豎向構(gòu)件(與上下弦桿相連的豎向構(gòu)件)和連體鋼桁架按中震彈性設(shè)計(jì)；②剪力墻底部加強(qiáng)部位高度取至五層樓面標(biāo)高處(雙塔結(jié)構(gòu)的首層樓面)；③連體部分驗(yàn)算豎向地震作用；④上部樓層按時(shí)程分析結(jié)果調(diào)整樓層剪力，以考慮鞭梢效應(yīng)；⑤單跨框架柱和支撐連體桁架的框架柱抗震等級(jí)提高為二級(jí)。

2.3 多遇地震(小震)計(jì)算分析

首先采用計(jì)算模型不同的兩個(gè)軟件盈建科及PMSAP(2010)進(jìn)行多遇地震(小震)下的計(jì)算分析，主要指標(biāo)如表3所示。

表3 多遇地震下的主要結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)對(duì)比

從盈建科及PMSAP兩種不同力學(xué)模型軟件的計(jì)算結(jié)果對(duì)比可以看出，結(jié)構(gòu)的自振周期、基底剪力和傾覆力矩、層間位移角等主要指標(biāo)基本一致，計(jì)算結(jié)果均能滿足小震下的結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)，兩者可相互驗(yàn)證，保證了結(jié)構(gòu)計(jì)算分析的可靠性。

規(guī)定水平力下辦公樓底層剪力墻承擔(dān)的地震剪力約占樓層總剪力的78.4%(X向)和81%(Y向)，可形成結(jié)構(gòu)抗震的第一道防線?？蚣艹袚?dān)的地震剪力占樓層總剪力均大于10%，可構(gòu)成結(jié)構(gòu)抗震的第二道防線。部分樓層框架承擔(dān)的地震剪力小于結(jié)構(gòu)底部總剪力的20%，取結(jié)構(gòu)底部總剪力的20%和框架部分地震剪力最大值的1.5倍二者的較小值，對(duì)該部分框架承擔(dān)的地震剪力進(jìn)行了放大，保證結(jié)構(gòu)在地震作用下，具備必要的強(qiáng)度及足夠的變形和耗能能力。

2.4 彈性時(shí)程分析

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ 3-2010[3]、《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2010[4]的要求，選取兩條天然波(Imperial Valley06_NO_185 Tg(0.66)，Chi-Chi Taiwan03_NO_2479 Tg(0.65))和一條人工波(RH4TG065)，進(jìn)行多遇地震下的彈性動(dòng)力時(shí)程分析，場(chǎng)地地面最大加速度取為35 cm/s2。計(jì)算結(jié)果表明，X、Y向各3條波中，每條地震波底部剪力均不小于CQC法結(jié)果的65%，平均底部剪力均不小于CQC法結(jié)果的80%，滿足規(guī)范對(duì)時(shí)程分析地震波的要求。各地震波下的樓層剪力、彎矩、最大位移及最大層間位移角等時(shí)程分析結(jié)果均正常，無(wú)明顯的剛度突變，對(duì)比結(jié)果如圖4所示。彈性時(shí)程計(jì)算時(shí)，部分樓層剪力包絡(luò)值稍大于CQC法計(jì)算結(jié)果，這些樓層相應(yīng)進(jìn)行了1.02～1.23倍的地震作用放大，此時(shí)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和變形也均能滿足規(guī)范的要求。

圖4 樓層剪力、彎矩、最大位移及最大層間位移角曲線

2.5 設(shè)防地震(中震)計(jì)算分析

中震下構(gòu)件承載力按彈性設(shè)計(jì)時(shí)，地震影響系數(shù)最大值取0.23，荷載分項(xiàng)系數(shù)按規(guī)范取值，材料強(qiáng)度取設(shè)計(jì)值，承載力抗震調(diào)整系數(shù)同小震下的取值，不考慮構(gòu)件抗震等級(jí)，風(fēng)荷載不參與計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明：穿層柱、支撐連體桁架的豎向構(gòu)件(與上下弦桿相連的豎向構(gòu)件)和連體鋼桁架，在設(shè)防地震下均不發(fā)生彎曲和剪切破壞，能滿足中震彈性要求，實(shí)現(xiàn)了設(shè)防地震下局部關(guān)鍵結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能目標(biāo)。

2.6 鋼連廊計(jì)算分析

南北塔樓間距32.4 m，11層～屋頂層的連廊成為連體結(jié)構(gòu)的兩個(gè)剛性連接體。連廊層高4.55 m，跨高比7.2，采用桁架結(jié)構(gòu)作為剛性連接體主要受力構(gòu)件合理，實(shí)際每道連廊的主要受力構(gòu)件為兩道鋼桁架。連廊結(jié)構(gòu)要承受自身較大的豎向重力荷載和地震作用，還要在水平地震作用下協(xié)調(diào)兩側(cè)塔樓的變形。因此，必須要保證連廊與兩側(cè)塔樓主體結(jié)構(gòu)的可靠連接。連接處的桁架端部構(gòu)件內(nèi)力較大，與桁架相連的塔樓框架邊柱需要相應(yīng)加大截面尺寸，同時(shí)連廊主要受力構(gòu)件道鋼桁架的上下弦桿，應(yīng)伸入兩側(cè)塔樓主體結(jié)構(gòu)內(nèi)至少一跨，伸入范圍內(nèi)的主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件均需要進(jìn)行加強(qiáng)。截面尺寸較大的主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件，以及為減小伸入的弦桿內(nèi)力而設(shè)置的斜桿，對(duì)建筑室內(nèi)空間的使用影響較大。

