某鋼筋混凝土核心筒+鋼桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構設計分析

楊 萬

（華南理工大學建筑設計研究院有限公司 廣州 510641）

1 工程概況

某項目位于廣州市白云區(qū)，主要功能為展覽館，建筑總面積為2.9 萬m2，其中地上建筑面積1.4 萬m2，地下建筑面積為1.5萬m2。地下設2層地下室，負一層層高7.0 m，負二層層高3.8 m，為人防區(qū)域。地上平面尺寸約為68 m×48 m，共6 層，首層層高5.5 m，2～4 層層高6.0 m，5 層層高5.0 m，6 層層高5.5 m，結(jié)構總高度34.0 m。項目整體效果如圖1 所示。由圖1 可以看出，除角部的4個筒體外［1］，地上呈現(xiàn)出“懸空”的空間建筑效果。結(jié)合建筑功能和造型，“筒體”位置設置通高鋼筋混凝土核心筒，并在核心筒頂部設置轉(zhuǎn)換桁架下吊下部結(jié)構。轉(zhuǎn)換桁架中心高度約為5.0 m，核心筒間桁架最大跨度為30.0 m，核心筒外最大懸挑長度約15.0 m。

圖1 建筑效果Fig.1 Architectural Renderings

結(jié)構設計使用年限為50年，結(jié)構安全等級為二級，地基基礎設計等級為乙級?？拐鹪O防類別為丙類，設防烈度為7度，設計基本地震加速度0.1g，設計地震分組為第一組。根據(jù)地勘報告，場地類別為Ⅱ類，設計特征周期0.35 s?；撅L壓50年重現(xiàn)期取0.5 kN/m2，地面粗糙度B 類。根據(jù)《建筑結(jié)構荷載規(guī)范：GB 50009—2012》［2］，基本溫度Tmax=36 ℃，Tmin=6 ℃，按照結(jié)構合攏溫度25±5 ℃考慮溫度作用。

2 結(jié)構體系和傳力機制

2.1 結(jié)構體系與布置

地上首層采用鋼筋混凝土框架?核心筒結(jié)構，3層及3 層以上采用鋼框架?混凝土核心筒結(jié)構。其中鋼框架是由核心筒頂部的轉(zhuǎn)換鋼桁架下吊形成，并在各層樓面處與核心筒連接，模型如圖2 所示。主要構件參數(shù)及材料如表1 所示。轉(zhuǎn)換桁架層共有16道桁架，其中橫向（X向）和縱向（Y向）各有4 道桁架直接支撐于核心筒頂部，并將桁架下弦內(nèi)嵌入核心筒以保證傳力。其余桁架以此8道桁架為支座進行受力。支撐于核心筒頂部的典型桁架立面如圖3所示。核心筒內(nèi)采用鋼筋混凝土梁板，板厚150 mm，核心筒外采用鋼梁及鋼筋桁架組合樓板，板厚120 mm。通過分析，混凝土框架和鋼框架部分承受的地震傾覆力矩均不超過結(jié)構總傾覆力矩的10%，應按剪力墻結(jié)構進行設計，并按核心筒承擔100%水平剪力進行分析配筋。查《高層建筑混凝土結(jié)構技術規(guī)程：JGJ 3—2010》［3］及《建筑抗震設計規(guī)范：GB 50011—2010》［4］可知，混凝土核心筒抗震等級為三級，混凝土框架抗震等級為三級，鋼框架抗震等級為四級，轉(zhuǎn)換鋼桁架考慮到其受力的重要性，抗震等級提高至三級。

圖2 整體模型Fig.2 Whole Model Figures

表1 主要構件參數(shù)及材質(zhì)Tab.1 Parameters and Materials of Main Components

圖3 典型桁架立面Fig.3 Typical Truss Elevation （mm）

2.2 傳力機制

在豎向荷載作用下，2 層～5 層吊層結(jié)構先通過鋼吊柱將豎向力傳至鋼桁架，再傳至混凝土核心筒，最終傳至基礎。

由于核心筒外鋼框架側(cè)向剛度與混凝土核心筒相比，小了一個數(shù)量級，故2 層～5 層吊層結(jié)構在水平荷載作用下，直接將力通過每層樓板傳至混凝土核心筒，最終傳至基礎。

