杭州某超限超高層結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)

沈捷攀, 肖志斌, 尹 雄, 周建爐, 王宇緯, 吳冰镠, 王正剛

(浙江大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州 310028)

1 工程概況

本項(xiàng)目位于浙江省杭州市,地上由一幢主塔樓、一幢副塔樓和商業(yè)裙樓組成,商業(yè)裙樓與主塔樓連為一體。其中主塔樓65層,建筑高度295.77m,1～3層裙樓層高為5.04～4.94m,標(biāo)準(zhǔn)層層高為4.4m。主塔樓設(shè)置六個避難層,分別位于8、18、28、38、48、58層。加強(qiáng)層位于37～38層。地下為4層停車區(qū),其中地下1層層高為6.5m,地下2～4層層高為4.5m。建筑效果圖和結(jié)構(gòu)計(jì)算模型見圖1、2。

圖1 建筑效果圖

圖2 整體計(jì)算模型

項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年,安全等級為二級,地基基礎(chǔ)和樁基工程設(shè)計(jì)等級為甲級。在計(jì)算風(fēng)荷載時,采用50年一遇基本風(fēng)壓0.45kN/m2,地面粗糙度類別為C類,并使用風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算。該建筑的抗震設(shè)防類別為乙類,抗震設(shè)防烈度為7度,設(shè)計(jì)地震分組為第一組,設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g,場地類別屬于Ⅲ類,場地特征周期為0.45s［1］。

2 結(jié)構(gòu)方案

2.1 結(jié)構(gòu)體系

主塔樓采用多重抗側(cè)力體系,由鋼管混凝土柱框架、鋼筋混凝土核心筒、環(huán)帶桁架和伸臂桁架組成。這種抗側(cè)力體系在很多工程實(shí)例得到應(yīng)用,近年來有許多國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了深入研究,證明其具有優(yōu)越的抗震性能［2］。如合肥寶能環(huán)球金融中心塔樓和深圳某300m超高層塔樓,均采用帶加強(qiáng)層的型鋼混凝土框架-核心筒-環(huán)帶桁架結(jié)構(gòu)體系［3-4］;季俊等［5］以武漢綠地中心塔樓為例,研究了一種異形環(huán)帶桁架結(jié)構(gòu)體系的抗震性能和節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì);侯悅琪等［6］、Yahia Halabi等［7］對伸臂桁架體系的傳力路徑和性能水平進(jìn)行了分析對比,為類似工程設(shè)計(jì)提供了可靠參考。

本項(xiàng)目塔樓計(jì)算嵌固端設(shè)在地下室頂板處(即首層樓面)。根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)［8］(簡稱高規(guī))規(guī)定,混合結(jié)構(gòu)在7度地震區(qū)最大適用高度為190m,而本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)高度已超過規(guī)范限值,為高度超限結(jié)構(gòu)。為了滿足建筑造型和室內(nèi)空間的利用效率,外圍框架柱存在較多斜柱,以達(dá)到建筑外立面的“竹節(jié)形”效果要求。2層和3層的大堂樓板開有洞口,占樓板總面積的38.5%,造成了平面的不規(guī)則。同時,為了提高側(cè)向剛度,設(shè)置了三道環(huán)帶桁架和一道伸臂桁架。主塔樓結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土核心筒剪力墻抗震等級為特一級,外框鋼管混凝土柱抗震等級為一級,環(huán)帶桁架、伸臂桁架抗震等級為二級,外框鋼梁抗震等級為二級。

