某高層辦公樓懸吊超限結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)

◎王紫璇 范軍 陸順芳

長沙經(jīng)開區(qū)區(qū)塊鏈產(chǎn)業(yè)園項(xiàng)目（一期工程）1#廠房項(xiàng)目位于湖南省長沙經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)三一路以北、涼塘路以南、東二路以東，擬建項(xiàng)目裙房地下1 層，地上5 層（其中首層處有夾層），總高23.5m，塔樓地上16 層（其中首層處有夾層），總高76.7m，正負(fù)零絕對(duì)標(biāo)高為66.600。裙房結(jié)構(gòu)采用框架結(jié)構(gòu)，塔樓結(jié)構(gòu)采用混凝土核心筒體+懸臂桁架+吊桿體系，塔樓屋頂采用交叉鋼桁架懸吊下部8 層樓面。裙房與塔樓在2～5 層處（包括首層處夾層）的連橋采用滑動(dòng)的方式脫開，裙房在屋頂（6 層）采光頂處鋼梁一側(cè)鉸接，一側(cè)滑動(dòng)。嵌固端取正負(fù)零處?；A(chǔ)將采用旋挖樁樁基礎(chǔ)。擬建場地土為軟弱土，建筑場地類別為Ⅲ類，屬對(duì)建筑抗震不利地段。場地內(nèi)的地層主要有人工填土層、沖積粉質(zhì)黏土、殘積粉質(zhì)黏土層，下伏基巖為強(qiáng)風(fēng)化礫巖、中風(fēng)化礫巖等。擬建場地內(nèi)未見滑坡、泥石流等影響場地穩(wěn)定性的不良地質(zhì)作用，場地基本穩(wěn)定。但場地局部區(qū)域內(nèi)中風(fēng)化礫巖⑤中存在強(qiáng)風(fēng)化礫巖⑤-1 夾層；場地上覆填土厚度較大，性質(zhì)不均勻，工程性質(zhì)較差，對(duì)地基穩(wěn)定性有不利影響。場地內(nèi)未見可液化地層。施工期和使用期間抗浮設(shè)防水位標(biāo)高按66.0m 考慮。場地地下水水質(zhì)及土質(zhì)對(duì)混凝土和鋼筋具有微腐蝕性。

一、辦公樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

第一，本次辦公樓設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50 年，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50 年。

第二，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)；建筑結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.0；建筑抗震設(shè)防類別為丙類建筑；建筑基礎(chǔ)安全等級(jí)為二級(jí)建筑，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)。

第三，建筑結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)主要包含建筑裙房和塔樓，其中裙房分為地上框架抗震等級(jí)為4 級(jí)；轉(zhuǎn)換梁柱為3 級(jí)；地下框架抗震等級(jí)為4 級(jí)；建筑塔樓地上地下核心筒抗震等級(jí)為二級(jí)。

第四，建筑水平荷載下的變形限值。根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010，第3.7.3 條）多遇地震或重現(xiàn)期為50年的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下最大層間位移角限值為：

裙房：1/550 塔樓：1/1000；根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010，第3.7.5 條）大震作用下最大層間位移角限值為裙房：1/50 塔樓：1/120。

第五，建筑舒適度準(zhǔn)則。為了有效滿足高層建筑內(nèi)部使用人員到舒適性要求和標(biāo)準(zhǔn)，需要對(duì)建筑風(fēng)荷載作用條件下，建筑體的最大加速度進(jìn)行有效限制，根據(jù)高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程當(dāng)中的相關(guān)要求，10 年一遇的風(fēng)何在作用條件下，辦公樓頂點(diǎn)位置的風(fēng)振加速度限值如表1：

表1

第六，建筑樓蓋舒適度要求。根據(jù)高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程當(dāng)中的要求，樓蓋結(jié)構(gòu)，豎直方向上的振動(dòng)頻率不能小于3Hz 豎直方向上的速度峰值要求標(biāo)準(zhǔn)，如表2 所示：

表2

二、建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1.地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案。

本項(xiàng)目基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)，本工程有一層地下室，塔樓和裙樓地下室底板主要位于人工填土，擬作為持力層中風(fēng)化礫巖還有一定距離。因此塔樓擬采用滿堂樁基礎(chǔ)，裙樓采用柱下樁基，樁端持力層為中風(fēng)化礫巖。根據(jù)勘察報(bào)告中風(fēng)化礫巖中存在軟弱夾層，為較不均勻地基，樁基施工前應(yīng)進(jìn)行超前鉆，保證樁端以下3d 及5m 范圍內(nèi)無軟弱夾層等不良地質(zhì)現(xiàn)象，根據(jù)地勘報(bào)告，場地內(nèi)地層變化較大，樁基施工前應(yīng)進(jìn)行超前鉆，保證樁基全斷面入巖深度。