為更好實(shí)現(xiàn)建筑功能并優(yōu)化桁架布置，結(jié)合塔樓平面中局部突出的平臺(tái)，在距離塔樓2.95 m處增設(shè)落地鋼管混凝土柱，如圖5(a)所示。鋼管混凝土柱既能支承連廊重量，又降低連廊跨度至26.5 m，跨高比降至約5.8，桁架主要受力構(gòu)件截面尺寸隨之明顯減小，連廊自重明顯減輕，連廊自重主要由鋼管混凝土柱承擔(dān)也降低了對(duì)兩側(cè)塔樓承載力的要求。鋼管混凝土柱與塔樓框架邊柱形成主體結(jié)構(gòu)的框架部分，伸入兩側(cè)塔樓主體結(jié)構(gòu)內(nèi)的上下弦桿可在2.95 m跨內(nèi)布置，斜桿也在此跨內(nèi)設(shè)置，基本避免了桁架構(gòu)件對(duì)塔樓主體范圍建筑空間使用的不利影響。

(a) 十～屋頂層連廊整體結(jié)構(gòu)模型

桁架斜桿布置方向不同時(shí)將分別處于受拉或受壓的工作狀態(tài)。連廊桁架跨高比較小，鋼管柱之間的桁架端部弦桿軸力較小，斜桿軸力相對(duì)較大，且斜桿長(zhǎng)度大于弦桿和立桿，斜桿工作時(shí)處于受拉狀態(tài)，能更充分利用材料性能，實(shí)際布置如圖5(b)所示。斜桿按照工作時(shí)處于受拉狀態(tài)確定布置方向。

連體部分驗(yàn)算豎向地震作用，鋼桁架按中震彈性設(shè)計(jì)，主要受力構(gòu)件全部采用箱型截面，以增加桁架的平面外剛度。弦桿與立桿、斜桿之間均為剛接連接，各桿件依據(jù)內(nèi)力大小合理選擇規(guī)格。上弦杠、下弦桿、立桿和斜桿的最大應(yīng)力比計(jì)算結(jié)果分別為0.74、0.53、0.77和0.82。同時(shí)計(jì)算結(jié)果還表明：采用剛性連接的鋼結(jié)構(gòu)連廊具有足夠的剛度和強(qiáng)度，能有效協(xié)調(diào)兩側(cè)塔樓的側(cè)向變形，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體剛度，實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)的抗震性能目標(biāo)。

連廊作為剛性連接體協(xié)調(diào)兩側(cè)塔樓變形時(shí)，塔樓結(jié)構(gòu)剛度和動(dòng)力特性會(huì)隨之改變，連接部位的應(yīng)力狀態(tài)也會(huì)變得復(fù)雜。為實(shí)現(xiàn)連廊與塔樓的可靠連接，塔樓的鋼筋混凝土框架邊柱內(nèi)置工字鋼成為型鋼混凝土柱，并與連廊桿件剛接連接，柱內(nèi)工字鋼向下延伸一層至十層處錨固。工字鋼與桁架桿桿交接位置設(shè)置多道加勁肋板，保證桿件內(nèi)力的有效傳遞。其中斜桿為箱型截面，與型鋼混凝土柱交接處斜桿箱型截面轉(zhuǎn)換為工字型，以便與框架柱內(nèi)工字鋼連接。根據(jù)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，適當(dāng)加大工字型轉(zhuǎn)換截面的腹板厚度，桿件之間均采用對(duì)接坡口焊連接，做法如圖6所示。

圖6 斜桿箱型截面與工字型截面轉(zhuǎn)換圖

連廊樓板需要具備足夠的剛度和強(qiáng)度，才能保證剛性連接體能有效協(xié)調(diào)兩側(cè)塔樓共同工作。連廊樓板薄弱會(huì)導(dǎo)致局部樓板產(chǎn)生過(guò)大的內(nèi)力和變形，并影響連廊對(duì)塔樓的協(xié)調(diào)能力。因此，樓板應(yīng)力分析和性能化設(shè)計(jì)也是連廊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。樓板性能化設(shè)計(jì)目標(biāo)為中震彈性要求。經(jīng)計(jì)算，多遇地震及設(shè)防地震下，樓板最大拉應(yīng)力均出現(xiàn)在屋面層處，此時(shí)多遇地震作用下樓板的最大拉應(yīng)力1.885 MPa,小于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.01 MPa，即小震情況下，樓板不會(huì)開(kāi)裂。設(shè)防烈度地震作用下樓板的最大拉應(yīng)力基本上小于2.8 MPa，僅局部柱邊位置樓板應(yīng)力達(dá)到5.487 MPa(圖7)，實(shí)際配置雙層雙向Φ12@200鋼筋網(wǎng)，局部應(yīng)力較大位置附加Φ12@200鋼筋，即能滿足中震情況下彈性工作的要求。

