首航國(guó)際大廈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探析

王 康

(廈門合立道工程設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司 福建廈門 361009)

0 引言

復(fù)雜超高層建筑，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度及類型各有不同，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要做出系統(tǒng)、全面分析。采用合適的計(jì)算軟件及方法，模擬整體結(jié)構(gòu)在各種作用及荷載下的真實(shí)受力情況及反應(yīng)特征，找到薄弱部位，對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行判斷、對(duì)比、研究，根據(jù)重要性程度及破壞程度對(duì)關(guān)鍵及薄弱部位進(jìn)行重點(diǎn)加強(qiáng)。

對(duì)復(fù)雜建筑在施工過程中存在的重點(diǎn)及難點(diǎn)進(jìn)行預(yù)判，當(dāng)施工方案對(duì)主體結(jié)構(gòu)相互關(guān)聯(lián)時(shí)，應(yīng)密切關(guān)注并提出相應(yīng)的控制建議。

1 工程概況

本項(xiàng)目位于廈門市觀音山商務(wù)運(yùn)營(yíng)中心環(huán)島干道東側(cè)。項(xiàng)目總用地面積5048.681 m2，總建筑面積46 675.43 m2，地上總建筑面積31 560.63 m2。地下4層，建筑面積15 114.80 m2。地上塔樓26層，建筑主屋面高度165.570 m，建筑女兒墻(幕墻)頂高度179.570 m。上部建筑標(biāo)準(zhǔn)層層高5.0 m，底部1層及2層層高分別18.0 m及14.0 m，頂層層高為12.0 m。建筑效果及剖面圖如圖1～圖2所示。

圖1 3D效果 圖2 建筑立面、剖面圖

本工程抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類[1]，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限50年。所在地區(qū)的抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.15 g，設(shè)計(jì)地震分組第三組，場(chǎng)地類別為Ⅱ類。

阻尼比按材料占比由軟件自動(dòng)統(tǒng)計(jì)，其中，鋼材4%，鋼筋混凝土5%，框架及核心筒抗震等級(jí)均為一級(jí)。

2 設(shè)計(jì)重點(diǎn)及難點(diǎn)

鑒于項(xiàng)目自身特性，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重點(diǎn)及難點(diǎn)如下：

(1)基底之下持力層揭露為中(微)風(fēng)化花

崗巖層，項(xiàng)目采用筏板基礎(chǔ)，塔樓與裙房之間是否存在變形差異產(chǎn)生的附加應(yīng)力；如何合理確定超高層筏板的厚度。

(2)如何進(jìn)行合理的抗震性能化設(shè)計(jì)。

(3)如何通過模擬分析找到結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷部位及損傷情況，并進(jìn)行針對(duì)性的加強(qiáng)。

(4)對(duì)于大跨度部位，如何通過計(jì)算模擬，分析人員正常使用時(shí)的舒適性能。

(5)對(duì)于高位大懸挑結(jié)構(gòu)，在施工安裝階段的設(shè)計(jì)控制要點(diǎn)。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)體系

主體建筑結(jié)構(gòu)采用框架-核心筒體系，框架柱內(nèi)設(shè)置十字鋼骨，2層、3層設(shè)有大跨度空間(跨度為23.3 m～27.2 m)，大懸挑部位為3層屋面外側(cè)(11.850 m～18.950 m)、6層(12.050 m)、24層(18.550 m)。樓層結(jié)構(gòu)布置簡(jiǎn)圖列舉如圖3～圖5所示。

圖3 結(jié)構(gòu)3D模型 圖5 24層結(jié)構(gòu)布置圖

-1F與1F側(cè)向剛度比大于2.0，依據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[2]第5.3.7條相關(guān)規(guī)定，上部結(jié)構(gòu)嵌固端取在頂板標(biāo)高。

3.2 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

本工程基底以下揭露為中(微)風(fēng)化花崗巖層，天然地基承載力特征值3000 kPa～4500 kPa。基礎(chǔ)形式采用筏板基礎(chǔ)+抗拔錨桿，其中塔樓范圍筏板厚度3.0 m，其余部位筏板厚度1.0 m，局部沖剪不足處設(shè)置下柱墩。