3 基礎設計

根據(jù)地勘報告［5］，本場地范圍內(nèi)下伏基巖為二疊系灰?guī)r，灰?guī)r屬可溶性巖石，受水的化學和物理作用下極易產(chǎn)生溶溝、溶槽、溶隙、溶洞等巖溶現(xiàn)象［6］。報告中鉆孔揭露溶洞、土洞的見洞率為78.7%，屬巖溶強發(fā)育場地。根據(jù)地勘報告及現(xiàn)場情況綜合考慮，本項目采用灌注樁基礎，故溶洞處理為本項目樁基礎的關鍵問題。

本工程要求在進行樁基施工前，所有樁基均進行超前鉆，根據(jù)超前鉆揭示的溶洞高度分情況進行處理。若溶洞高度高度不大于3 m，則在樁基成樁過程中碎石拋填處理；否則應進行壓力注漿預處理［7］。注漿液可先使用水泥漿，其配合比（水泥∶水=1∶0.7）應根據(jù)現(xiàn)場試驗調(diào)整；若注漿量超過150 m3，說明溶洞出現(xiàn)串洞的可能性較大，宜改用雙液漿加注。

4 抗震性能化分析

本工程屬于廣州市白云區(qū)重點建設項目，存在扭轉(zhuǎn)偏大（最大扭轉(zhuǎn)位移比為1.22）、豎向構件不連續(xù)共兩項不規(guī)則項。鑒于項目的重要性及其復雜程度，確定結(jié)構整體性能目標為C 級，各構件性能目標如表2所示。針對扭轉(zhuǎn)偏大不規(guī)則項，提高邊框梁與邊框柱的承載力安全度，邊框梁與邊框柱的應力比不超過0.85；針對豎向構架不連續(xù)不規(guī)則項，除將鋼桁架抗震等級提高至三級外，核心筒承擔100%水平剪力進行分析并適當增加配筋，具體如下：首層剪力墻水平分布筋增大至0.35%，豎向分布筋增大至0.60%；2 層剪力墻水平分布筋增大至0.70%，豎向分布筋增大至0.60%；其余層剪力墻的水平分布筋和豎向分布筋均增大至0.30%。

表2 抗震性能目標Tab.2 Seismic Performance Goals

4.1 小震彈性分析主要結(jié)果

采用YJK 作為主要計算分析軟件，同時采用SAP2000 對YJK 結(jié)果進行校核（見表3），由于地震作用為控制荷載，僅列出地震作用下的結(jié)果對比。由分析可知，兩個軟件的計算結(jié)果均比較接近，沒有出現(xiàn)原則性沖突或矛盾的結(jié)果，證明計算結(jié)果準確可靠。

表3 小震彈性分析主要結(jié)果Tab.3 Main Results of Elastic Analysis of Slight Earthquake

另外選擇受力最大的桁架進行撓度分析，如圖4所示，桁架在標準組合D+L 工況下的跨中最大豎向位移為25 mm，撓度為1/1200；懸挑端最大豎向位移為39 mm，撓度為1/743，滿足《鋼結(jié)構設計標準：GB 50017—2017》［8］附錄B中桁架撓度容許值1/400的要求。

圖4 桁架變形圖Fig.4 Deformation Diagram of Truss

4.2 中震彈性分析結(jié)果

在設防地震作用下，X、Y向結(jié)構的最大層間位移角為1/1 751、1/1 441。鋼梁、鋼柱、轉(zhuǎn)換桁架等均未有應力比超限情況出現(xiàn)，均處于彈性狀態(tài)，滿足中震性能目標。

