佛山某大底盤雙塔結(jié)構(gòu)設計

丁鋼成，古寶鋮

（佛山市嶺南建筑設計咨詢有限公司 廣東 佛山 528200）

1 項目概況

某大底盤雙塔項目位于佛山市南海區(qū)平洲南港大街，包括1 座塔樓45 層、2 座塔樓44 層、商業(yè)裙房4 層和地下室2 層，地上建筑功能主要為產(chǎn)業(yè)用房及相關配套，地下建筑功能為車庫和機房［1］。地上建筑面積146 829 m2，1 座和2 座均采用剪力墻結(jié)構(gòu)體系，房屋高度為190.5 m，如圖1所示。本文主要介紹大底盤雙塔的結(jié)構(gòu)設計方法。

本項目結(jié)構(gòu)設計使用年限50年，結(jié)構(gòu)安全等級為一級，抗震設防烈度為7 度。由于塔樓經(jīng)常使用人數(shù)超過8 000 人，按乙類的要求進行抗震設防，即地震作用按7度、抗震措施按8度確定［2］。

2 結(jié)構(gòu)體系

如圖2 所示，根據(jù)項目所在地的抗震設防烈度和基本風壓、建筑高度、主要用途等因素，兩棟塔樓采用鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，為了配合底部樓層的建筑功能要求，在2層和3層進行局部框支剪力墻轉(zhuǎn)換，由于框支剪力墻的面積占剪力墻總面積的比例不大于10%，根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：廣東省標準DBJ 15-92—2013》［3］第11.2.1 條及條文說明，可不劃為帶轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)。塔樓建筑平面尺寸約為30.1 m×53.8 m，高寬比約為6。裙樓采用框架結(jié)構(gòu)，在5層（裙樓頂層）部分框架梁跨度達25.2 m。為避免影響建筑的使用及削弱結(jié)構(gòu)的整體性，5層裙房與塔樓之間不設結(jié)構(gòu)縫，通過設置后澆帶、由中心向兩側(cè)澆筑混凝土、裙房及地下室的板筋雙層雙向拉通等措施加強。地下室頂板采用鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu)，負1 層與首層的側(cè)向剛度比大于2，因此選擇地下室頂板作為嵌固端。

圖2 結(jié)構(gòu)平面布置Fig.2 Framing Plan

剪力墻自基礎面往上從750～900 mm 厚逐步減薄至250～400 mm 厚，混凝土強度等級從C60 逐步降低至C35。在2層，墻厚750 mm的剪力墻通過凈跨8.5 m、截面為2.2 m×2.2 m 的轉(zhuǎn)換梁和截面為2.2 m×1.2 m 的轉(zhuǎn)換柱進行轉(zhuǎn)換；在3 層，墻厚600 mm 的剪力墻通過凈跨9.4 m、截面為3.0 m×2.0 m的轉(zhuǎn)換梁和截面為3.0 m×1.2 m 的轉(zhuǎn)換柱進行轉(zhuǎn)換。如圖3 所示，為提高延性、避免發(fā)生剪切、軸壓等脆性破壞，上述轉(zhuǎn)換梁和轉(zhuǎn)換柱均為型鋼混凝土構(gòu)件。轉(zhuǎn)換梁周圍樓板加厚至180 mm，有利于被轉(zhuǎn)換墻體的水平剪力有效地通過樓蓋傳遞給周圍的抗側(cè)構(gòu)件；為保證轉(zhuǎn)換柱的承載力和剛度由上至下不發(fā)生突變，柱內(nèi)的型鋼延伸至基礎內(nèi)。由于轉(zhuǎn)換梁豎向變形的原因，在被轉(zhuǎn)換剪力墻的底部，豎向荷載工況下的水平剪力較大。為了控制剪壓比，一般需要額外加大轉(zhuǎn)換梁以上若干層的剪力墻厚度［4-5］。常磊等人［6］提出正交雙截面設計法，按墻模式和梁模式分別設計框支墻，并在頂?shù)着渲娩摴前盗?。參考上述方法，在轉(zhuǎn)換梁以上兩層采用帶邊框的鋼板剪力墻，鋼板厚12 mm，有效地減薄了墻厚。

圖3 框支轉(zhuǎn)換構(gòu)件大樣Fig.3 Details of Structural Transfer Members （mm）

3 結(jié)構(gòu)超限情況及抗震性能目標

3.1 超限情況

本項目超限情況［7］為：①高度超限，房屋高度為190.5 m，超過B 級最大適用高度（150 m）約27%；②樓板不連續(xù)，裙房二層樓板大開洞，有效寬度小于50%；③尺寸突變，大底盤對稱雙塔收進尺寸大于25%；④局部不規(guī)則，如局部框支轉(zhuǎn)換、穿層柱。