基礎(chǔ)計(jì)算采用PKPM系列軟件JCCAD有限元分析模塊，筏板混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40。塔樓筏板厚度由內(nèi)部核心筒沖切承載力及外圍框架柱部位的沖切、剪切承載力控制，厚度取3.0 m，基礎(chǔ)埋置深度為20.1 m，大于11.1 m(H/15)，滿足要求。

基礎(chǔ)中(微)風(fēng)化巖層為較硬～堅(jiān)硬巖石，參照J(rèn)CCAD使用手冊(cè)附錄“基床反力系數(shù)K的推薦值”，基床反力系數(shù)范圍取6×105kN/m3～15×106kN/m3，本工程巖層基床反力系數(shù)趨于高值。分別取該范圍高低邊界參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，塔樓筏板基底反力及變形分析結(jié)果，如圖6～圖7所示。

K=6×105 (Max:1420 kPa) K=15×106 (Max:3090 kPa)

K=6×105 (Max:2.36mm) K=15×106 (Max:0.26mm)

兩種極限狀態(tài)下，塔樓范圍基底反力均滿足承載力需求，沉降變形均較小?；诖朔治鼋Y(jié)果，可得出塔樓與裙樓筏板基礎(chǔ)基本無沉降差異的結(jié)論，可不考慮由此產(chǎn)生的附加應(yīng)力。但構(gòu)造上，應(yīng)在塔樓較厚筏板與裙樓較薄筏板間，設(shè)置溫度后澆帶，并于交界部位薄板上設(shè)置加腋。

塔樓筏板厚度3.0 m，內(nèi)筒沖切安全系數(shù)約為4.0，剪切安全系數(shù)約為2.5，外圍框架柱沖切安全系數(shù)最小值約為1.1，剪切安全系數(shù)約為2.0。在塔樓筏板內(nèi)沿著框架柱設(shè)置整圈閉合暗梁，截面2000×3000，將外圍框架柱連接起來，同時(shí)在暗梁內(nèi)按計(jì)算配置抗彎及抗剪鋼筋，優(yōu)化柱底內(nèi)力的傳力途徑，盡量將外圈框架柱由點(diǎn)式傳力向線式傳力方式轉(zhuǎn)換，提高外圍框架柱部位的沖剪安全富余度。

3.3 抗震性能設(shè)計(jì)

依據(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)》[3]《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]及《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[2]，結(jié)合項(xiàng)目平立面特點(diǎn)及計(jì)算分析結(jié)果，本項(xiàng)目超限情況如表1所示。

為確保建筑結(jié)構(gòu)的安全、經(jīng)濟(jì)、適用，超限高層建筑除了按照現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行常規(guī)設(shè)計(jì)之外，另依據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[2]第3.11章節(jié)及《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]附錄M，采用基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法，制定性能目標(biāo)為C級(jí)，本項(xiàng)目抗震性能目標(biāo)設(shè)定如表2所示。

對(duì)于超限單體，針對(duì)具體構(gòu)件設(shè)定性能目標(biāo)的量化指標(biāo)，如表3所示。

表1 超限情況

表2 抗震性能目標(biāo)(C級(jí))

表3 塔樓性能設(shè)計(jì)量化指標(biāo)

3.4 針對(duì)超限情況，結(jié)合分析數(shù)據(jù)，提出進(jìn)一步加強(qiáng)措施

(1)性能目標(biāo)：底部加強(qiáng)部位豎向結(jié)構(gòu)構(gòu)件、 穿層柱及支撐大跨度(大懸挑)桁架的框架柱正截面承載力按中震不屈服、斜截面承載力按中震彈性復(fù)核；豎向結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)滿足大震作用下的受剪截面控制條件。

