南京南部新城某超限辦公樓結構設計

呂恒柱,李 瀚,石 英,徐從榮

(南京金宸建筑設計有限公司,江蘇 南京 210019)

南京南部新城某超限辦公樓結構設計

呂恒柱,李 瀚,石 英,徐從榮

(南京金宸建筑設計有限公司,江蘇 南京 210019)

南京南部新城某超限辦公樓地面以上高度144.7 m,采用框架-核心筒結構。針對結構超高、樓板局部開大洞、局部穿層柱及偶然偏心下的扭轉不規則等超限情況,采取相應抗震措施,并通過多種分析軟件進行小震反應譜計算,小震彈性時程分析和大震靜力彈塑性時程分析。同時,介紹了基礎設計的相關內容。結果表明,采取相應措施后,各項指標均滿足規范要求,并滿足設定的性能目標要求,結構具有良好的抗震性能。

超限高層建筑; 抗震性能目標; 彈塑性時程分析; 結構設計

1 工程概況

圖1 建筑效果圖

本項目位于南京市雨花臺區南部新城內,東臨石林家樂家廣場。上部由一棟超高層辦公樓,一棟高層酒店式公寓,一棟高層LOFT辦公樓和一棟多層商業裙房組成(圖1),總建筑面積170 892 m2,主要包括商務辦公、酒店式公寓和商業等功能。項目整體設3層地下室連為一體,地下3層戰時為人防工事,地下3層～地下1層平時均為車庫及設備用房。地下3層和地下2層層高為3.80 m,地下1層層高為6.20 m。地面以上各單體間設抗震縫,分為獨立的抗震單元。本文主要介紹超高層辦公樓的結構設計,該辦公樓地上35層,結構主體高度為144.7 m,首層層高為5.20 m,以上各層層高均為4.1 m,其中12層和24層為避難層。其緊鄰的商業裙房共4層,總高度為19.8 m。

本工程設計使用年限為50年,安全等級為二級,抗震設防類別為標準設防類(丙類),地震設防烈度為7度,設計基本地震加速度值為0.10 g,設計地震分組為第一組,建筑場地類別為Ⅲ類,特征周期值為0.45 s,地基基礎設計等級甲級,基本風壓按50年一遇取值為0.40 kN/m2(承載力設計時按基本風壓的1.1倍采用),地面粗糙度類別為B類。

2 結構體系

辦公樓高144.7 m,屬B級高度的高層建筑,采用框架-核心筒結構。其核心筒容納了建筑的垂直交通功能,并承擔豎向及水平向荷載作用,布置于樓層平面的中心位置,使得結構質心和剛心能夠基本相互重合,2層和標準層結構平面布置圖見圖2、圖3。核心筒剪力墻和外圍框架柱自基礎至屋面機房層貫通連續(除頂層屋面局部收進外),墻體截面厚度及柱平面尺寸沿豎向逐漸減小,結構體系的主要尺寸見表1,主要抗側力構件尺寸見表2。除-6.20～9.30 m標高段的外圍框架柱采用型鋼混凝土外,其余部分均為鋼筋混凝土。結構標準層為減輕結構自重,從而減小板厚,采用井字梁布置方式以減小板跨,核心筒區域板厚120 mm,普通樓層板厚100 mm,板跨較大處適當加厚。地下室頂板作為工程嵌固端,板厚不小于180 mm,采用剪切剛度法計算的嵌固端上下層剛度比滿足《建筑抗震設計規范(GB 50011—2010)》[1](以下簡稱抗規)要求。

圖2 2層平面布置圖

圖3 標準層平面布置圖

依據《高層建筑混凝土結構技術規程(JGJ 3—2010)》[2](以下簡稱高規)規定,本工程結構框架與核心筒的抗震等級均為基礎頂～-10.05 m標高段為三級,-10.05～-6.25 m標高段為二級,-6.25 m～屋面標高段為一級,其中,-0.05～9.25 m標高段為底部加強區,其結構抗震構造措施提高至特一級。