3.2 抗震性能目標

結(jié)構(gòu)抗震性能目標取C 級，結(jié)構(gòu)的性能水準分別為1（小震）、3（中震）、4（大震），構(gòu)件設計要求如表1所示。在小震或風荷載作用下，要求結(jié)構(gòu)的最大層間位移角不超過1/800；在大震作用下，要求結(jié)構(gòu)的最大層間位移角不超過1/120。

表1 構(gòu)件設計要求Tab.1 Design Requirements of Members

4 彈性與等效彈性分析

4.1 小震與風荷載彈性分析

采用SATWE 及YJK 進行小震和風荷載作用下的彈性分析。由于本項目為大底盤雙塔結(jié)構(gòu)，根據(jù)文獻［3］第5.1.14 條和第10.6.3 條，采用多塔模型和分塔樓模型分別進行驗算；1 座塔樓和2 座塔樓平面對稱，房屋高度一致，僅樓層數(shù)和層高有微小差異，因此選用層數(shù)較多、重力荷載較大的1 座塔樓模型與多塔模型進行對比。

小震反應譜采用規(guī)范譜，水平地震影響系數(shù)最大值為0.08（阻尼比為5%），設計地震分組為第一組，場地土類別為Ⅱ類，特征周期為0.35 s。底部加強部位（負1 層～6 層）的剪力墻及連梁、轉(zhuǎn)換柱、轉(zhuǎn)換梁和裙房框架的抗震等級均為特一級；其他部位的剪力墻及連梁抗震等級為一級。

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范：廣東省標準DBJ 15-101—2014》［8］，本項目高度小于200 m，且體型規(guī)則，無需進行風洞試驗，風荷載體型系數(shù)取1.40；由于雙塔之間最近的水平距離僅為20 m，存在風力相互干擾，因此考慮不小于1.0的相互干擾系數(shù)；南海區(qū)的基本風壓為0.50 kPa，地面粗糙度為B 類，考慮順風向和橫風向風振，并在承載力設計時考慮1.1 的風荷載效應放大系數(shù)。

結(jié)構(gòu)整體計算結(jié)果如表2 所示，可知結(jié)構(gòu)整體指標均滿足文獻［3］要求。SATWE 和YJK 多塔模型的計算結(jié)果較吻合；在小震作用下SATWE 單塔模型的樓層剪力略大于多塔模型，施工圖設計時采用多模型包絡設計。

表2 結(jié)構(gòu)整體計算結(jié)果Tab.2 Calculation Results of Structure

SATWE 多塔模型計算的最大層間位移角曲線如圖4所示。各工況的最大層間位移角為1/995，說明結(jié)構(gòu)具備足夠的側(cè)向剛度，滿足文獻［3］的要求。在轉(zhuǎn)換層（2 層、3 層），最大層間位移角曲線沒有明顯的突變，說明局部框支轉(zhuǎn)換對結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度的影響很小。在風荷載作用下，1 座塔樓和2 座塔樓各層的最大層間位移角較接近，說明1 座塔樓和2 座塔樓的側(cè)向剛度相近，層數(shù)和層高的差異影響較?。辉谛≌鹱饔孟?，由于1 座塔樓的重力荷載代表值比2 座塔樓大，導致1 座塔樓的地震力也比2 座塔樓大，而兩者的側(cè)向剛度相近，因而1座塔樓的層間位移角比2座塔樓的大。

圖4 最大層間位移角曲線Fig.4 Max Story Drift Curve

4.2 中大震等效彈性分析

采用SATWE 進行等效彈性分析，底部加強部位剪力墻除了應滿足中震抗彎不屈服、抗剪彈性和大震不屈服以外，還需有效控制名義拉應力。由表3 可知，在中震作用下，首層個別剪力墻承受軸向拉力，其中最大的名義拉應力為2.06 MPa，小于ftk。這部分剪力墻均為角部L形剪力墻的墻垛，作為約束邊緣構(gòu)件進行設計時，縱筋配筋率提高至1.5%，有效控制鋼筋應力水平，同時加大體積配箍率，增加這部分墻垛的延性。轉(zhuǎn)換構(gòu)件在等效彈性計算中考慮豎向地震作用的影響，滿足中震抗彎不屈服、抗剪彈性和大震不屈服。

