某續(xù)建改造項目裙房結(jié)構(gòu)設(shè)計難點分析

許關(guān)飛, 武 京, 劉性碩, 劉長東, 閤東東, 盧清剛, 陳 晗, 盧 筱

(北京市建筑設(shè)計研究院有限公司，北京 100045)

1 工程概況

本項目位于北京市石景山區(qū)西黃村1606-646地塊,地鐵6號線西黃村地鐵站旁,建設(shè)用地平面尺寸212.5m×117.9m,舊方案(圖 1(a))地上由3棟塔樓+局部3層商業(yè)組成,地下4層,修改后的建筑方案(圖 1(b))為一座綜合體,地上由5層裙房及1棟塔樓(16層)組成,地下4層。對比新舊建筑方案,舊方案3個塔樓變?yōu)樾路桨钢?個塔樓,東北角塔樓的平面也有較大變化,舊方案中僅有局部商業(yè),新方案中變成5層裙房。新方案總建筑面積約13.7萬m2,裙房建筑功能為商業(yè),建筑高度為26.3m,裙房首層層高6m,2～5層層高均為5.1m;塔樓建筑功能為寫字樓,建筑高度為75.7m,首層層高6m,2～5層層高5.1m,6～16層層高4m,出屋面機房層高5.3m。塔樓與裙房之間設(shè)結(jié)構(gòu)縫。

本工程結(jié)構(gòu)安全等級為一級,設(shè)計基準(zhǔn)期為50年,抗震設(shè)防烈度為8度(0.2g),設(shè)計地震分組為第二組,場地類別為Ⅱ類,場地特征周期為0.4s,抗震設(shè)防類別為乙類。基本風(fēng)壓為0.45kN/m2,地面粗糙度為C類,基本雪壓為0.4kN/m2。

如圖2所示,本項目地下室分兩期建設(shè),南側(cè)一期部分與相鄰東西向地鐵同期施工,已施工至地下1層頂板,北側(cè)二期部分尚未施工。本項目與地鐵6號線最近距離約10m,在地鐵50m保護線范圍之內(nèi);項目東南角塔樓距離地鐵約20m,由于塔樓核心筒剪力墻布置變化較大,且地下室外墻支護問題關(guān)系到地鐵安全,需對地下4層及基礎(chǔ)筏板進行改造。

2 結(jié)構(gòu)特點及技術(shù)難題

對比新舊建筑方案,舊方案在南側(cè)地下室有較大一片區(qū)域沒有地上結(jié)構(gòu),為下沉庭院,相關(guān)位置如圖 3中陰影部分所示,該下沉庭院部分在±0.00標(biāo)高處未預(yù)留鋼筋,且地下柱截面尺寸為600×600,截面較小。預(yù)留鋼筋區(qū)域地下柱截面尺寸為800×800、φ1 100。地下1層南側(cè)既有柱柱頂絕大部分甩筋情況如圖 4所示,圖中可見既有柱單側(cè)預(yù)留5根直徑22mm鋼筋,共預(yù)留有16根直徑22mm鋼筋,而上部則為裙房。一期已施工的地下室柱截面需配合建筑方案做相應(yīng)的結(jié)構(gòu)拆改和加固,且南側(cè)地下室包含了自行車庫和扶梯出口等功能,南側(cè)地上首層鋼柱與對應(yīng)位置的地下1層鋼筋混凝土柱之間的連接為本工程關(guān)鍵技術(shù)難題之一。

3 裙房結(jié)構(gòu)體系選型

塔樓與商業(yè)裙房在地下部分連成一體,地上商業(yè)裙房偏置在塔樓一側(cè),塔樓與裙房通過設(shè)置防震縫分為2個獨立的結(jié)構(gòu)單體。塔樓采用鋼框架-混凝土核心筒結(jié)構(gòu)。由于南側(cè)首層柱節(jié)點連接的約束,地上裙房結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量選擇質(zhì)量輕、地震作用小的結(jié)構(gòu)體系,加上裝配式需求,裙房首選鋼結(jié)構(gòu)。地下及裙房結(jié)構(gòu)透視圖如圖 5所示。

由于建筑方案修改導(dǎo)致南側(cè)既有地下室±0.00標(biāo)高處柱未甩筋或甩筋不足,南側(cè)首層柱節(jié)點連接共分剛接、鉸接和轉(zhuǎn)換梁連接三種形式。由于部分柱腳為鉸接節(jié)點和轉(zhuǎn)換梁連接節(jié)點,無法做到全部剛接。柱腳連接影響上部結(jié)構(gòu)體系,上部結(jié)構(gòu)體系直接影響首層柱腳內(nèi)力,因此上部結(jié)構(gòu)體系與柱腳連接問題需統(tǒng)一考慮。

