某體形扭轉的高層結構設計

廖昉，馬悅，梁濤

（1重慶城市綜合交通樞紐（集團）有限公司，重慶 400025；2中機中聯工程有限公司，重慶 400039）

1 工程概況

該工程為重慶市仙桃數據谷項目二期工程1#樓。1#樓為建筑功能辦公建筑，地下2層，地上25層。單棟建筑面積約2.2萬m2，建筑結構為框架-核心筒結構，結構高度為103m。工程設計年限為50年。結構安全等級為二級，場地類別為Ⅲ類，抗震設防烈度為6度，設計地震分組為第一組。基本風壓取50年一遇w0=0.40kN/m2進行承載力設計，地面粗糙度為B類。結構嵌固端于基礎頂部。整體建筑效果圖如圖1所示。

圖1 建筑效果圖

2 結構設計

2.1 結構體系的選擇

該項目外形由從底到頂的斜向豎線條構成，形成貫穿建筑的立面斜向線條，斜線條沿底層平面邊界指向屋頂，沿順時針方向形成體形，并勾勒出各層平面。為滿足建筑外立面需求，從結構體系、工程造價和施工工藝等多方面進行了對比分析，最后確定采用中間設置核心筒，結合建筑平面在變化較大的位置周邊設置沿法向變化的斜框架柱。該方案斜柱相對于核心筒對稱設置，傳力合理也沒有大跨度懸挑梁。方案典型樓層平面布置圖：2層、6層、14層、20層和27層 （屋面）， 如圖2所示。

圖2 建筑效果圖典型樓層平面布置圖

從圖2中可以看出，該樓形成了兩頭大中間小的建筑形態，2層和屋面層的單層建筑面積約為1004m2，細腰部14層的單層建筑面積為803m2。采用框架-核心筒體，斜柱相對于核心筒兩兩對稱。斜柱通過水平構件傳遞到核心筒，對稱布置的斜柱軸力產生的水平分力與水平荷載作用方向相反，相互抵消。

2.2 主要構件尺寸及材料

核心筒外圍剪力墻厚度X向為400mm，Y向為500mm，到屋頂厚度變為300mm，內部墻厚為200mm、250mm、300mm等尺寸。外圍框架柱截面尺寸為Φ1000×30mm，Φ900×30mm，Φ900×25mm鋼管混凝土，混凝土框架梁均采用型鋼混凝土梁，截面為400mm×600mm， 內藏H型鋼400mm×475mm×12mm×20mm。混凝土強度等級：剪力墻為C50～C30，鋼管柱為C50～C40，標準層梁板混凝土標號為C40。型鋼均采用Q345B。結構計算模型如圖3所示。

圖3 結構計算模型

3 結構分析

3.1 整體計算結果

本文利用工程計算軟件盈建科對該結構進行多遇地震作用下的振型分解反應譜計算分析。CQC法的計算結果如表1所示。可以看出，整體結構計算結果均滿足《建筑抗震設計規范》[1]和《高程建筑混凝土結構技術規程》[2]要求。

表1 多遇地震CQC法計算結果

3.2 樓面水平構件內力分析

由于建筑功能布置原因，核心筒X向為整片剪力墻，而Y向由于門洞和設備洞口原因需要開洞，核心筒角部的關鍵區域墻肢較短，截面分別為500mm×1200mm和500mm×1550mm，根據結構特點，針對核心筒關鍵墻肢做剪力分析。地震計算工況為中震彈性，水平地震影響系數為0.12，荷載組合為1.2×恒+0.6×活+1.3×中震，分析方向為Y向，材料強度取設計值。結合現有研究的分析思路和方法[3-4]，確定該結構的關鍵構件并編號，如圖4所示。

關鍵構件的計算結果如表2—表4所示。

表2 2層核心筒關鍵墻肢剪力統計

表3 14層核心筒關鍵墻肢剪力統計

表4 27層核心筒關鍵墻肢剪力統計

分析表2—表4可以發現，底層部分的剪力主要由地震力貢獻，但斜柱的水平分力對核心筒產生了較大的附加剪力。

3.3 樓面水平構件內力分析

基于結構體形特點，在豎向荷載作用下斜柱軸力的水平分力傳遞到水平構件和核心筒上，因此通過YJK計算分析水平構件的軸力，樓板采用彈性膜，考慮樓板的面內剛度，框架梁中震工況軸力情況如表5所示。

表5 框架梁中震工況軸力統計

從表5可以看出，由于斜柱受力特性，重力荷載對水平構件產生的軸力較大，2層主要為拉力，14層和27層主要為壓力。

4 針對斜柱采取的措施

通過多結構的受力分析，斜柱軸力的水平分力主要由框架梁傳遞，且建筑對室內凈空有嚴格要求，故通過在框架梁內設置型鋼來提高框架梁的承載力。具體措施如下：

（1）W1—W4等關鍵核心筒墻肢內設型鋼，與斜柱相連的暗柱設置型鋼增加剪力墻的抗剪能力，按中震彈性對關鍵構件進行設計；

（2）框架梁內設置型鋼，增加框架梁受拉和受壓承載力，根據所受拉力和壓力大小來合理設置型鋼的截面；

（3）外圍框架梁內設置型鋼，增加外圍框架梁剛度；

（4）2層斜柱轉直柱層采用180mm厚樓板，標準層采用140mm厚樓板增加平面內剛度，設計時結合應力分析結果進行配筋。

5 整體屈曲分析

由于周邊斜柱在結構抗側力體系和豎向傳力體系中發揮著至關重要的作用，需要通過整體屈曲分析來了解結構屈曲模態和對應的屈曲因子，從而對影響結構的薄弱部位進行加強。通過1.0恒載+0.5活載的屈曲計算分析得出表6中的屈曲因子。從計算結果看出，屈曲因子均大于61，表明結構具有良好的整體穩定性，第一屈曲模態出現為層高較高的1層（均為直柱），在后期設計階段會將該位置柱截面加大。

