深圳某混凝土斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

張大權(quán)

摘 要：本文基于筆者多年從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，以某高層寫字樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為研究對(duì)象，論文首先對(duì)多種斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了對(duì)比分析，進(jìn)行了斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)計(jì)算及抗震性能分析，為該類結(jié)構(gòu)形式的運(yùn)用提供了一定的參考。

關(guān)鍵詞：高層寫字樓 斜交框筒結(jié)構(gòu) 性能設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TU973 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）08（a）-0039-02

1 工程概況

總體效果圖見(jiàn)圖1，分南北兩個(gè)塔樓，之間設(shè)大跨報(bào)告廳連接，北塔為寫字樓，總高度為119.75 m，地上為27層；南塔為商業(yè)，地上為6層，建筑高度為32.600 m。由于場(chǎng)地條件限制，平面為一個(gè)北窄南寬的梯形平面。北塔層高：地下四層為4.2 m，地下三～一層為4.3 m，一、二層通高為9.25 m，三層以上均為4.25 m；南塔層高：地下同北塔，地上一層為6.0 m，其余各層為5.2 m。

由于工程地下室的使用功能需要大空間，同時(shí)也考慮防水構(gòu)造容易處理的因素，地下室均不設(shè)永久縫，使地下室結(jié)構(gòu)成為上部結(jié)構(gòu)較理想的嵌固端。防空地下室為甲類，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)二級(jí)，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)甲級(jí)。抗震設(shè)防烈度7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值 0.10 g，設(shè)計(jì)地震分組第一組，建筑場(chǎng)地類別為Ⅲ類，特征周期0.45 s。（圖1）

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與選型

2.1 結(jié)構(gòu)單元的規(guī)則性

寫字樓與商業(yè)樓之間在±0.00以上完全脫開(kāi)，建筑上采用連廊連接。連廊與兩樓之間在±0.00以上也設(shè)防震縫，各自形成獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元，避免了連體結(jié)構(gòu)。設(shè)置防震縫后寫字樓平面、豎向均較規(guī)則。

結(jié)構(gòu)方案曾考慮利用避難層作為加強(qiáng)層，用以減小建筑物的側(cè)移，但會(huì)使上、下層剛度突變，鑒于建筑高度僅120 m左右，在滿足層間位移角限值的前提下，未采用加強(qiáng)層的結(jié)構(gòu)形式。同時(shí)為了節(jié)省材料和減輕自重，根據(jù)剛度和承載力的要求，豎向構(gòu)件由下至上斷面多次逐漸變小，且柱子與墻體的變斷面位置按不同樓層錯(cuò)開(kāi)。混凝土強(qiáng)度等級(jí)也由下至上分幾次逐漸降低，變化時(shí)也與豎向構(gòu)件變斷面位置錯(cuò)開(kāi)樓層，使豎向結(jié)構(gòu)剛度漸變。

2.2 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)建筑造型要求，主體結(jié)構(gòu)初步進(jìn)行了以下三種方案的比選：（1）斜交矩形鋼管混凝土外框柱+混凝土核心筒（方案一）。（2）斜交鋼筋混凝土外框柱+混凝土核心筒（方案二）。（3）豎直落地的鋼筋混凝土外框柱（外包斜框架幕墻）+混凝土核心筒（方案三）。

對(duì)以上三種結(jié)構(gòu)形式從頂點(diǎn)位移、層間最大位移、經(jīng)濟(jì)性、施工質(zhì)量等方面進(jìn)行了分析對(duì)比：（1）方案一受力性能好，施工速度快，能滿足建筑師對(duì)立面的要求，但就目前120 m高度建筑而言，用鋼量大，經(jīng)濟(jì)性較差，成本高，只能作為替補(bǔ)方案。（2）方案二混凝土柱為壓彎構(gòu)件，構(gòu)件的延性較差，斜柱交叉節(jié)點(diǎn)的抗震性能差，鋼筋密，施工速度慢，但造價(jià)低，經(jīng)濟(jì)性優(yōu)，且能滿足建筑方案的立面和視覺(jué)效果。（3）方案三為成熟的設(shè)計(jì)、施工工藝，經(jīng)濟(jì)性及施工質(zhì)量均有保證，但對(duì)建筑方案的破壞性較大。結(jié)構(gòu)整體模型見(jiàn)圖2。