若南側(cè)地上裙房采用純鋼框架結(jié)構(gòu),鋼框架僅包含1道抗震防線,柱腳無法做到全部剛接。本工程位于8度區(qū),地上鋼結(jié)構(gòu)抗震等級二級,鋼框架依靠構(gòu)件和節(jié)點的抗彎能力來抵抗側(cè)向荷載,屬于有側(cè)移框架,穩(wěn)定性差,導(dǎo)致柱截面尺寸較大,故鋼框架體系不夠經(jīng)濟。從結(jié)構(gòu)抗震性能和經(jīng)濟性角度出發(fā),南側(cè)地上裙房采用鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)體系或鋼框架減震體系較為合理。為與南側(cè)結(jié)構(gòu)體系相協(xié)調(diào),北側(cè)也需要采用鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)體系或鋼框架減震體系。

鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)若采用普通鋼支撐,裙房結(jié)構(gòu)第1、2階自振周期分別為1.27、1.21s,X向和Y向?qū)娱g位移角分別為1/720、1/530。由于穩(wěn)定性、長細比和應(yīng)力比的限制,首層支撐截面需要達到□500×500×25,導(dǎo)致與支撐相連的柱地震作用增加,從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度也增加。若采用設(shè)置了黏滯消能器的鋼結(jié)構(gòu)減震體系,結(jié)構(gòu)第1、2階自振周期分別為1.75s和1.68s,可以減小結(jié)構(gòu)和柱腳地震作用,但由于此時框架仍然為有側(cè)移框架,柱截面尺寸仍較大,說明采用普通鋼支撐對減小地震作用效果并不顯著。

若將普通鋼支撐換成屈曲約束支撐(BRB)后,結(jié)構(gòu)第1、2階自振周期分別為1.38s和1.33s,結(jié)構(gòu)自振周期增大,地震作用減小,同時支撐截面尺寸減小。因此,裙房最終采用鋼框架-支撐(BRB+局部防屈曲鋼板墻(BRW))結(jié)構(gòu)。在小震下,BRB保證結(jié)構(gòu)的剛度;在中震和大震下,BRB屈服耗能,提供附加阻尼比[1],大幅減小首層柱腳的內(nèi)力,優(yōu)化了裙房構(gòu)件尺寸。BRB布置在交通核周圍,沿整體結(jié)構(gòu)對稱布置,盡量減小與地鐵相關(guān)位置的BRB剛度和屈服力,優(yōu)化柱腳內(nèi)力[2],保證了上部結(jié)構(gòu)體系和柱腳連接問題統(tǒng)一協(xié)調(diào),實現(xiàn)了整體結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟性。

4 裙房超限情況及設(shè)計

4.1 超限情況及性能目標(biāo)

裙房共存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、偏心布置、凹凸不規(guī)則、樓板不連續(xù)和局部不規(guī)則共四項一般規(guī)則性超限[3]?？紤]偶然偏心的裙房扭轉(zhuǎn)位移比最大1.44,大于1.2,屬于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則;樓層偏心率最大達到0.33,超出規(guī)范限值0.15,屬于偏心布置;裙房東南角凹凸尺寸大于相應(yīng)邊長30%,屬于凹凸不規(guī)則;各層中間部位存在大開洞,有效樓板寬度小于50%,屬于樓板不連續(xù);結(jié)構(gòu)4層西南角局部錯層,4層北側(cè)存在結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換,屬于局部不規(guī)則。裙房結(jié)構(gòu)的有限元模型如圖 6所示。

根據(jù)本工程實際情況,整體結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防性能目標(biāo)定為D級:關(guān)鍵構(gòu)件小震下完好、無損壞;中震下中度損壞;大震下不嚴(yán)重?fù)p壞。

4.2 減震設(shè)計

在整體結(jié)構(gòu)滿足8度(0.20g)區(qū)小震下的變形驗算前提下,建立有限元模型進行彈塑性時程分析,驗證結(jié)構(gòu)是否滿足彈塑性變形要求。

經(jīng)多次優(yōu)化,本項目BRB參數(shù)見表 1,局部設(shè)置的BRW參數(shù)見表 2。首層BRB及BRW布置如圖 7所示,由圖可得,南側(cè)BRB及BRW布置數(shù)量較少,在改造困難區(qū)域的屈服承載力也較小。

表1 BRB參數(shù)

表2 BRW參數(shù)