2.基礎(chǔ)埋深設(shè)計(jì)。

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）12.1.8 條，基礎(chǔ)應(yīng)有一定的埋深，基礎(chǔ)埋深可從室外地坪算至基礎(chǔ)底面，并符合下列規(guī)定：天然地基或復(fù)合地基，取房層高度的1/15；樁基礎(chǔ)，不計(jì)樁長可取房屋高度的1/18；本工程基礎(chǔ)埋深為-5.6m，相對(duì)結(jié)構(gòu)高度約為5.6/75.5=1/13.5，滿足規(guī)范要求。

3.樁基設(shè)計(jì)。

根據(jù)本次鉆探揭露綜合區(qū)域資料，場地內(nèi)的地層主要有人工填土層、沖積粉質(zhì)黏土、殘積粉質(zhì)黏土層，下伏基巖為強(qiáng)風(fēng)化礫巖、中風(fēng)化礫巖等。本工程采用旋挖成孔灌注樁，塔樓樁徑定為1800mm，裙樓樁徑定為1200mm、1000mm 兩種。樁基持力層為中風(fēng)化礫巖，1800mm 有效樁長約 17m，1200mm、1000mm 有效樁長11～17m，進(jìn)入巖層全斷面深度不宜小于0.4d 且不小于0.5m，且樁端需穿透局部軟弱夾層。樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30，根據(jù)勘察報(bào)告初步分析，1800mm 樁徑單樁抗壓承載力特征值為 16000KN，1200mm 樁徑單樁抗壓承載力特征值為6100KN，1000mm 樁徑單樁抗壓承載力特征值4500KN。塔樓采用滿堂布樁的方式，裙樓采用柱下布樁的方式，樁間距3d。根據(jù)目前初步估算，豎向荷載下塔樓最大樁反力約為13000KN，在水平荷載組合工況下，樁頂反力也能滿足規(guī)范的要求。

4.地基變形設(shè)計(jì)。

根據(jù)初步分析，塔樓沉降均勻，最大沉降值約為16mm。由于塔樓沉降量較小且與裙樓沉降量接近，因此塔樓與裙樓可不設(shè)沉降后澆帶大震下樁基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。通過對(duì)上部塔樓進(jìn)行大震下的整體分析，得到在1.0 恒+0.5 活-1.0Y 地震+0.38 震Z 工況下核心筒樁基出現(xiàn)最小樁反力為2385KN，核心筒下樁基經(jīng)計(jì)算水平承載力特征值為1500KN，大震下單樁最大水平力為500KN。

三、建筑結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)

由于塔樓與裙房之間，在各層均開大洞不能滿足剛性樓板假定的要求。若按照整體模型計(jì)算，在1～5 層（其中首層處有夾層），對(duì)應(yīng)塔樓墻體布置太偏，1～5 層剛心與形心偏心距太大，在X 向規(guī)定水平力下位移比達(dá)到1.68，不滿足規(guī)范要求。因此，將塔樓與裙房分開建模與實(shí)際情況更相符，同時(shí)也避免了扭轉(zhuǎn)位移比過大的問題。塔樓與裙房分別建模進(jìn)行計(jì)算。考慮連接塔樓和裙房的過道采用一段鉸接、一端滑動(dòng)的形式，由于裙房高度23.5 不屬于高層結(jié)構(gòu)，本報(bào)告為塔樓超限報(bào)告。

1.塔樓抗側(cè)力體系設(shè)計(jì)。

塔樓的抗側(cè)力體系為筒體，所有的鋼梁與筒體采用鉸接連接僅承受豎向荷載，此結(jié)構(gòu)沒有設(shè)置抗震二道防線。由于鋼梁與筒體均鉸接，塔樓每個(gè)樓層所受到的風(fēng)力、地震作用均通過整體澆筑的混凝土樓板傳至筒體，由筒體承受地震及風(fēng)力的所有側(cè)向力，由外立面可看出1 層到8 層（含首層夾層）僅有筒體剪力墻及內(nèi)部量梁板，9 層筒體剪力墻外側(cè)有3.15m 的吊掛梁板，10 層至16 層有9.25m 的吊掛梁板17 層到18 層（設(shè)備層和屋頂）僅有筒體剪力墻及內(nèi)部量梁板，19 層為放在筒體頂部的鋼桁架。結(jié)構(gòu)實(shí)際的質(zhì)量分布在第10 層和桁架層質(zhì)量比超1.5，由于筒體承受了所有的地震剪力，因此按照筒體結(jié)構(gòu)的分類進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)及抗震構(gòu)造設(shè)計(jì)，筒體剪力墻抗震等級(jí)設(shè)為二級(jí)，如圖1：

圖1 塔樓抗側(cè)力體系設(shè)計(jì)

2.塔樓重力體系設(shè)計(jì)。

塔樓從9 層至16 層，剪力墻的所有外圍結(jié)構(gòu)均懸掛于剪力墻頂部的鋼桁架。充分利用鋼結(jié)構(gòu)的受拉特性，可使樓面四周的吊桿截面尺寸足夠小，建筑立面簡單通透，既是建筑的設(shè)計(jì)精華也是結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。在剪力墻四周，采用16 根直拉桿，通過層層懸掛的方式，將樓面荷載傳至屋頂桁架。屋頂桁架通過四個(gè)支座將力傳給屋頂剪力墻，豎向上在屋頂剪力墻角點(diǎn)埋置了構(gòu)造型鋼以增強(qiáng)延性。整體而言，整個(gè)結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的，四周的拉力相互抵消，不存在傾覆問題。懸吊體系如下圖2：

