沈陽金廊330m超高層塔樓結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

張萬開， 甄 偉， 李偉崢， 盛 平， 李承柱， 王 軼

(北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司， 北京 100045)

1 工程概況

沈陽金廊超高層寫字樓位于沈陽市沈河區(qū)青年大街和熱鬧路交角區(qū)域的東南角。塔樓總建筑面積約22萬m2，地下5層，層高3.5～4.5m；地上71層，1，2層層高5.5m，局部11m通高，標(biāo)準(zhǔn)層層高4.1m；主要功能為酒店和辦公。塔樓12，24，36，48，60層為設(shè)備層和避難層。塔樓無裙房，建筑屋檐高度330.0m，結(jié)構(gòu)高度300m。塔樓建筑效果圖如圖1所示。

圖1 塔樓建筑效果圖

2 結(jié)構(gòu)體系

塔樓設(shè)防烈度7度，設(shè)計(jì)地震分組第一組，場地類別Ⅱ類，采用鋼骨混凝土框架-鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)體系，外框柱采用鋼骨混凝土柱，個(gè)別位置為方便構(gòu)件連接采用鋼管混凝土柱，樓面結(jié)構(gòu)體系采用鋼梁+組合樓板形式，鋼框架梁與外框柱剛接、與內(nèi)筒墻體鉸接，在設(shè)備層設(shè)置了結(jié)構(gòu)加強(qiáng)層，加強(qiáng)構(gòu)件采用伸臂桁架和腰桁架。

2.1 結(jié)構(gòu)加強(qiáng)層方案比選

在結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)階段，對塔樓結(jié)構(gòu)加強(qiáng)層設(shè)置方案進(jìn)行了調(diào)研和比較[1-2]，對加強(qiáng)層設(shè)置數(shù)量、加強(qiáng)層伸臂桁架的不同組合方式進(jìn)行了試算比較，考察了結(jié)構(gòu)基本動(dòng)力特性和結(jié)構(gòu)最大層間位移角，結(jié)果如表1～3所示，表中1，2，3，4，5代表自下而上5個(gè)避難層，伸臂桁架2+4代表在第2，4避難層設(shè)置伸臂桁架，其余類推。

表1 伸臂桁架設(shè)置方案一對比

伸臂桁架設(shè)置方案二對比 表2

由表1～3可知：1)伸臂桁架對剪重比的影響較??；2)伸臂桁架對結(jié)構(gòu)剛度的影響比較明顯，對相應(yīng)方向的層間位移角和剛重比改善作用較為顯著；3)結(jié)構(gòu)剛度的變化對最小剪重比影響較小，表明通過增大結(jié)構(gòu)剛度來提高最小剪重比的方法不可行；4)沿結(jié)構(gòu)高度中上部設(shè)置伸臂桁架對提高結(jié)構(gòu)剛度的效果較為明顯。

伸臂桁架設(shè)置方案三對比 表3

超限審查中，專家建議對于300m高度左右的超高層結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)基本周期宜控制在6.5s左右，避免結(jié)構(gòu)剛度過小導(dǎo)致地震力偏小。結(jié)合超限審查專家意見，在第2避難層(24層)設(shè)置四道伸臂桁架，第4避難層(48層)設(shè)置二道伸臂桁架和封閉的腰桁架(圖2)。

圖2 結(jié)構(gòu)加強(qiáng)層設(shè)置示意

2.2 結(jié)構(gòu)布置

塔樓結(jié)構(gòu)采用鋼骨混凝土框架-鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置如圖3所示。外框柱采用矩形鋼骨混凝土柱，低區(qū)三角形凸出部位為便于鋼梁連接，采用鋼管混凝土柱，框架柱鋼材和混凝土強(qiáng)度等級分別采用Q355和C60，加強(qiáng)層與伸臂桁架相連的框架柱鋼骨采用Q420GJ；外框樓面梁采用H型鋼梁，鋼材采用Q355；伸臂桁架上下弦鋼材采用Q420GJ；樓板采用鋼筋桁架樓承板，中筒為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。鋼筋混凝土核心筒平面為長方形，底部核心筒尺寸約為49.4m×19.2m，核心筒保持外形不變延伸至48層，49層及以上樓層由于建筑功能布局變化，核心筒南北兩側(cè)各收進(jìn)一跨，之后保持外形不變，向上延伸至主要屋面。外框柱截面尺寸自下而上由1 700×1 700逐漸收縮至1 100×1 100，剪力墻厚度自下而上由1 400mm逐漸收縮至700mm，標(biāo)準(zhǔn)層徑向框架梁截面為H700×400×16×30，外框梁截面為H900×400×20×40。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