本項目由于混凝土核心筒的側(cè)向剛度遠大于鋼柱，地震的水平剪力和傾覆力矩主要由剪力墻承擔，混凝土核心筒大約承擔了總地震傾覆力矩和總地震剪力的95%。同時，地上結(jié)構的筒體高度不高，約為30 m，地上剪力墻的剪跨比主要在0.8～1.5 之間，其破壞形態(tài)以剪切破壞為主［9］。而在中震作用下，角部核心筒剪力墻會出現(xiàn)偏心受拉，偏心受拉引起的水平通縫會削弱墻體的抗剪能力。小中震作用下，地上首層墻肢的基本組合工況偏拉驗算結(jié)果如圖5 所示?？芍≌鹱饔孟赂鲏χ闯霈F(xiàn)拉應力，中震作用下部分墻肢出現(xiàn)拉應力，最大拉應力為1.3ftk。拉應力超過ftk的墻肢，豎向分布筋的配筋率提高至0.85%可滿足中震受力要求。

圖5 墻肢偏拉驗算結(jié)果（括號內(nèi)為小震結(jié)果）Fig.5 Tensile Stress of Wall（Slight Earthquake Results in Brackets）

4.3 大震彈塑性時程分析

采用Perform?3D 軟件進行大震彈塑性時程分析。選取了2 條天然波和1 條人工波進行計算。其中地震波峰值加速度取220g，按主方向∶次方向∶豎向=1∶0.85∶0.65 三向輸入。地震波作用下的整體計算結(jié)果如表4所示?？梢姡?條地震波作用下結(jié)構的最大層間位移角為1/525，滿足文獻［3］限值1/120的要求。大震下結(jié)構基底剪力是小震的4.49～5.32倍，結(jié)構部分進入彈塑性。另外，3 條地震波下結(jié)構的塑性耗能約占輸入總能量的10%～15%。在塑性耗能中，鋼筋混凝土連梁、混凝土核心筒約占75%～80%，鋼梁約占15%，混凝土梁約占5%～10%，混凝土柱、鋼柱、轉(zhuǎn)換鋼桁架基本不耗能，保持彈性?；炷梁诵耐驳睦瓑簱p傷主要集中在首層（見圖6），最大壓應變約為0.001，最大拉應變約為0.001 2＜0.002，基本處于輕微～輕度損傷水平；混凝土核心筒剪應力最大為0.07fck，所有剪力墻的抗剪強度滿足最小截面要求，且根據(jù)大震等效彈性的試算結(jié)果，水平分布筋配筋可滿足大震抗剪不屈服要求。

圖6 核心筒損傷云圖Fig.6 Core Tube Damage Diagram

表4 大震彈塑性計算結(jié)果Tab.4 Elastoplastic Calculation Results of Severe Earthquake

綜上，各構件均滿足設定的性能目標。

5 關鍵節(jié)點設計及有限元分析

屋頂鋼桁架與核心筒角部的連接節(jié)點是本項目的關鍵節(jié)點。結(jié)構分析的整體模型不能將節(jié)點的應力情況反映出來，因此需要對節(jié)點進行進一步的有限元分析，以保證節(jié)點在各荷載工況下傳力的可靠性。

轉(zhuǎn)換鋼桁架與混凝土核心筒的連接節(jié)點大樣如圖7所示，混凝土剪力墻暗柱范圍內(nèi)嵌型鋼柱，型鋼柱向下延伸一層；桁架下弦桿水平內(nèi)插入混凝土剪力墻內(nèi)，并通過栓釘將力傳給核心筒。同時考慮到箱型截面弦桿與剪力墻鋼筋施工上的沖突，將內(nèi)插的箱型截面改為倆腹板內(nèi)插。

圖7 屋頂鋼桁架與混凝土核心筒節(jié)點連接大樣Fig.7 Sample of Joint Connection between Steel Truss and Concrete Core Tube （mm）