圖2

在剪力墻頂設(shè)置屋面雙向鋼桁架，桁架高度4m，在X、Y向分別為三道桁架，在斜45 度方向各一道桁架，在對(duì)應(yīng)下部剪力墻角部的位置設(shè)置四個(gè)支座。支座放置于核心筒的四角部。吊桿以鉸接的方式懸掛在懸挑部的桁架端部；結(jié)構(gòu)傳力模式各層吊桿軸力=該層樓面一半的荷載+下一層吊桿軸力，如圖3 所示。

圖3

N6=N7+G6/2

3.樓面梁設(shè)計(jì)。

塔樓樓面周圈環(huán)梁與吊桿上下樓面環(huán)梁分別鉸接，環(huán)梁在角部剛接，使其形成一個(gè)閉合的體系，垂直于環(huán)梁的鋼梁與剪力墻均采用鉸接連接的方式，與環(huán)梁采用剛接連接，如圖4：

圖4 樓面梁設(shè)計(jì)

4.樓板體系設(shè)計(jì)。

塔樓：塔樓下部樓蓋開洞較多，1 層～8 層核心筒內(nèi)的樓板厚度為130mm，由于尺寸突變，10 層～11 層的樓板厚度為150mm，配筋雙層雙向。不上人屋面和設(shè)備層的樓板厚度調(diào)整為150mm，配筋雙層雙向。其余核心筒樓板厚度為130mm，塔樓部分采用130mm 厚鋼筋桁架樓承板，對(duì)于部分跨度超過3m 的樓板，施工時(shí)應(yīng)采用臨時(shí)支撐，樓梯采用普通鋼筋混凝土樓梯。針對(duì)塔樓超限情況的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和相應(yīng)措施，由于塔樓為懸掛結(jié)構(gòu)，為規(guī)范暫未列出的結(jié)構(gòu)形式，為保證結(jié)構(gòu)安全，做出了如下措施：對(duì)于屋頂鋼桁架和筒體周圍鋼梁考慮豎向地震作用；對(duì)筒體的加強(qiáng)措施。本項(xiàng)目抗震措施的抗震等級(jí)取二級(jí)。對(duì)于底部加強(qiáng)區(qū)（1 層、1 夾層）、過渡區(qū)段（8 層、9 層）、頂部兩層的抗震構(gòu)造措施的抗震等級(jí)取一級(jí)。其余墻體的抗震構(gòu)造措施抗震等級(jí)取二級(jí)。塔樓地下室相關(guān)范圍的抗震構(gòu)造措施的抗震等級(jí)取一級(jí)。對(duì)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件根據(jù)關(guān)鍵構(gòu)件、重要構(gòu)件、普通構(gòu)件控制應(yīng)力比。同時(shí)，鋼桁架的抗震等級(jí)取三級(jí)。關(guān)鍵構(gòu)件：屋頂桁架，應(yīng)力比控制在0.75 以內(nèi)。重要構(gòu)件：吊桿、環(huán)梁，應(yīng)力比控制在0.85 以內(nèi)。普通構(gòu)件：樓面鋼梁，應(yīng)力比控制在0.95 以內(nèi)。

四、結(jié)語

綜上，本項(xiàng)目塔樓部分采用混凝土核心筒+懸臂桁架+吊桿結(jié)構(gòu)體系，對(duì)塔樓采取以下主要措施及分析手段，嚴(yán)格按照規(guī)范，控制整體結(jié)構(gòu)的主要指標(biāo)，包括結(jié)構(gòu)變形、剪重比等抗震設(shè)計(jì)中引入性能化設(shè)計(jì)思想，確定合理的抗震性能目標(biāo)。對(duì)主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行承載力校核，能夠滿足各水準(zhǔn)地震下的性能目標(biāo)，對(duì)吊掛結(jié)構(gòu)的傳力模型進(jìn)行了分析及模型驗(yàn)證，采取的主要措施包括：屋頂桁架屬于沒有冗余度的關(guān)健結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其設(shè)計(jì)計(jì)算適當(dāng)增加富余度。對(duì)筒體采取底部，中部和頂部加強(qiáng)抗震構(gòu)造措施、對(duì)鋼結(jié)構(gòu)控制應(yīng)力比、對(duì)尺寸突變位置加強(qiáng)、對(duì)下部樓蓋板厚加厚、提高支撐樓面鋼梁的連梁的抗震性能，對(duì)塔樓進(jìn)行了抗連續(xù)倒塌分析、樓板舒適度驗(yàn)算等，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震下的彈塑性時(shí)程分析，分析的結(jié)果表明大震作用下性能良好，整體響應(yīng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，可以有效保證建筑工程項(xiàng)目整體結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。