本工程塔樓屬于超限高層建筑，通過了超限高層建筑抗震設(shè)防專項(xiàng)審查。采用SATWE，ETABS兩種計(jì)算軟件進(jìn)行整體計(jì)算分析，采用PKPM-SAUSAGE軟件進(jìn)行整體動(dòng)力彈塑性分析。

3.1 彈性分析結(jié)果

兩種軟件反應(yīng)譜分析主要結(jié)果對比如表4所示，層間位移角分布如圖4所示?？梢姡瑑煞N計(jì)算軟件的主要計(jì)算結(jié)果基本一致，表明計(jì)算模型準(zhǔn)確有效。

反應(yīng)譜方法計(jì)算的周期、基底剪力和位移 表4

圖4 地震和風(fēng)荷載作用下層間位移角曲線

根據(jù)本工程所處場地條件，選取了7組地震波(5組天然波、2組人工波)進(jìn)行小震彈性時(shí)程分析。小震彈性時(shí)程分析的主要結(jié)果如圖5～7所示。施工圖設(shè)計(jì)中，小震彈性時(shí)程分析結(jié)果大于反應(yīng)譜法(CQC法)計(jì)算結(jié)果的樓層，按彈性時(shí)程分析結(jié)果與反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的比值對樓層地震剪力進(jìn)行放大。

圖5 小震彈性時(shí)程分析的層間位移角曲線

圖6 小震彈性時(shí)程分析的樓層剪力曲線

3.2 最小剪重比分析及設(shè)計(jì)措施

本項(xiàng)目塔樓自振周期約6.6s，基底剪重比X向?yàn)?.98%，Y向?yàn)?.01%，均不滿足最小剪重比1.20%的要求。方案設(shè)計(jì)階段結(jié)構(gòu)加強(qiáng)層設(shè)置方案比較結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)剛度的變化對基底剪重比影響較小(詳見2.1節(jié))。文獻(xiàn)[3-4]研究表明，超高層建筑結(jié)構(gòu)的自振周期較長(一般均>6s)，其最小剪重比對結(jié)構(gòu)剛度變化不敏感，通過提高結(jié)構(gòu)剛度以滿足最小剪重比要求，效率很低甚至無法實(shí)現(xiàn)。因此通過提高結(jié)構(gòu)剛度以滿足最小剪重比要求的方案不可行。在施工圖設(shè)計(jì)中，針對最小剪重比要求不滿足的情況，采取了以下措施：

圖7 小震彈性時(shí)程分析與反應(yīng)譜法的樓層剪力比值

(1)根據(jù)住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部頒布的《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》(建質(zhì)〔2015〕67號)規(guī)定“基本周期大于6s的結(jié)構(gòu)，計(jì)算的底部剪力系數(shù)比規(guī)定值低20%以內(nèi)，基本周期3.5～5s的結(jié)構(gòu)底部剪力系數(shù)比規(guī)定值低15%以內(nèi)，即可采用規(guī)范關(guān)于剪力系數(shù)最小值的規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)”，本項(xiàng)目塔樓基本周期大于6s，且計(jì)算基底剪重比與規(guī)定值的差值百分比在20%以內(nèi)，按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)(2016年版)[5]的規(guī)定，對全樓各樓層地震剪力按相同增大系數(shù)進(jìn)行放大，放大系數(shù)取最小剪重比與基底剪重比之比值。

圖8 調(diào)整后的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜對比

3.3 動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析

采用PKPM-SAUSAGE軟件進(jìn)行塔樓動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析，選取了2組天然地震波和1組人工波作為地震動(dòng)輸入。采用雙向地震輸入，主、次方向峰值加速度比值為1∶0.85，主方向峰值加速度為220gal，分別沿X軸、Y軸輸入。結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)如表5所示。可見，結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移不發(fā)散，滿足“大震不倒”要求，最大彈塑性層間位移角小于1/100，滿足規(guī)范要求。