表6 屈曲分析結果

6 靜力彈塑性（PushOver）分析

為分析結構在大震下的抗震性能并發現結構薄弱部位，采用軟件YJK-PushOver對結構進行靜力彈塑性（PushOver）推覆分析。

非線性分析時，考慮P-Δ二階效應的影響。隨著側推荷載的逐步增大，結構位移逐漸增加，從而得到基底剪力-位移曲線，轉化為結構的能力譜。能力譜和需求譜交點即為性能點。該點對應的結構狀態應處于目標性能范圍之內。結構所承受的初始豎向荷載為重力荷載代表值，即1.0×恒+0.5×活，材料強度取標準值。該結構X向的動力特性和結構剛度較弱，故主要分析X向的計算結果，罕遇地震作用下需求譜-能力譜曲線如圖5所示。

圖5 罕遇地震作用下結構需求譜與能力譜曲線關系

從圖5可以看出，結構的性能點對應的最大彈塑性層間位移角為1/489（25層），滿足規范1/100的限值。頂點位移為147.8mm，對應的底部總剪力為20459.5kN。

結構在罕遇地震作用下性能點的結構損傷狀態如圖6所示。

圖6 罕遇地震作用下性能點結構損傷狀態

從推覆分析的過程中可以發現，結構的塑性鉸首先出現在上部樓層核心筒中間的連梁上，隨后出現在核心筒與外框柱（斜柱和直柱）的框架梁上，隨著荷載進一步增加，部分連梁和框架梁出現了輕微損傷，部分核心筒底層洞口兩側的剪力墻出現輕微損傷，外框柱（斜柱和直柱）僅僅在塔樓上部1/2范圍出現了較多輕微損傷。整個推覆分析損傷情況顯示結構具有較高的安全儲備，能夠達到大震不倒的性能目標。

7 斜柱N-M曲線

斜柱受力特性復雜，與直柱相比承受更大的彎矩。同時，斜柱框架柱是此結構的關鍵構件，因此對結構框架柱提出了在設防地震作用下保持彈性的性能要求，并在中震彈性工況下進行正截面承載力驗算，以分析斜柱構件承載能力的富余度。本文讀取YJK軟件框架柱內力計算結果，得到了圖7所示的重要斜柱KZ1和圖8所示重要斜柱KZ3的N-M曲線。

圖7 KZ1中震彈性N-M相關曲線

圖8 KZ3中震彈性N-M相關曲線

分析圖7和圖8可以發現，中震彈性工況下各點均處于外圈包絡曲線以內，N-M曲線的包絡情況良好，兩個重要斜柱能夠滿足承載力要求且具有較大的富余度。

8 節點設計

根據斜柱和水平構件內力的分析結果，在結構2層位置由斜柱轉為直柱的范圍構件內力較大，考慮到此節點較為關鍵，對該節點進行加強設計。在對比多種節點轉折構造后，最終采用的設計方案為在節點核心區設置4個厚20mm內加勁環板，并通過8個平均分布的豎向加勁板把4個厚20mm加勁環板連接在一起，如圖5所示。節點的鋼材均采用Q345B級鋼，構件連接采用坡口焊，整個節點在工廠加工，在現場進行上下柱位置焊接，保證其完整性和精度。斜柱典型節點設計及透視圖如圖9所示。

圖9 斜柱典型節點設計圖

9 風荷載補充分析

因該工程建筑外觀扭轉明顯，本文根據顧磊、張默、黃瀅等[5-7]的應用經驗，利用工程軟件ANSYS-FLUENT，以Transition-SST模型分析了風荷載對結構設計的影響。

該工程首先通過曲面處理軟件處理了建筑模型，然后通過AutoCAD、ANSYS Structural/FLOTRAN等軟件進行模型的轉換工作。本文在FLUENT中采用速度進口邊界條件velocity-inlet和壓強出口邊界條件，定義風場為B類風場，編寫腳本文件并在FLUNET中讀入，實現了隨高度變化的入射風場，完成了該結構的風荷載有限元分析。

圖10 風荷載影響壓強分析云圖（單位：Pa）

圖11 風荷載影響流速分析云圖（單位：m/s）

經過計算所得到的分析結果云圖如圖10和圖11所示。

從圖10和圖11中可以看出，風荷載對該結構產生明顯的不利影響，采用現行規范中的相關荷載要求能夠包絡風荷載有限元分析的結果。

10 結論

（1）該工程為建筑立面扭轉的工程，經過分析比較，確定了核心筒加外框斜柱的結構方案。

（2）對結構進行了整體分析，分析了設置斜柱對核心筒和框架梁產生的不利影響，根據分析結果提出了對核心筒關鍵墻肢內設型鋼、框架梁內設置型鋼和加厚樓板等針對性措施。其次補充了整體屈曲分析，屈曲因子均大于61，結構具有良好的整體穩定性。

（3）對結構進行了靜力推覆分析，結構的性能點對應的最大彈塑性層間位移角為1/489（25層），滿足規范1/100的限值。整個推覆分析損傷情況顯示結構具有較高的安全儲備，能夠達到大震不倒的性能目標。

（4）補充分析了風荷載對扭轉外立面的不利影響，對后期的結構設計和幕墻設計提供了數據參考。