圖7 設(shè)防地震下屋面層彈性板應(yīng)力分析結(jié)果圖：X向(上)、Y向(下)

連廊作為大跨度結(jié)構(gòu)，樓蓋舒適度評(píng)估已成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的重要適用性要求。該工程樓蓋舒適度分析時(shí)，結(jié)構(gòu)模態(tài)分析的質(zhì)量源選取：恒載+0.2活載，方向?yàn)榭紤]豎向振動(dòng)的Z方向，阻尼比0.03，計(jì)算結(jié)果表明：豎向自振頻率和樓蓋跨中(最不利位置)的振動(dòng)峰值加速度，均能滿足規(guī)范限值要求。

2.7 罕遇地震下的推覆計(jì)算

罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)部分構(gòu)件會(huì)發(fā)生屈服甚至破壞退出工作，結(jié)構(gòu)從彈性進(jìn)入彈塑性的工作狀態(tài)。隨著塑性的逐步發(fā)展，結(jié)構(gòu)剛度不斷退化，阻尼比逐漸加大，為實(shí)現(xiàn)“大震不倒”的抗震目標(biāo)，該工程采用靜力彈塑性計(jì)算方法進(jìn)行了罕遇地震下的彈塑性變形驗(yàn)算，地震影響系數(shù)最大值αmax=0.50，場(chǎng)地特征周期Tg=0.70s，分析結(jié)果如圖8～圖9所示。

圖8 靜力彈塑性工況：X向(上)、Y向(下)

圖9 性能點(diǎn)處全樓塑性鉸位置圖：X向(左)、Y向(右)

罕遇地震下的結(jié)構(gòu)層間彈塑性位移角1/174(X向)、1/216(Y向)滿足1/100規(guī)范限值的要求。從圖中可以看出，結(jié)構(gòu)達(dá)到大震性能點(diǎn)后，結(jié)構(gòu)能力曲線還有明顯的上升段，具備足夠的安全儲(chǔ)備。同時(shí)，關(guān)鍵構(gòu)件在大震下均未出現(xiàn)塑性鉸，剪力墻基本保持完好，局部墻體有輕、中度損傷，部分連梁等耗能構(gòu)件損傷較嚴(yán)重，實(shí)現(xiàn)了這部分構(gòu)件預(yù)定的耗能目標(biāo)，框架柱等無(wú)損壞，可發(fā)揮其預(yù)設(shè)的二道防線作用，結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)“大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)。

3 結(jié)論

(1)該工程屬于連體結(jié)構(gòu)超限高層建筑，針對(duì)建筑結(jié)構(gòu)存在的尺寸突變、構(gòu)件間斷、穿層柱、樓板不連續(xù)、承載力突變等多項(xiàng)不規(guī)則，通過(guò)運(yùn)用基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行三個(gè)階段的計(jì)算分析，采取相應(yīng)的抗震措施，保證了結(jié)構(gòu)滿足抗震性能目標(biāo)的要求。

(2)項(xiàng)目采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系，抗側(cè)力構(gòu)件布置基本規(guī)則對(duì)稱，頂層連廊結(jié)構(gòu)與南北塔樓采用剛性連接，可協(xié)同南北塔樓共同工作，使主體結(jié)構(gòu)具備良好的整體承載能力和變形能力。

(3)小震計(jì)算通過(guò)兩個(gè)不同力學(xué)模型軟件的分析對(duì)比，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)布置的合理性和可靠性，整體指標(biāo)控制在合理范圍內(nèi)。中震彈性設(shè)計(jì)提高了關(guān)鍵構(gòu)件安全度；大震下的彈塑性設(shè)計(jì)，分析了結(jié)構(gòu)的破壞模式、層間變形分布、結(jié)構(gòu)損傷部位和損傷程度，并有針對(duì)性地采取抗震措施，有效提高了結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。

(4)與兩側(cè)塔樓剛性連接的鋼結(jié)構(gòu)連廊，作為影響主體結(jié)構(gòu)抗震性能的關(guān)鍵部位，按照性能化設(shè)計(jì)要求，保證其具有足夠的剛度和強(qiáng)度，能有效協(xié)調(diào)兩側(cè)塔樓的側(cè)向變形，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性。同時(shí)，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和作為大跨度結(jié)構(gòu)的樓蓋舒適度要求，也是連廊設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。

該工程針對(duì)連體超限結(jié)構(gòu)采用的計(jì)算分析方法及加強(qiáng)處理措施，可供類(lèi)似高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參考。