4.3 大震彈塑性時程分析

選取4條天然波(T178XY、T178YX、T2351XY、T2351YX)、2條人工波(R0035XY、R0035YX),對裙房結(jié)構(gòu)進行大震彈塑性時程分析,裙房結(jié)構(gòu)在大震下的層間位移角如圖 8所示。由圖可得,X向和Y向最大層間位移角分別為1/84(第1層)、1/81(第3層)。結(jié)構(gòu)最大層間位移角均未超出1/50[4],滿足“大震不倒”抗震性能目標(biāo)。

BRB及BRW為結(jié)構(gòu)第1道抗震防線,在大震下首先屈服耗能[5]。部分樓層BRB的滯回曲線如圖 9所示,部分樓層BRW等效支撐的滯回曲線如圖 10所示。從圖 9和圖 10中可以看出,BRB和BRW滯回曲線飽滿,在大震下起到充分的消能減震作用。BRB最大軸向位移約為35mm,未超過極限位移54mm;BRW最大位移20mm,未超過極限位移80mm。

在罕遇地震下,結(jié)構(gòu)自身阻尼比取0.04。通過對BRB及BRW耗散能量以及結(jié)構(gòu)總應(yīng)變能的計算,得到結(jié)構(gòu)在大震下的附加阻尼比,如表 3所示。BRB及BRW的設(shè)置可以有效減小地震作用[6],有利于首層鋼柱柱腳的設(shè)計。

圖 11為多工況包絡(luò)下各構(gòu)件性能水平,由圖 11可知,罕遇地震下,結(jié)構(gòu)中絕大部分框架柱的損傷程度為無損壞或輕微破壞,框架柱還具有較高的剩余承載力;關(guān)鍵構(gòu)件損傷主要出現(xiàn)在與支撐相連的局部框架處,此處框架為輕度破壞,其余關(guān)鍵構(gòu)件均為輕微破壞及以下破壞狀態(tài)。整體結(jié)構(gòu)滿足并超過D級性能目標(biāo)要求。

表3 罕遇地震下結(jié)構(gòu)附加阻尼比

5 南側(cè)首層柱腳連接設(shè)計

在首層鋼柱和地下1層鋼筋混凝土柱之間的連接上,針對不同位置,采用剛接、鉸接和轉(zhuǎn)換梁連接,并提出不同的改造加固方案,保證整體結(jié)構(gòu)的抗震安全和經(jīng)濟性[7]。柱腳設(shè)計原則:1)與地鐵相關(guān)區(qū)域,特別是正在運營的地鐵扶梯相關(guān)區(qū)域,由于施工困難,地上首層鋼柱與地下1層鋼筋混凝土柱之間的連接為鉸接;2)與地鐵相關(guān)區(qū)域之外且能夠上下對位的柱,首層鋼柱與地下1層鋼筋混凝土柱之間的連接大部分為剛接,約占改造區(qū)域柱總數(shù)的41%;3)其他帶BRB的鋼柱和斜柱,由于水平剪力較大,首層鋼柱與地下1層鋼筋混凝土柱之間的連接大部分為鉸接。

各類型柱腳連接平面布置示意圖見圖12,各類型柱腳連接占比示意圖如圖13所示。

圖1 新舊建筑方案對比

圖3 地下1層南側(cè)既有柱柱頂未甩筋區(qū)域

圖4 地下1層柱大部分柱甩筋情況

圖5 地下及裙房結(jié)構(gòu)透視圖

圖6 裙房結(jié)構(gòu)有限元模型

圖7 首層BRB及BRW布置平面圖

圖8 大震下的結(jié)構(gòu)層間位移角

圖9 BRB滯回曲線

圖10 BRW等效支撐滯回曲線

圖11 多工況包絡(luò)下各構(gòu)件性能水平

圖12 各類型柱腳平面布置示意圖

圖13 各類型柱腳連接占比示意圖

5.1 剛接柱腳設(shè)計

本項目剛接柱腳包括插入式柱腳和外包式柱腳。插入式柱腳設(shè)置在地下新建混凝土柱位置,鋼柱下插至地下2層頂;其余剛接柱腳均為外包式柱腳,由于剛接柱腳需要傳遞上部鋼柱全部內(nèi)力,對應(yīng)地下1層鋼筋混凝土柱需采取加大截面、配筋及配置角鋼等方式進行加固,以確保結(jié)構(gòu)的安全。

參照外包式柱腳設(shè)計,除了驗算地震內(nèi)力組合工況下結(jié)構(gòu)承載能力外,還需進行“強節(jié)點弱構(gòu)件”下的極限承載力驗算[8],即:

Mu=min(Mu1,Mu2)≥1.2Mpc

(1)

式中:Mu為外包式柱腳極限受彎承載力;Mu1為鋼柱達到鋼柱的全塑性受彎承載力Mpc時按照比例放大的剛接柱腳底部彎矩;Mu2為外包鋼筋混凝土和鋼柱腳極限受彎承載力之和。

本項目外包式柱腳構(gòu)造示意如圖14所示,采用地下1層鋼筋混凝土柱截面增大至外包柱腳尺寸、在首層鋼柱柱腳外包混凝土、地下1層柱截面處配置鋼筋和角鋼等措施,增強角鋼和原結(jié)構(gòu)柱的整體性;首層鋼柱剪力和彎矩主要由增大截面后配置的鋼筋和角鋼傳遞[9],在地下1層范圍內(nèi)的角鋼之間設(shè)置截面100×10、間距300mm的綴板,角鋼上焊接栓釘,增大了其與混凝土的粘結(jié)[10],確保了節(jié)點的牢固。

圖14 外包式柱腳構(gòu)造示意

圖15 鉸接柱腳構(gòu)造示意

圖16 與斜柱相連的柱腳構(gòu)造示意

地震內(nèi)力組合工況下,首層鋼柱柱腳剪力最大為360kN,外包鋼筋混凝土抗剪承載力1 371 kN≥360kN。鋼柱的全塑性受彎承載力Mpc=2 747 kN·m,鋼柱腳極限受彎承載力Mu=3 916 kN·m≥1.2Mpc,滿足“強節(jié)點弱構(gòu)件”極限承載驗算。

5.2 鉸接柱腳設(shè)計

柱腳鉸接設(shè)計時,僅傳遞軸力和剪力,剪力主要由抗剪鍵承擔(dān)。本項目鉸接柱腳構(gòu)造示意如圖 15所示。

鉸接柱腳驗算采用中震下柱腳內(nèi)力,中震內(nèi)力組合下柱腳剪力最大值為1 180kN,Q355角鋼抗剪鍵抗剪承載力為2 040 kN,安全系數(shù):2 040/1 180=1.7。驗算結(jié)果表明柱腳設(shè)計滿足規(guī)范要求且具有較高的安全冗余度。

5.3 與斜柱相連的柱腳設(shè)計

鋼柱與斜柱相連時,斜柱的部分軸力會以剪力的形式作用于柱腳上,在柱腳設(shè)計時要著重考慮抗剪承載能力,本項目此類柱腳構(gòu)造示意如圖 16所示。由于鋼柱柱腳剪力較大,在外包混凝土及地下鋼筋混凝土柱加固部位配置了兩個弧長950mm、厚30mm的鋼板(Q390),鋼板與混凝土通過焊接錨栓牢固連接。

鋼斜柱軸力最大值為8 778kN,首層鋼柱柱腳剪力最大值為6 145kN,外包鋼筋混凝土抗剪承載力2 250kN,弧形鋼板抗剪承載力為5 700kN,首層鋼柱柱腳抗剪承載力為7 950kN≥6 145kN,滿足承載能力要求。

6 結(jié)論

本工程由于建筑功能的改變,在既有部分地下室結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上完成全部地下室結(jié)構(gòu)和新建上部結(jié)構(gòu)的設(shè)計,將地下室新舊建筑連接處理和上部結(jié)構(gòu)體系一體化考慮,保證了整體結(jié)構(gòu)的抗震安全和經(jīng)濟性。分析結(jié)論如下:

(1)針對新舊建筑的連接,依據(jù)±0.00標(biāo)高處柱腳上部和下部構(gòu)件實際情況分別采用剛接、鉸接,并提出了相應(yīng)的構(gòu)造做法,針對相關(guān)構(gòu)件提出了合理的性能目標(biāo)。

(2)上部結(jié)構(gòu)采用鋼框架-支撐(BRB+局部BRW)結(jié)構(gòu)體系,BRB保障了無側(cè)移框架的實現(xiàn)和關(guān)鍵區(qū)域柱腳內(nèi)力的削減。

(3)對裙房結(jié)構(gòu)超限情況進行了對應(yīng)的性能化設(shè)計措施和計算分析,結(jié)果表明BRB及BRW的設(shè)置可以有效減小地震作用,結(jié)構(gòu)層間位移角及構(gòu)件性能水平均能滿足相關(guān)規(guī)范要求,整體結(jié)構(gòu)滿足“大震不倒”的性能目標(biāo)。