(2)中震和按1.0恒±1.0風(fēng)組合計(jì)算出現(xiàn)拉應(yīng)力的混凝土豎向結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)采用特一級(jí)構(gòu)造。中震時(shí)雙向水平地震作用下，及按1.0恒±1.0風(fēng)組合計(jì)算的混凝土豎向結(jié)構(gòu)構(gòu)件全截面，由軸向力產(chǎn)生的平均名義拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，應(yīng)設(shè)置型鋼承擔(dān)拉力，型鋼采用Q345B且其拉應(yīng)力不應(yīng)大于200 MPa。

(3)支撐桁架的剪力墻端部應(yīng)加設(shè)型鋼，①軸 “L”型剪力墻端部應(yīng)設(shè)置型鋼。

(4)開大洞的樓板應(yīng)進(jìn)行有限元應(yīng)力分析及采取加強(qiáng)措施，按多遇地震作用下樓板的拉應(yīng)力不大于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值、中震作用下樓板鋼筋的拉應(yīng)力不大于鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值進(jìn)行復(fù)核。

(5)應(yīng)采取措施避免桁架下弦水平力對(duì)框架柱產(chǎn)生不利影響。

(6)外挑桁架應(yīng)考慮向上風(fēng)荷載不利作用，并采用時(shí)程法復(fù)核豎向地震作用。

(7)桁架應(yīng)采取措施，保證下弦的平面外穩(wěn)定。多遇地震作用下主要構(gòu)件應(yīng)力比宜不大于0.7。

4 罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析

對(duì)于復(fù)雜程度較高的建筑，需觀察在罕遇地震下的結(jié)構(gòu)宏觀變形程度，以及構(gòu)件應(yīng)力和損傷情況，找到并分析受力復(fù)雜或關(guān)鍵部位構(gòu)件的受力特征，進(jìn)一步采取必要的加強(qiáng)措施。本項(xiàng)目使用廣州建研數(shù)力建筑科技有限公司開發(fā)的新一代“GPU+CPU”高性能結(jié)構(gòu)動(dòng)力彈塑性計(jì)算軟件PKPM-SAUSAGE(PKPM Seismic Analysis Usage)[5]，采用基于顯式積分的動(dòng)力彈塑性分析方法，準(zhǔn)確模擬梁、柱、支撐、剪力墻(混凝土剪力墻和帶鋼板剪力墻)和樓板等結(jié)構(gòu)構(gòu)件的非線性性能，實(shí)現(xiàn)既定目標(biāo)。

本工程大震彈塑性分析選用與多遇地震分析一致的五組天然波和兩組人工波，地震波形舉例示意,如圖8所示。

(a)USA00114(天然波) (b)人工波1

4.1 基分析本結(jié)果

各組地震波均按地震主方向?yàn)閄向和Y向分別計(jì)算，主體結(jié)構(gòu)在各組地震波作用下的最大彈塑性層間位移角：X向?yàn)?/141(28層)，Y向?yàn)?/129(6層)，均小于1/100的規(guī)范限值要求，具體分析結(jié)果在此不做詳細(xì)介紹。

4.2 結(jié)構(gòu)損傷情況

通過分析對(duì)比并進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，在七組地震波中，人工波1的Y主方向下的結(jié)構(gòu)損傷程度相對(duì)較大(其他條規(guī)律基本一致且數(shù)值差距不大)，在此不做詳細(xì)介紹，僅列舉代表性分析結(jié)果，如圖9～圖10所示。

圖9 柱、墻損傷舉例示意

圖10 梁、板損傷舉例示意

4.3 罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析結(jié)論

(1)在各組地震波作用下，主體結(jié)構(gòu)的最大彈塑性層間位移角小于1/100的規(guī)范限值。

(2)框架柱出現(xiàn)少數(shù)混凝土中度受壓損傷，混凝土框架梁的梁端也出現(xiàn)混凝土中度受壓損傷。但其鋼筋塑性應(yīng)變很小，整體框架的抗震性能良好。