選取受力最大的一處節(jié)點，采用有限元軟件ABAQUS 進行節(jié)點應力分析。分析結(jié)果如圖8 所示?？芍?，混凝土墻肢最大塑性應變?yōu)?.4×10?3，損傷部位為鋼桁架與支座墻的局部受壓損傷，損傷范圍很小。鋼節(jié)點的Misses 應力最大為345 MPa，最大塑性應變?yōu)?.7×10?3，且損傷范圍很?。讳摻頜isses 應力最大為382 MPa，不超過鋼筋的屈服強度400 MPa，可見節(jié)點總體處于彈性狀態(tài)，滿足受力要求。

圖8 節(jié)點分析結(jié)果Fig.8 Node Analysis Results

6 施工現(xiàn)場鋼結(jié)構吊裝方案

本項目3 層～頂層的鋼結(jié)構施工是施工現(xiàn)場的一個難點。原圖紙采用的施工方案為：施工完全部混凝土結(jié)構（含地上混凝土筒體）?組裝鋼胎架，施工屋頂16榀鋼桁架?施工鋼桁架下3～5層鋼吊柱?施工3層鋼梁及混凝土樓板?施工4層鋼梁及混凝土樓板?施工5層鋼梁及混凝土樓板?施工桁架層鋼梁及混凝土樓板。此方案的優(yōu)點是施工過程中鋼結(jié)構的受力方式與結(jié)構整體分析時基本一致，無需進行施工階段受力驗算；缺點是在鋼構件的吊裝過程中，需注意避開鋼桁架，將制約施工速度，進而可能影響工期。

施工單位經(jīng)過評估，按上述方案施工，工期逾期的風險性較大，于是提出了3 層～頂層鋼結(jié)構“一體化”施工的方案［10］，具體如下：4 個核心筒間的3～頂層鋼結(jié)構（含鋼桁架，未澆混凝土板）在2 層混凝土結(jié)構樓面拼裝?通過液壓同步提升設備（提升總重約1 300 t）整體提升3層～頂層鋼結(jié)構?高空對位后焊接施工?由下而上澆筑混凝土板；核心筒外的懸挑桁架考慮分段吊裝+臨時胎架支撐的方法進行安裝，再安裝其下部結(jié)構。此方案優(yōu)點是工期基本不受影響，缺點是：①需對主體結(jié)構（含基礎）進行施工階段驗算，對于不滿足承載力要求的構件，需采取加強措施；②施工精確性要求高，難度大，危險性大，需要充分考慮鋼結(jié)構下?lián)霞昂附有巫円约芭_風等極端惡劣天氣的影響。經(jīng)多次討論研究，施工單位對此方案編制了專項施工方案，并通過了施工方案評審會。現(xiàn)場亦按此方案正有條不紊的進行施工。

7 結(jié)論

⑴采用鋼筋混凝土核心筒+鋼桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構，以角部4 個落地核心筒作為主要豎向抗側(cè)力構件，并在混凝土核心筒頂部設置轉(zhuǎn)換鋼桁架層，鋼桁架下部連鋼柱懸吊下部三層結(jié)構，呈現(xiàn)出地上“懸空”的空間建筑效果。

⑵綜合本工程的基礎的受力情況及本場地范圍內(nèi)巖溶強發(fā)育狀況，基礎采用鉆孔灌注樁，并要求在樁基施工前對場地范圍溶洞進行壓力注漿處理。

⑶針對本工程的超限情況，采取了合理的結(jié)構體系、結(jié)構布置以及加強措施，并對結(jié)構進行小、中、大震下的性能分析，分析結(jié)果表明結(jié)構能滿足既定的抗震性能目標，結(jié)構安全可靠。

⑷針對屋頂鋼桁架與混凝土核心筒的連接節(jié)點進行設計，并對節(jié)點進行進一步的有限元分析，保證了節(jié)點在各荷載工況下傳力的可靠性。

⑸綜合考慮現(xiàn)場施工工期的影響，上部鋼結(jié)構采用“一體化”施工方案，可作為類似工程提供參考。