表1 結構體系的外部尺寸 m

表2 主要抗側力構件尺寸隨高度變化情況

3 基礎設計

因地下室底板底標高至⑤-1層強風化泥巖距離很近(2～5 m不等),根據上部結構荷載情況,若采用預制管樁,受樁長限制,無法達到所需的承載力要求,因此樁基類型采用鉆孔灌注樁,并選擇800 mm和900 mm兩種直徑的樁型作經濟性比較。樁基計算均以⑤-2層中風化粉砂質泥巖為持力層,巖石飽和單軸抗壓強度標準值為2.33 MPa,屬于極軟巖。為提高單樁承載力,滿足設計需要,入巖深度取10.0 m。同樣的入巖深度,900 mm直徑樁相較于800 mm直徑樁,雖承載力提高了1.12倍,但混凝土用量增加了1.27倍,且900 mm直徑樁未能充分利用樁身強度,因此，800 mm直徑樁更為經濟。同時,核心筒區域單位面積荷載重,樁數多,布樁面積較大,小直徑的樁型更有利于核心筒下的布樁。綜合考慮以上因素,最終選擇800 mm的灌注樁,樁基設計等級為甲級。因場地內各巖土層分布有較大起伏,實際以⑤-2層中風化粉砂質泥巖或⑤-3層中風化細砂巖作為樁端持力層,進入持力層深度分別不小于10 m和2.4 m,有效樁長約13～17 m,樁身混凝土強度等級為C35,單樁抗壓承載力特征值為 5 000 kN。核心筒區域筏板厚2.7 m,其余位置防水底板厚0.8 m。周邊裙房及純地下室采用筏板基礎,筏板厚0.8 m,抗沖切不滿足處增加1.2 m厚柱墩,自重不滿足抗浮設計部位,采用直徑600 mm的抗拔鉆孔灌注樁進行抗浮設計,抗拔樁有效樁長約8.5～11 m,單樁抗拔承載力特征值為1 000 kN,均勻布置于筏板內。

本工程自身荷載及剛度分布不均勻,核心筒面積占樓層總面積的22.5%,但荷載占比達55%,其剛度較外圍框架柱大,與其緊鄰的多層裙房在荷載及剛度方面的差異更大,設計需控制核心筒與外圍框架柱之間以及辦公樓與裙房之間的沉降差異。辦公樓以巖層作為持力層,自身沉降變形能夠滿足規范要求。通過采取增大核心筒區域內布樁系數,辦公樓與周邊地下室之間設置沉降后澆帶,沉降穩定后封閉等措施,解決相互間的沉降差異。

樓層的剖面示意圖見圖4。

圖4 樓層剖面示意圖

4 結構超限情況

結合抗規[1]、高規[2]及《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》(建質[2015]67號)判斷本工程結構存在的不規則情況如下：1)考慮偶然偏心的扭轉位移比最大為1.27大于1.2,為扭轉不規則；2)2層樓面開洞面積超過該層樓面面積的30%達70%(圖2),且樓板有效寬度小于50%,造成樓板不連續,為平面不規則,而且產生局部穿層柱；3)34層存在梁抬柱結構轉換,其上下墻、柱和支撐等豎向抗側力構件不連續,為豎向不規則。則經平面和豎向歸并后共存在3項一般不規則,本工程無特別不規則情況。綜上所述,辦公樓為具有3項一般不規則的B級高度超限高層建筑。

5 結構抗震性能目標及加強措施

針對結構超限情況,綜合考慮結構不同部位構件的重要性,本工程抗震性能目標設定為D級,并對關鍵部位(如2層開大洞處的穿層剪力墻、框架柱及底部加強區其余部位的剪力墻和框架柱)提出更高的性能目標,具體目標表述如下：

1)結構在小震作用下完好、無損傷,不需修理即可繼續使用。

2)中震作用下,底部加強區及上下層剪力墻和框架柱保持抗剪彈性,抗彎不屈服(加強區提高為彈性),框架梁和連梁等耗能構件中度損傷,部分比較嚴重損壞。宏觀損傷程度為中度損壞,修復或加固后可繼續使用。

3)大震作用下,底部加強區及上下層剪力墻和框架柱抗剪不屈服,不允許斜截面剪切破壞,滿足截面抗剪的控制條件,允許局部正截面屈服。普通豎向構件部分損壞比較嚴重。宏觀損壞程度為需要排險大修。

為實現上述抗震性能目標并考慮本工程結構存在的不規則,設計采取的主要加強措施如下：

1)補充計算小震作用下的彈性時程分析。

2)采用PKPM軟件對結構進行大震下的靜力彈塑性推覆分析,以考察結構的抗震性能,研究各部位變形形態和破壞狀態,對分析中發現的薄弱部位采取有針對性的加強措施,保證重要部位不屈服,并控制整體結構的塑性變形滿足規范要求。