(3)剪力墻的損傷主要集中在連梁，充分發(fā)揮了耗能作用，剪力墻邊緣構(gòu)件鋼筋塑性應(yīng)變很小，結(jié)構(gòu)整體性較好。

(4)在24層大懸挑伸臂桁架的下弦懸挑鋼梁與剪力墻連接處，剪力墻出現(xiàn)嚴(yán)重受壓損傷，施工圖設(shè)計(jì)針對(duì)性增設(shè)鋼骨等有效措施進(jìn)行加強(qiáng)。

(5)在洞口周邊及桁架連接部位，樓板混凝土出現(xiàn)中度～嚴(yán)重受壓損傷，設(shè)計(jì)時(shí)，在相應(yīng)位置樓板內(nèi)設(shè)置雙層雙向鋼筋網(wǎng)片，及提高配筋率進(jìn)行加強(qiáng)。

5 大跨度結(jié)構(gòu)舒適度分析

對(duì)于大跨度或大懸挑結(jié)構(gòu)，為了使用結(jié)構(gòu)滿足使用階段的舒適度要求，需控制正常使用下的樓板舒適度。分別對(duì)3層大跨度屋面樓蓋(含外挑段)、第6層、24層的懸挑樓蓋進(jìn)行樓板舒適度分析。本次分析軟件采用Midas Gen和SAP2000兩款軟件，并將兩個(gè)軟件的分析結(jié)果做分析比較。依據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[2]第3.7.7條及附錄A選取計(jì)算參數(shù)，根據(jù)表A.0.2及說明，屋面及懸挑結(jié)構(gòu)一般無家具及墻充墻布置，結(jié)構(gòu)阻尼比取0.02；步行荷載如圖11所示。

步行一步(Baumann)(G=0.588399 fs=2 Hz)圖11 人行荷載函數(shù)

本文取第24層大懸挑樓蓋計(jì)算模型進(jìn)行分析，如圖12所示。

(a)Midas模型 (b)Sap2000模型圖12 第24層大懸挑屋蓋計(jì)算模型

根據(jù)兩款軟件的分析功能，均選取NEWMARK時(shí)程積分方法(δ=0.5,α=0.25)，計(jì)算樓蓋的自振周期，分析樓蓋振型特點(diǎn)，選取合理數(shù)量的分析點(diǎn)，利用sap 2000的穩(wěn)態(tài)分析功能，找出不利點(diǎn)進(jìn)行深入分析。根據(jù)穩(wěn)態(tài)分析結(jié)果，確定步行一步荷載和連續(xù)步行荷載的步頻。不利點(diǎn)分布位置及數(shù)量如圖13所示。

24F(12個(gè)點(diǎn))圖13 樓蓋穩(wěn)態(tài)分析選點(diǎn)示意圖

兩種軟件分析得到樓蓋豎向振動(dòng)頻率，如表4所示。樓蓋豎向振動(dòng)頻率均大于3.0 Hz，依據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[1]第3.7.7條條文說明，可滿足規(guī)范規(guī)定。

表4 樓蓋豎向振動(dòng)頻率分析結(jié)果

根據(jù)分析結(jié)果，連續(xù)步行荷載工況下，豎向振動(dòng)加速度峰值較單人步行工況大得多，位于懸挑末端局部點(diǎn)位的加速度峰值較大，即在多人連續(xù)走過時(shí)，會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，接近但未超過規(guī)范限值，樓蓋最大豎向振動(dòng)加速度分析結(jié)果如表5所示。

表5 樓蓋豎向振動(dòng)加速度峰值分析結(jié)果

依此分析結(jié)果指導(dǎo)建議：建筑設(shè)計(jì)時(shí)，在懸挑末端布置輕質(zhì)觀賞性綠植，避免在相關(guān)部位形成連續(xù)行走人群的工況，進(jìn)一步提升人員使用的舒適度體驗(yàn)。

6 高位大懸挑結(jié)構(gòu)施工安裝階段設(shè)計(jì)控制要點(diǎn)

本工程在3F、6F、24F分別設(shè)置有外挑平臺(tái)，結(jié)構(gòu)型式采用鋼桁架，3F、6F處于低區(qū)，施工無特殊難點(diǎn)。