2.2 結(jié)構(gòu)布置

主塔樓的鋼筋混凝土核心筒是主要的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系,可以承受大部分風(fēng)荷載和地震作用,而外圍框架則按照相應(yīng)的比例承擔(dān)部分側(cè)向荷載,形成了雙重的抗側(cè)力體系。鋼筋混凝土核心筒采用鋼筋混凝土墻,其外墻厚度從下至上逐漸減小,從1 400mm減小到300mm。外圍框架柱采用圓形鋼管混凝土柱,其中X向柱距為10.5m,而Y向柱距則在13.99～15.39m之間。外圍框架柱角柱從下至上截面由φ2 150×36逐漸減小到φ800×20,外圍框架柱中柱則從下至上截面由φ1 700×26逐漸減小到φ750×16。鋼筋混凝土核心筒的混凝土強(qiáng)度等級從下至上由C60減小至C50。梁柱的鋼材材質(zhì)為Q355B。主塔樓標(biāo)準(zhǔn)層的結(jié)構(gòu)平面布置如圖3所示。

圖3 主塔樓標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置圖

主塔樓鋼筋混凝土核心筒的X向高寬比為8.98,Y向?yàn)?3.02。由于鋼筋混凝土核心筒在Y向上抗側(cè)剛度較弱,在37層到38層沿Y向設(shè)置了兩道高度為8.7m的斜腹桿伸臂桁架,并貫通核心筒,以提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度。同時,考慮到設(shè)置環(huán)帶桁架可以很好地調(diào)整帶伸臂桁架和不帶伸臂桁架相連的外圍框架柱的內(nèi)力和變形,使之形成一個均勻的外框架,同時減輕加強(qiáng)層上下樓板的翹曲影響,減小框筒結(jié)構(gòu)的剪力滯后,增加結(jié)構(gòu)的整體剛度。為此,在17～18層、37～38層和57～58層這些樓層分別設(shè)置了三道環(huán)帶桁架。加強(qiáng)層和底部折線柱布置如圖4、5所示。

圖5 底部折線柱

環(huán)帶桁架腹桿截面為H500×500×50×50,主要水平鋼梁截面為H850×500×30×50;伸臂桁架腹桿截面為□500×900×80×80,水平鋼梁截面為□500×900×40×60。桁架梁型鋼材質(zhì)均為Q390GJ,典型環(huán)帶桁架、伸臂桁架的布置如圖6、7所示。伸臂桁架桿件交匯處典型節(jié)點(diǎn)做法如圖8所示。

圖6 東西向環(huán)帶桁架布置示意圖(37～38層)

圖7 主塔樓伸臂桁架立面布置圖(37～38層)

圖8 伸臂桁架桿件交匯處典型節(jié)點(diǎn)做法

主塔樓的鋼筋混凝土核心筒區(qū)域范圍采用現(xiàn)澆的鋼筋混凝土樓板,而其余區(qū)域則采用鋼筋桁架樓承板。主塔樓的1～3層層高分別為5.04、4.99、4.94m,而其余標(biāo)準(zhǔn)層層高為4.4m。主要次梁截面高度為450mm。在設(shè)計(jì)時還考慮了混凝土翼緣板的有利作用,采用組合梁進(jìn)行設(shè)計(jì)。外圍框架梁截面高度為900mm,與框架柱采用剛接連接;鋼筋混凝土核心筒X向主要連梁截面高度為800mm,Y向主要連梁截面高度為1 000～1 600mm。

3 地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

根據(jù)地勘報(bào)告建議,本工程采用旋挖成孔灌注樁,樁徑為1.0m,樁身混凝土強(qiáng)度等級為C40。樁端持力層為3層中風(fēng)化鈣質(zhì)石英粉砂巖,屬于極軟巖［9］。有效樁長不小于47m,且進(jìn)入持力層深度不小于2m(鋼筋混凝土核心筒區(qū)域樁基入巖深度不小于4m)。單樁豎向抗壓承載力特征值為9 000kN,筏板厚度為4.2m,地下室抗浮設(shè)計(jì)水位為室外地坪下0.5m?；A(chǔ)平面布置如圖9所示。