通過(guò)以上分析，綜合考慮建筑效果、經(jīng)濟(jì)和安全等因素，最終確定采用方案二，但在方案二斜柱交叉節(jié)點(diǎn)處增加型鋼，加強(qiáng)其延性，提高其抗震性能。即采用斜交鋼筋混凝土外框柱（節(jié)點(diǎn)設(shè)置型鋼）+混凝土核心筒結(jié)構(gòu)，梁和樓板采用普通鋼筋混凝土。抗震等級(jí)：斜柱及框架二級(jí)，核心筒二級(jí)。平面布置見(jiàn)圖3。

3 結(jié)構(gòu)超限分析及解決措施

3.1 超限類型

本工程結(jié)構(gòu)總高度為119.0 m，未超過(guò)A級(jí)最大適用高度（150 m），平面寬度為26m，高寬比為4.6<7，滿足要求。辦公樓平面部分層為通高的花園，屬樓板不連續(xù)，平面不規(guī)則；局部斜柱不落地，豎向不規(guī)則，且外框柱為非常規(guī)的斜交網(wǎng)格柱，故對(duì)本工程進(jìn)行超限抗震分析。

3.2 超限的解決措施

分別采用兩種不同力學(xué)模型的三維空間分析軟件，按考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)振動(dòng)影響時(shí)振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行整體內(nèi)力及位移計(jì)算。并對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇地震下彈性動(dòng)力時(shí)程分析的補(bǔ)充計(jì)算。對(duì)整體結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行罕遇地震時(shí)的彈塑性動(dòng)力和靜力分析，以考察結(jié)構(gòu)的抗震性能和結(jié)構(gòu)薄弱層的彈塑性變形，對(duì)分析中發(fā)現(xiàn)的較弱部位采取加強(qiáng)措施。對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行中震彈性驗(yàn)算并對(duì)少數(shù)構(gòu)件的配筋進(jìn)行加強(qiáng)。以上措施從計(jì)算的角度保證結(jié)構(gòu)有足夠的整體剛度和抗震性能，以達(dá)到“小震不壞，中震可修，大震不倒”的要求。

3.2.1 多遇地震的計(jì)算分析

分別采用兩種不同力學(xué)模型的三維空間分析軟件SATWE和midas building計(jì)算。在分析位移和周期等指標(biāo)時(shí)，采用剛性樓板假定。反應(yīng)譜分析時(shí)結(jié)構(gòu)的有效質(zhì)量系數(shù)均超過(guò)90%，滿足規(guī)范要求，由SATWE和building分析得到的第一扭轉(zhuǎn)周期與第一平動(dòng)周期之比Tt/T1分別為0.87及0.86，均滿足規(guī)范小于0.9的要求，且周期及整體質(zhì)量接近，計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范1/800層間位移角限值要求，說(shuō)明結(jié)構(gòu)布置與結(jié)構(gòu)計(jì)算模型選擇合理。

3.2.2 彈性動(dòng)力時(shí)程分析法

采用SATWE彈性動(dòng)力時(shí)程分析軟件進(jìn)行多遇地震下的補(bǔ)充計(jì)算。主要采用的地震波為：安評(píng)人工波USER1，TH2TG035（天然波），TH3TG035（天然波）。主方向峰值加速度為35cm/s2，次方向?yàn)?9.75cm/s2。特征周期0.45 s。

由SATWE彈性時(shí)程分析結(jié)果（以下均指三條波的平均值）可知，彈性時(shí)程分析得到的x，y向?qū)娱g位移角分別為1/3884，1/4003，遠(yuǎn)小于《高規(guī)》要求的1/800。x，y向的樓層位移及層間位移角的變化趨勢(shì)均與反應(yīng)譜分析（CQC法）得到的結(jié)果一致，且均小于CQC法結(jié)果。每條時(shí)程曲線所得的結(jié)構(gòu)底部剪力不小于振型分解反應(yīng)譜法求得的底部剪力的65%，三條時(shí)程曲線所得的結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值不小于振型分解反應(yīng)譜法求得的底部剪力的80%。x，y向樓層剪力及樓層底部彎矩值的變化趨勢(shì)與CQC法得到的結(jié)果基本一致，其中CQC法得到的樓層底部彎矩均大于彈性時(shí)程分析結(jié)果，設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)構(gòu)地震作用取CQC法計(jì)算結(jié)果。