3)對底部加強區核心筒剪力墻、框架柱以及在中震不屈服工況下出現偏心受拉的底部加強區其余樓層的剪力墻,抗震構造措施按特一級進行加強。

4)對2層樓板開大洞所形成的穿層柱內設型鋼并適當加大截面尺寸,以提高其承載力和延性。

5)多條框架梁與核心筒角部剪力墻搭接,墻肢受力復雜,全高設置約束邊緣構件,其余核心筒外墻的約束邊緣構件延伸至軸壓比不大于0.3的高度。

6)嚴格按規范要求控制剪力墻、框架柱的軸壓比(剪壓比),保證剪力墻和框架柱的延性,從而提高整個結構的變形能力。

7)在施工圖構件配筋階段,對結構角柱的剪力、彎矩增大系數進行適當放大,配筋作適當加強。

6 結構分析

6.1 小震反應譜計算與分析

結構分別采用SATWE和Midas Building兩種軟件進行結構小震計算。模型總體參數計算均未帶地下室相鄰跨。兩種軟件的計算結果對比見表3。

表3 兩種軟件的計算結果對比

計算結果表明,本工程核心筒尺寸較規則,兩個方向的剛度、周期和振型接近,結構整體具有良好的抗扭剛度和抗側剛度。圖5和圖6分別為各樓層框架地震剪力占結構底部總剪力值的百分比和規定水平力作用下各層框架承擔的地震傾覆力矩與結構總地震傾覆力矩的比值?？芍?結構底層總地震剪力的10%分別為Vx=1 429 kN、Vy=1 450 kN,框架部分各樓層剪力最大值為Vx=2 575 kN(11F)、Vy=2 710 kN(11F),滿足高規[2]第9.1.11條規定。當X向和Y向的樓層框架地震剪力百分比小于底部總剪力的20%時,框架柱按不小于結構底部總剪力20%和框架部分樓層地震剪力最大值的1.5倍兩者的較小值進行剪力調整。底層框架承擔的雙向傾覆彎矩比均小于50%,亦滿足高規[2]的相關要求。

圖5 各層框架地震剪力百分比

圖6 各層框架傾覆彎矩比

6.2 小震彈性時程分析

本工程采用SATWE程序自帶的一條人工波(RH1TG045)和兩條天然波(TH4TG045、TH1TG055)進行小震彈性時程分析。計算時地震波有效峰值加速度調整至規范值35 cm/s2,各條波以雙向水平的地震波輸入,主、次方向峰值加速度最大值按1∶0.85的比例來調整。彈性時程分析的結構基底剪力見表4,層剪力分布情況見圖7?？芍?時程曲線計算所得結構底部剪力滿足抗規[1]第5.1.2條要求,頂部區段樓層剪力結果略大于反應譜結果,對這些樓層取時程分析和反應譜結果的包絡作為設計依據,取時程分析剪力與反應譜剪力的比值作為放大系數,進行結構驗算。

表4 彈性時程分析基底剪力

注:表中括號內為各條地震波計算的基底剪力占振型分解反應譜結果的百分比。

圖7 彈性時程與反應譜分析層剪力

6.3 大震靜力彈塑性時程分析

考慮本工程總高144.7 m,平面較規則,根據高規[2]第3.11.4條規定,選用PKPM的PUSH&EPDA相關模塊進行大震下靜力彈塑性分析,用于分析的實配鋼筋按照SATWE計算得到的配筋,側推荷載采用“倒三角”形式。

靜力推覆結果顯示,X向的需求層間位移角為1/199,所對應的層號為21層,與需求點對應的總加載步號為35.5；Y向的需求層間位移角為1/214,所對應的層號為21層,與需求點對應的總加載步號為29.7,均滿足大震作用下規范變形限值1/100的要求,且有較大的余量。

由推覆所得結構桿端塑性鉸及墻體裂縫發展歷程可知,大震下,核心筒內小部分連梁出現剪切破壞,形成塑性鉸,隨著地震作用的持續增大,至性能點處,大部分連梁開裂并屈服,大震作用下剛度明顯退化,外圍框架梁產生較多塑性鉸,與連梁一道參與結構的整體耗能。豎向構件方面,個別框架柱開裂,但未進入屈服狀態,而底部加強區剪力墻部分屈服,說明加強區墻體比較薄弱,通過提高抗震構造措施等級,增加配筋,在設計中予以加強。雙向性能點基底剪力與小震彈性下基底剪力的比值均處在3.0～5.0之間(表5),符合通常規律?？傮w而言,大震作用下結構的彈塑性反應及破壞形態符合性能目標要求。