圖9 主塔樓基礎(chǔ)平面布置圖

沉降計(jì)算采用迭代計(jì)算方法(適用于樁筏筏板彈性地基梁),沉降經(jīng)驗(yàn)系數(shù)按照《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)［10］第5.5.11條取值。承臺沉降計(jì)算采用Mindlin方法,同時考慮回彈再壓縮對沉降計(jì)算的影響。考慮后澆帶的作用,塔樓單獨(dú)計(jì)算沉降。沉降云圖為“鍋底”形狀,最大計(jì)算沉降約為67mm。

4 超限判斷和抗震性能目標(biāo)

4.1 超限情況判定

根據(jù)住建部《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》(建質(zhì)﹝2015﹞67號)［11］的相關(guān)規(guī)定,本工程超限情況的判斷見表1。

表1 超限情況的判斷

4.2 抗震性能目標(biāo)

根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn),本工程設(shè)定了結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防性能目標(biāo)為C級。主塔樓結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震性能目標(biāo)見表2。其中,關(guān)鍵構(gòu)件的定義范圍包括核心筒底部加強(qiáng)區(qū)(7層及以下),核心筒收進(jìn)區(qū),環(huán)帶桁架、伸臂桁架及相鄰豎向構(gòu)件,高層懸挑梁;普通豎向構(gòu)件的定義范圍包括普通樓層的剪力墻和外圍框架柱;耗能構(gòu)件的定義范圍包括核心筒連梁和外圍框架梁。

表2 主塔樓結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震性能目標(biāo)［9］

5 結(jié)構(gòu)抗震分析

5.1 小震計(jì)算

為了確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性,本工程使用ETABS和YJK兩個軟件對多遇地震作用下的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模擬,結(jié)果表明兩個軟件的計(jì)算結(jié)果較為吻合。ETABS分析的結(jié)構(gòu)第1～3階周期分別為6.58s(Y向平動)、6.38s(X向平動)、4.51s(扭轉(zhuǎn)),周期比為0.685,表明結(jié)構(gòu)具有足夠的抗扭剛度。圖10為結(jié)構(gòu)前三階振型。

綜合分析結(jié)果顯示,結(jié)構(gòu)的周期比、質(zhì)量參與系數(shù)、層間位移角、剛重比、剛度和承載力均符合《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)(2016年版)［1］(簡稱抗規(guī))抗規(guī)與高規(guī)要求,但是剪重比小于規(guī)范最小限值0.012,需要根據(jù)抗規(guī)與高規(guī)進(jìn)行放大調(diào)整。兩種軟件計(jì)算結(jié)果顯示,在多遇地震和風(fēng)荷載作用下,樓層的層間位移角非常相似。其中,在伸臂桁架加強(qiáng)層處,層間位移角存在突變。根據(jù)YJK軟件分析結(jié)果,在多遇地震作用下,最大的層間位移角在X向?yàn)?/696,在Y向?yàn)?/637;在風(fēng)荷載作用下,最大的層間位移角在X向?yàn)?/1 111,在Y向?yàn)?/557。最大的層間位移角符合規(guī)范1/500的限值要求。這表明,結(jié)構(gòu)X向受地震作用控制,Y向受風(fēng)荷載控制。

另外,根據(jù)結(jié)果可知,在水平地震作用下,除伸臂桁架加強(qiáng)層和上下相鄰樓層外,樓層剪力主要由核心筒承擔(dān),外框架按剛度分配得到的地震剪力分擔(dān)比例在大部分樓層不小于8%,僅有個別樓層小于5%。

5.2 中震作用下構(gòu)件的驗(yàn)算

在中震不屈服荷載組合下,主塔樓底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻平均名義拉應(yīng)力與混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk比值不大于2.0。核心筒內(nèi)的剪力墻除了在1～4層局部出現(xiàn)受拉情況(出現(xiàn)在核心筒的四個角部)外,其余部分均為受壓,沒有拉應(yīng)力。受拉部位拉應(yīng)力與混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk比值的最大值為0.33,小于1.0。為提高核心筒筒體四個角部的抗拉能力并降低墻肢的軸壓比,在核心筒筒體的四個角部(從基礎(chǔ)頂部到5層結(jié)構(gòu)板面)設(shè)置型鋼,以達(dá)到提高結(jié)構(gòu)延性的目的。