大震彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析的結(jié)構(gòu)位移 表5

對比了塔樓大震彈塑性與彈性時(shí)程分析的結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移時(shí)程曲線、基底剪力時(shí)程曲線，分別如圖9、圖10所示。

由圖9、圖10可知，地震作用初期，結(jié)構(gòu)未發(fā)生損傷，處于彈性狀態(tài)，結(jié)構(gòu)大震彈塑性與彈性時(shí)程分析的結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移和基底剪力時(shí)程曲線基本重合。隨地震作用持續(xù)進(jìn)行，輸入能量加大，結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)損傷，耗能構(gòu)件屈服，結(jié)構(gòu)整體剛度退化，周期變長。大震彈塑性時(shí)程分析的結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移與基底剪力逐漸小于大震彈性時(shí)程分析的結(jié)果。

圖9 大震彈塑性與彈性時(shí)程分析的結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移時(shí)程曲線對比

圖10 大震彈塑性與彈性時(shí)程分析的結(jié)構(gòu)基底剪力時(shí)程曲線對比

抗震性能化設(shè)計(jì)中，對于底部加強(qiáng)區(qū)主要墻肢和收進(jìn)部位及其上下各一層范圍的核心筒的主要墻肢，其性能目標(biāo)為“大震滿足抗剪截面控制條件，控制混凝土壓應(yīng)變和鋼筋拉應(yīng)變在極限應(yīng)變內(nèi)”，其他墻肢的性能目標(biāo)為“滿足抗剪截面條件”。經(jīng)計(jì)算，塔樓核心筒剪力墻和外框柱在大震作用下的性能水平如圖11、圖12所示。結(jié)果表明，大震作用下剪力墻墻肢大部分處于彈性或輕度損壞狀態(tài)，墻肢均可滿足抗剪截面控制條件。核心筒連梁大部分發(fā)生破壞，充分發(fā)揮了耗能作用；外框柱中低區(qū)基本處于彈性狀態(tài)，中高區(qū)出現(xiàn)輕微損壞。主要豎向構(gòu)件均可滿足預(yù)設(shè)的性能目標(biāo)。

圖11 剪力墻性能水平

圖12 外框柱性能水平

4 關(guān)鍵構(gòu)件設(shè)計(jì)

4.1 加強(qiáng)層伸臂桁架設(shè)計(jì)

塔樓在第2避難層和第4避難層設(shè)置了伸臂桁架加強(qiáng)?；谟邢迍偠仍O(shè)計(jì)理念，加強(qiáng)層伸臂桁架的剛度不宜過大，如伸臂桁架腹桿采用普通支撐，為滿足支撐穩(wěn)定應(yīng)力要求，其截面需求較大，會(huì)造成加強(qiáng)層剛度突變，于結(jié)構(gòu)體系不利，因此工程實(shí)踐中超高層建筑伸臂桁架腹桿常選用屈曲約束(BRB)構(gòu)件[6-8]，一方面BRB構(gòu)件可以實(shí)現(xiàn)適宜的剛度需求，另一方面BRB構(gòu)件在大震下可以屈服耗能，保護(hù)主體結(jié)構(gòu)。基于以上考慮，本工程伸臂桁架腹桿采用BRB構(gòu)件。計(jì)算表明，BRB構(gòu)件噸位由剛度控制，最終確定的BRB構(gòu)件噸位為1 350～1 700t不等。伸臂桁架腹桿設(shè)置BRB構(gòu)件后，結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度滿足位移需求，同時(shí)加強(qiáng)層無剛度突變，在大震下BRB構(gòu)件能實(shí)現(xiàn)滯回耗能，取得了良好的效果，結(jié)構(gòu)能量分布如圖13所示，典型BRB構(gòu)件滯回耗能曲線如圖14所示。

圖13 結(jié)構(gòu)能量分布圖

圖14 典型BRB構(gòu)件滯回耗能曲線

為便于伸臂桁架與剪力墻連接，在墻肢端部設(shè)置鋼骨，從加強(qiáng)層向上向下各延伸1層。為便于施工，伸臂桁架上下弦在核心筒剪力墻內(nèi)貫通，伸臂桁架腹桿不進(jìn)入剪力墻。為保證水平力的可靠傳遞，剪力墻內(nèi)貫通的上下弦均設(shè)置栓釘，同時(shí)在伸臂桁架腹桿與剪力墻連接的墻肢端部設(shè)置豎向鋼板，鋼板分兩段，每段1.5m寬，厚度分別為60mm和30mm，鋼板雙面設(shè)置200mm×200mm間距的栓釘。伸臂桁架立面構(gòu)造如圖15所示。