3.2.3 彈塑性靜力分析（Pushover分析）

為考察結(jié)構(gòu)在罕遇地震時(shí)的抗震性能和驗(yàn)算結(jié)構(gòu)薄弱層的彈塑性變形，采用彈塑性分析軟件EPDA&PUSH分別對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性靜力、動(dòng)力分析。計(jì)算主方向的罕遇地震時(shí)，最大地震加速度取220cm/s2。由于彈塑性靜力分析數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)與彈塑性動(dòng)力分析數(shù)據(jù)基本一致，僅列出X方向靜力彈塑性分析數(shù)據(jù)。圖4為工程地震設(shè)防烈度為7度、Ⅲ類場(chǎng)地土等條件時(shí)，彈塑性靜力分析的結(jié)構(gòu)需求譜曲線和周期-加速度曲線（能力曲線）以及周期-最大層間位移角曲線。圖中性能點(diǎn)基底剪力為40742.9 kN，位移523.6 mm，地震影響系數(shù)最大值A(chǔ)max=0.500，性能點(diǎn)附加阻尼比為0.056，能力譜曲線與需求譜曲線的交點(diǎn)坐標(biāo)（T，A）=4.041 s，0.087；性能點(diǎn)最大層間位移角1/191。（圖4）

根據(jù)EPDA&PUSH的分析結(jié)果可見(jiàn)，結(jié)構(gòu)豎向剛度比較均勻，無(wú)明顯的薄弱層；x向結(jié)構(gòu)最大彈塑性位移為1/191，小于1/100，滿足規(guī)范要求。塑性鉸分布圖表明，在罕遇地震過(guò)程中結(jié)構(gòu)達(dá)到性能點(diǎn)時(shí)，框架柱均未出現(xiàn)塑性鉸，大部分塑性鉸出現(xiàn)在框架梁、次梁及連梁的兩端，框架柱具有足夠的強(qiáng)度儲(chǔ)備，能滿足“大震不倒”的性能要求。從結(jié)構(gòu)最大彈塑性位移值及中震彈性驗(yàn)算等數(shù)據(jù)分析，寫字樓符合大震中等破壞或接近大震部分構(gòu)件中等破壞。

由于靜力分析法采用的是第一基本振型，且在計(jì)算過(guò)程中假定形狀向量不變，因此僅適用于較規(guī)則的結(jié)構(gòu)，在工程的15個(gè)振型中，前幾個(gè)基本振型為主振型，高振型均為次要振型，彈塑性分析結(jié)果中靜力曲線與動(dòng)力曲線的數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)基本一致，說(shuō)明結(jié)構(gòu)比較規(guī)則，工程采用的彈塑性分析方法較為合理，這說(shuō)明工程具有較好的抗震性能和潛力。

3.2.4 中震彈性驗(yàn)算

為了考查結(jié)構(gòu)在中震時(shí)的抗震性能，用SATWE軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了中震彈性驗(yàn)算，計(jì)算時(shí)將“多遇地震影響系數(shù)最大值”設(shè)定為0.23，“框架抗震等級(jí)”和“核心筒抗震等級(jí)”都設(shè)定為四級(jí)，這樣可以使結(jié)構(gòu)在中震狀態(tài)下的計(jì)算數(shù)據(jù)更加符合實(shí)際情況。計(jì)算結(jié)果表明，除核心筒內(nèi)剪力墻的少數(shù)小墻肢、暗柱及連梁外，大部分構(gòu)件都能滿足中震彈性承載力的設(shè)計(jì)要求。對(duì)以上強(qiáng)度不足的構(gòu)件采取諸如加大配筋、改用型鋼混凝土等加強(qiáng)措施后，整體結(jié)構(gòu)均能達(dá)到中震彈性的目標(biāo)。

4 重要部位的概念設(shè)計(jì)驗(yàn)算及加強(qiáng)措施

層2樓面開(kāi)有較大洞口，設(shè)計(jì)除了采取將層2樓面板厚加厚至180 mm外，還將底層大空間的上空層3樓板加厚為150 mm，并雙層雙向配筋，針對(duì)斜柱交點(diǎn)及梁柱斜交的節(jié)點(diǎn)抗震性能差的情況，在該處柱內(nèi)設(shè)置工字型截面的型鋼，以提高其延性，增強(qiáng)其抗震性能。

5 結(jié)語(yǔ)

本工程以全新的理念和獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式，既滿足了建筑效果，同時(shí)也在滿足抗震要求的前提下最大程度地節(jié)省了工程造價(jià)，該設(shè)計(jì)方案初步得到了深圳市超限委員會(huì)專家組的認(rèn)可，這充分說(shuō)明了該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案對(duì)本工程是最優(yōu)選擇。

參考文獻(xiàn)

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