表5 性能點與小震彈性基底剪力的比值

7 結構抗震性能化設計和加強措施

7.1 穿層柱設計

7.2 2層樓板性能分析與設計

樓板對于結構整體作用非常重要,為了分析2層樓板局部開大洞對水平地震剪力傳遞的影響,采用Midas Building對2層及3層樓板按彈性膜進行詳細應力分析,部分計算結果圖形見圖8。在小震作用下,2層和3層樓板拉應力基本小于0.2 MPa,雙向最大拉應力分別為1.11 MPa和1.3 MPa,均小于樓層C35混凝土軸心抗拉強度標準值1.57 MPa。高應力區主要分布于核心筒和外部樓板相接處,因設置井字梁,板跨較小,樓板鋼筋正常受力狀態下應力較小,可大部分用于抵抗地震力作用。中震彈性工況下,局部樓板出現裂縫,板中的主拉應力設置鋼筋承擔,鋼筋面積由公式σ1,中震=fyAs/(rREhs)計算得出,公式中h為樓板厚度,s為板筋間距。施工圖階段,對2層、3層樓板進行加強,板厚130 mm,雙層雙向配筋,并根據在地震作用下的應力分布,除計算配筋外,對應力較大處適當加強配筋。樓板與洞口分界的1～5軸邊梁尺寸加大,保證框架邊梁與核心筒外墻的可靠連接。

圖8 小震工況下2層樓板應力圖

圖9 地震作用下首層墻體剪壓比

7.3 底部加強區核心筒剪力墻性能驗算

為實現底部加強區核心筒剪力墻設定的抗震性能目標,采用SATWE軟件進行中震和大震工況下驗

算與分析,找出結構的薄弱部位。計算結果分析如下：1)底部加強區核心筒剪力墻的軸壓比規范限值為0.5,實際控制在0.45以內,使墻肢具有良好的延性；2)中震彈性工況下,首層部分剪力墻出現偏心受拉,設計剪力墻按特一級的抗震構造措施進行加強后,經計算復核,偏心受拉的剪力墻在水平地震下墻肢全截面由軸向力產生的平均名義拉應力均小于混凝土的抗拉強度標準值,滿足彈性要求；3)圖9為中震彈性和地震不屈服工況下首層墻體剪壓比計算結果,可以看出,大震下底部加強區核心筒剪力墻能夠滿足抗剪不屈服和截面抗剪的控制條件。

綜上所述,底部加強區核心筒剪力墻的抗剪和抗彎均滿足性能目標要求。施工圖設計階段,底部加強區核心筒剪力墻和框架柱的抗剪和抗彎鋼筋按小震彈性和中震彈性的大值進行配筋。

8 結 語

本工程采用框架-核心筒多重抗側結構體系,整體結構構件融入性能設計思想,重點部位采取嚴格的抗震構造措施,通過對底部加強區范圍內混凝土框柱設置型鋼，嚴格控制底部加強區剪力墻軸壓比及適當上延約束邊緣構件設置高度等措施,使得結構整體延性得到加強,大震彈塑性時程分析結果表明結構抗震性能良好。工程已于2016年5月通過江蘇省超限專項審查論證。

[1] 中國建筑科學研究院.GB 50011—2010 建筑抗震設計規范 [S].北京：中國建筑工業出版社,2010．

[2] 中國建筑科學研究院.JGJ 3—2010 高層建筑混凝土結構技術規程 [S].北京：中國建筑工業出版社,2010．

[3] 傅學怡.實用高層建筑結構設計 [M].北京：中國建筑工業出版社,2010．

收稿日期： 2017-05-12

作者簡介： 郭 躍(1981—)，男，浙江嘉興人，工程師，從事巖土工程設計工作。

Structure Desgin on an Over-Limited Office Building of the New Southern Town of Nanjing

LYUHengzhu,LIHan,SHIYing,XUCongrong

2017-03-20

呂恒柱 (1980—),男,江蘇徐州人,高級工程師,從事基礎優化及超限高層設計工作。

TU397

B

1008-3707(2017)06-0012-07