計(jì)算結(jié)果表明,在中震作用下,核心筒的剪力墻均能夠滿足中震抗剪彈性要求。對位于加強(qiáng)層與伸臂桁架相連的剪力墻進(jìn)行抗剪承載力驗(yàn)算,結(jié)果發(fā)現(xiàn),能夠滿足既定的抗震性能目標(biāo)。

5.3 結(jié)構(gòu)彈塑性分析

本工程使用PKPM-SAUSAGE軟件進(jìn)行彈塑性時程分析。選取了2組天然波(L2628、L2605)和1組人工波(L750),計(jì)算主塔樓在各組地震波作用下的彈塑性基底剪力與層間位移角曲線,見表3與圖11。

表3 主塔樓各地震波作用下彈塑性基底剪力

圖11 層間位移角曲線

由表3可以得出,在地震波以X向和Y向?yàn)橹鬏S方向時,通過彈塑性時程分析,結(jié)構(gòu)的底部剪重比為4.4%～5.8%,而X向和Y向的大震彈塑性基底剪力與小震振型分解反應(yīng)譜基底剪力之比為4.3～5.4。由圖11可以得出,主塔樓在各組地震波的作用下,其最大彈塑性層間位移角X向、Y向分別為1/128(59層)、1/114(59層),滿足規(guī)范限值1/100的要求。主塔樓的59層(環(huán)帶桁架上一層)出現(xiàn)了較為顯著的突變,因此需要在該層進(jìn)行豎向構(gòu)件的加強(qiáng)處理。

根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能水平(圖12、13)可以看出,大部分墻體存在輕微到輕度損傷,其中核心筒筒體周邊較短的墻體和縮進(jìn)處的墻體受損比例較高;與伸臂桁架直接相連的鋼板剪力墻墻體損傷程度得到控制。大部分連梁損傷程度為重度以上,表明在地震中,連梁是主要的耗能構(gòu)件;裙房和主塔樓的鋼管混凝土框架柱和柱頂存在輕微損傷。主塔樓底部的穿層柱和外框斜柱在相交處存在輕度損傷,因此對斜柱相交節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造重點(diǎn)加強(qiáng)。41層核心筒筒體內(nèi)的三個外圍框架柱(墻上立柱)存在中度損傷,采取加大截面和配筋等措施進(jìn)行加固;核心筒筒體內(nèi)鋼筋混凝土梁存在輕微到輕度損傷,說明鋼筋混凝土梁能夠很好地發(fā)揮耗能作用,而大部分核心筒筒體外的鋼梁處于無損傷狀態(tài),表明鋼梁在地震中基本上仍然保持彈性;伸臂桁架和環(huán)帶桁架在地震中均沒有受到損傷,保持彈性,滿足抗震性能化的要求;樓板的損傷主要集中在加強(qiáng)層和環(huán)帶桁架層,因此采取了加大板厚和加強(qiáng)配筋的措施。

圖12 核心筒、框架柱、樓面梁性能水平圖

圖13 樓板、伸臂桁架與環(huán)帶桁架性能水平圖

6 混凝土收縮徐變效應(yīng)影響分析

考慮配筋和荷載歷史對結(jié)構(gòu)變形的影響,采用ETABS軟件計(jì)算結(jié)構(gòu)的徐變與收縮。組合柱、非組合柱和墻的相對濕度假定為50%,鋼管混凝土柱的相對濕度假定為100%。荷載歷史從21d開始,施工速度為1層/7d;核心筒剪力墻的施工速度比鋼管混凝土柱快10層;組合樓面梁和樓板的施工速度比外框柱慢1層;環(huán)帶桁架和柱子同時安裝;附加恒載和幕墻荷載比樓面梁板慢25層;結(jié)構(gòu)封頂后安裝所有伸臂桁架斜腹桿;附加靜載和幕墻荷載施加完后,全樓施加25%的活荷載;最后伸臂桁架上下弦桿兩端剛接。經(jīng)過計(jì)算,主塔樓外圍框架柱和核心筒在10 000d后的總變形以及外圍框架柱與核心筒的變形差見圖14。由圖可得,外圍框架柱與核心筒最大變形差為35mm。