24F外挑平臺(tái)位于標(biāo)高143.4處，外挑跨度18.55 m，結(jié)構(gòu)平面布置如圖14所示；鋼結(jié)構(gòu)桁架立面簡(jiǎn)列如圖15所示。

(a)鋼桁架上弦結(jié)構(gòu)布置圖 (b)鋼桁架下弦結(jié)構(gòu)布置圖

圖15 24F外挑平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)中間主桁架立面

該外挑平臺(tái)施工難度較大，現(xiàn)結(jié)合施工安裝措施，針對(duì)24F外挑鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)，提出以下設(shè)計(jì)相關(guān)控制要點(diǎn)。

(1)外挑鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)參考“大型懸挑鋼結(jié)構(gòu)無支撐施工技術(shù)”[6]，采用“自延展”施工安裝方案，由與主體連接的桁架下弦桿做為第一根安裝桿件，設(shè)置水平桿件與之形成穩(wěn)定體系“三角架”作為臨時(shí)支撐，在每個(gè)施工階段的端部設(shè)置由上部主體斜拉下來的“導(dǎo)鏈”(鋼索)，提供豎向穩(wěn)定拉力并限制豎向位移，將外挑結(jié)構(gòu)合理分解為單個(gè)構(gòu)件或小組合構(gòu)件，利用附著于主體結(jié)構(gòu)的塔吊系統(tǒng)，依次逐漸組裝與之相連的上弦及臨近桿件，直至整個(gè)外挑結(jié)構(gòu)完成，如圖16所示。

(2)應(yīng)用有限元軟件，分析每個(gè)安裝節(jié)端部的設(shè)計(jì)容許撓度及施工起拱數(shù)據(jù)，利用施工校準(zhǔn)措施，控制安裝精度。

(3)項(xiàng)目地面施工作業(yè)面很小，考慮建筑主屋面做為構(gòu)件拼裝平臺(tái)，設(shè)計(jì)結(jié)合施工荷載需求，對(duì)屋面構(gòu)件進(jìn)行施工荷載復(fù)核。

(4)該平臺(tái)在建筑主屋面施工完畢后開始安裝，主屋面以上構(gòu)件待平臺(tái)組裝完畢后建造，與平臺(tái)連接的4顆框架柱在平臺(tái)上部樓層部位，對(duì)導(dǎo)鏈安裝部位進(jìn)行施工荷載復(fù)核。

7 結(jié)語

(1)超高層框架-核心筒建筑采用筏板基礎(chǔ)時(shí)，通過對(duì)內(nèi)筒及外圍框架柱部位的沖切、剪切驗(yàn)算，確定筏板的合理厚度；當(dāng)上部建筑荷載相差較大時(shí)，應(yīng)驗(yàn)算、分析筏板基礎(chǔ)沉降變形及變形差，解決筏板因變形差異產(chǎn)生的附加應(yīng)力。

(2)設(shè)定合理的抗震性能目標(biāo)及具體量化指標(biāo)，針對(duì)超限情況提出具體的加強(qiáng)措施，確保復(fù)雜結(jié)構(gòu)小震不壞、中震可修、大震不倒的抗震設(shè)防目標(biāo)。

(3)運(yùn)用動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析手段，分析結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的宏觀變形程度及構(gòu)件應(yīng)力和損傷情況，找到受力復(fù)雜及關(guān)鍵部位，采取必要的加強(qiáng)措施。

(4)對(duì)大跨度及大懸挑結(jié)構(gòu)，運(yùn)用舒適度分析手段，對(duì)使用階段的舒適性進(jìn)行驗(yàn)算，并提出進(jìn)一步改善、提升人員使用舒適體驗(yàn)感的設(shè)計(jì)建議。

(5)對(duì)于高位大懸挑結(jié)構(gòu)，提出施工安裝及設(shè)計(jì)的控制要點(diǎn)，結(jié)合施工安裝需求，對(duì)相關(guān)部位的結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行施工荷載驗(yàn)算，保證施工階段的安全性及可操作性。