表3 剪力墻名義拉應力驗算Tab.3 Nominal Tensile Stress Checking of Shear Wall

5 大震彈塑性時程分析

塔樓結(jié)構(gòu)大震彈塑性時程分析采用STRAT 程序［9-10］，計算嵌固端取地下室頂板。STRAT對桿單元的截面進行劃分，形成混凝土、鋼筋和鋼材的纖維束；纖維沿梁柱構(gòu)件的縱向可不受積分點限制進行任意細分。將墻單元平面二維細分為混凝土纖維、分布筋纖維和主筋纖維，每個纖維塊內(nèi)應力是均勻的，根據(jù)變形協(xié)調(diào)的原則，同一位置的3種纖維應變相同，應力各自根據(jù)基本材料的非線性本構(gòu)關系確定。

通過小震彈性時程分析選取2 組天然波和1 組人工波，如表4 所示，3 組地震波時程分析的底部剪力平均值為29 832 kN 和33 505 kN，約為振型分解反應譜法底部剪力的85%和96%，滿足文獻［3］關于地震波選取的要求。

表4 小震彈性時程分析計算結(jié)果Tab.4 Calculation Results of Time History Analysis under Frequent Earthquake

分別按X向、Y向為主方向進行雙向彈塑性時程分析，并以結(jié)果最大值進行結(jié)構(gòu)抗震性能評估。如表5 所示，大震彈塑性時程分析得到X向和Y向的最大層間位移角位于31 層，分別為1/196、1/149，均小于1/120的限值，滿足大震不倒的要求。結(jié)構(gòu)在天然波1作用下最終的損壞程度如圖5 所示：首層個別剪力墻處于輕度損壞，轉(zhuǎn)換框架均處于完好狀態(tài)，各層存在部分框架梁處于輕微～輕度損壞，中部和底部樓層存在部分連梁處于中度損壞。5層樓板在大震作用下的鋼筋應力如圖6 所示，均小于樓板鋼筋的屈服強度標準值。

圖5 結(jié)構(gòu)在大震作用下的損壞程度Fig.5 Damage of Structure under Rare Earthquake

圖6 5層樓板在大震作用下鋼筋應力云圖Fig.6 Rebar Stress Nephogram of 5th Floor Slab of Podium under Rare Earthquake

表5 大震作用下最大層間位移角Tab.5 Max Story Drift under Rare Earthquake

6 裙房樓板專項分析

由于裙房長邊尺寸接近120 m、2～4 層樓板均存在不同程度的開洞、2 層和3 層為轉(zhuǎn)換層、5 層為尺寸收進樓層且存在大跨度樓蓋，水平力在樓板中的傳遞路徑復雜、溫度效應的影響顯著，有必要對2～5 層的樓板進行專項分析和構(gòu)造性加強。

2層、5層樓板加厚至150 mm，3層、4層樓板加厚至120 mm，2層和3層轉(zhuǎn)換梁附近的樓板加厚至180 mm。2 層樓板在各工況下的應力云圖如圖7 所示，樓板壓應力均小于混凝土軸心抗壓強度設計值，根據(jù)大部分區(qū)域的拉應力雙層雙向配置10@150 的通長鋼筋；在建筑邊角部、洞口邊緣、塔樓核心筒角部存在應力集中現(xiàn)象，局部附加10@150承擔拉應力。

圖7 2層樓板應力云圖Fig.7 Slab Stress Nephogram of 2F

7 結(jié)論

本項目采用多塔和分塔模型進行結(jié)構(gòu)分析，整體計算結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)具有良好的剛度，在轉(zhuǎn)換層、收進層不存在突變；地震作用和風荷載產(chǎn)生的最大層間位移角較接近；由于多塔和分塔模型的計算結(jié)果存在一定差異，施工圖設計時采用多模型包絡。高度超B 級最大適用高度，框支墻在豎向荷載下的剪力占比大，采用正交雙截面設計法進行補充復核，轉(zhuǎn)換層上兩層采用帶邊框的鋼板剪力墻，有效減小墻厚。裙房樓板長達120 m，且存在局部框支轉(zhuǎn)換、開大洞等情況，水平力在樓板中的傳遞路徑復雜，本文進行了地震作用和溫度效應下的樓板應力分析，根據(jù)各區(qū)域樓板的實際需要適當加大板厚、雙層雙向配置樓板鋼筋，并通過設置后澆帶、優(yōu)化混凝土澆筑順序等措施減小裙房樓板超長、塔樓與裙房存在沉降差等問題。大震作用下的最大層間位移角小于1/120，各類構(gòu)件均達到預設的性能目標，結(jié)構(gòu)滿足“大震不倒”的要求。