圖14 核心筒和外框柱變形及變形差

7 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)分析

外圍框架柱沿建筑外輪廓變化,在樓層處(尤其是在轉(zhuǎn)折點(diǎn)處)產(chǎn)生較大的拉力或壓力。為研究梁柱節(jié)點(diǎn)連接處受力情況,設(shè)定鉸接和剛接兩種連接模型進(jìn)行對比。模型1采用鉸接模型,梁柱節(jié)點(diǎn)處僅腹板連接。模型2采用剛接模型,同時為保證拉力的傳遞,柱內(nèi)在中部與鋼梁腹板對應(yīng)的位置設(shè)置貫通節(jié)點(diǎn)的鋼拉板。在計(jì)算中,考慮了中震不屈服和風(fēng)荷載在梁上產(chǎn)生的軸力,其中以風(fēng)荷載產(chǎn)生的軸力為控制工況,南北兩側(cè)的中部梁柱轉(zhuǎn)折點(diǎn)處產(chǎn)生的最大軸向拉力為6 761kN,位于第9層。取用該位置的相關(guān)內(nèi)力進(jìn)行分析,節(jié)點(diǎn)處應(yīng)力分布示意圖見圖15。

圖15 節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布示意圖

從圖15模型1的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布來看,與腹板相連的鋼柱側(cè)壁局部發(fā)生屈服現(xiàn)象且范圍較大。而模型2的傳力較為理想,基本未發(fā)生屈服的現(xiàn)象,因此在設(shè)計(jì)中采用了模型2的構(gòu)造方法,見圖16。

圖16 柱轉(zhuǎn)折點(diǎn)處梁柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

為保證拉力在剪力墻內(nèi)的傳遞,在鋼梁與核心筒的連接位置處預(yù)設(shè)鋼骨。而考慮到在柱折點(diǎn)處及其上下一層的拉力最大,這三層將鋼拉板在核心筒的內(nèi)貫穿(圖17)。而在其余樓層處,拉力逐層衰減。為了節(jié)省造價,在鋼拉板的位置用通長的抗拉鋼筋來替換,用受拉鋼筋來抵抗因柱傾斜而產(chǎn)生的拉力(圖18)。

圖17 核心筒與鋼拉板連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

圖18 核心筒與抗拉鋼筋連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

8 結(jié)論

(1)通過多種計(jì)算軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性和彈塑性分析,驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)符合規(guī)范要求,并滿足預(yù)先設(shè)定的抗震性能目標(biāo)。

(2)主塔樓加強(qiáng)層位于37層到38層,在該樓層處沿Y向設(shè)置兩道貫通核心筒的伸臂桁架,可提高結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)剛度。在17～18層、37～38層和57～58層沿外框架設(shè)置三道環(huán)帶桁架,可以很好地協(xié)調(diào)外框架柱的內(nèi)力和變形,減輕核心筒的剪力滯后效應(yīng)。

(3)彈塑性時程分析結(jié)果顯示,大震作用下結(jié)構(gòu)層間位移滿足規(guī)范要求,大部分連梁損傷程度為重度以上且先于其他部位發(fā)生塑性損傷,實(shí)現(xiàn)了地震能量的耗散。

(4)斜柱相交處會產(chǎn)生較大的拉力或壓力。針對斜柱相交處的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了有限元對比分析,證明了在柱內(nèi)設(shè)置鋼拉板與鋼梁腹連接的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式是有效且可靠的。為了保證拉力在核心筒剪力墻內(nèi)的傳遞,針對不同樓層,提出了增設(shè)鋼拉板和增設(shè)附加抗拉鋼筋兩種連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造。