圖15 伸臂桁架立面構(gòu)造示意

4.2 中筒剪力墻收進(jìn)部位加強(qiáng)措施

由于建筑功能布局需要，塔樓49層及以上樓層核心筒南北兩側(cè)各收進(jìn)一跨，之后保持外形不變，向上延伸至主要屋面，如圖16所示。

圖16 中筒剪力墻在高區(qū)收進(jìn)示意

中筒剪力墻收進(jìn)部位為結(jié)構(gòu)受力薄弱部位，在地震作用下，收進(jìn)部位的墻肢容易出現(xiàn)損傷，需要針對收進(jìn)部位采取針對性的加強(qiáng)措施[9-10]。為了減緩中筒剪力墻收進(jìn)部位的突變程度，避免該部位在大震下?lián)p傷嚴(yán)重，結(jié)合建筑功能布局，在設(shè)計(jì)中采取了如下措施：

1)X向墻肢直接收進(jìn)為鋼骨柱，鋼骨柱下插1層；2)Y向墻肢在49層以下若干層逐層收進(jìn)以減緩收進(jìn)部位的剛度和承載力突變；3)加強(qiáng)收進(jìn)樓層及上下層的墻肢配筋，提高這些部位墻肢構(gòu)件的性能目標(biāo)，按照同底部加強(qiáng)區(qū)構(gòu)件相同性能目標(biāo)(中震彈性)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

按照上述措施進(jìn)行加強(qiáng)后，大震動(dòng)力彈塑性分析結(jié)果表明，收進(jìn)樓層及其上下1層范圍的大部分墻肢處于彈性或者輕微損壞的狀態(tài)，該部位墻肢的損傷可控，滿足預(yù)設(shè)的性能目標(biāo)。

5 結(jié)語

(1)沈陽金廊塔樓為超限超高層建筑，采用鋼骨混凝土框架-鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)方案，在第2避難層設(shè)置四道伸臂桁架，第4避難層設(shè)置二道伸臂桁架和封閉的腰桁架，并對結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，滿足規(guī)范的控制指標(biāo)和預(yù)設(shè)的性能目標(biāo)要求，具有良好的抗震性能。

(2)加強(qiáng)層設(shè)置方案比選結(jié)果表明，伸臂桁架對塔樓結(jié)構(gòu)剛度的影響比較明顯，對塔樓弱軸方向的層間位移角和剛重比改善作用較為顯著，但對剪重比的影響較??；沿結(jié)構(gòu)高度中上部設(shè)置伸臂桁架對提高結(jié)構(gòu)剛度的效果較為明顯。

(3)項(xiàng)目塔樓最小剪重比不滿足規(guī)范要求，根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》(建質(zhì)〔2015〕67號)規(guī)定，對全樓樓層地震力采用相同的放大系數(shù)進(jìn)行放大，同時(shí)參考相關(guān)文獻(xiàn)，對規(guī)范反應(yīng)譜進(jìn)行調(diào)整(即將規(guī)范反應(yīng)譜下降段5s后拉平)作為設(shè)計(jì)反應(yīng)譜，進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全度。

(4)基于有限剛度設(shè)計(jì)理念，加強(qiáng)層伸臂桁架腹桿采用屈曲約束支撐，桁架弦桿在中筒剪力墻貫通，伸臂桁架腹桿不伸入剪力墻，同時(shí)設(shè)置豎向鋼板和栓釘，加強(qiáng)伸臂桁架與中筒剪力墻的連系，保證水平力可靠傳遞。

(5)對中筒剪力墻收進(jìn)部位采取逐層收進(jìn)的方式減緩?fù)蛔兂潭?，同時(shí)提高收進(jìn)部位性能目標(biāo)，設(shè)置鋼骨柱并從收進(jìn)部位下延1層，從而實(shí)現(xiàn)該部位損傷可控的性能目標(biāo)。