浙江某銀行辦公樓結構設計與分析

肖 陽

(同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司,上海 200092)

1 工程概況

本項目上部結構分為裙房和塔樓，出于建筑效果考慮，兩者之間不設抗震縫。塔樓地下2層，地上27層，房屋高度118.000 m。塔樓平面尺寸約為36 m×36 m，采用鋼筋混凝土框架—核心筒結構。主樓7層以下外框柱設置鋼骨。裙房地下2層，地上4層，房屋高度20.800 m。裙房平面尺寸約為90 m×68 m，采用鋼筋混凝土框架結構。1層主入口處4層～5層區域采用鋼桁架結構。地下室為兩層且連為整體，平面尺寸約112 m×110 m，埋深11.5 m～12.4 m。主樓對應地下室采用鋼筋混凝土框架—核心筒結構，其余采用鋼筋混凝土框架結構。工程為6度區，裙房范圍內樓層劃分為重點設防類；裙房以上塔樓取標準設防類。建筑效果圖見圖1。

2 結構選型

2.1 承重體系

豎向承重體系由樓面梁板結構傳遞給柱和剪力墻。

塔樓：主梁截面主要為300×700～700×1 600(部分為鋼骨梁)，次梁截面主要為250×600～300×700;4層～6層樓板厚度為150 mm，其他樓層核心筒外樓板厚度主要為120 mm，核心筒內樓板厚度主要為140 mm。框架柱主要截面為800×800～1 000×1 000(7層以下設置十字形鋼骨)，剪力墻厚度為300 mm～600 mm。

裙房：主梁截面主要為300×700～800×1 500，次梁截面主要為250×600～300×700；2層，3層樓板厚度主要為120 mm，局部樓面開洞較大處及弱連接處樓板厚度為150 mm；4層，5層樓板厚度為150 mm；柱主要截面為600×600～800×1 300(局部設置十字鋼骨)，主入口處設置φ1 450鋼骨柱(圓柱)。桁架兩端框架柱截面1 100×1 400(鋼骨截面：H1 000×600×50×50)。

2.2 抗側力體系

結構的抗側剛度由剪力墻和框架柱共同提供。通過調整抗側力構件的布置，使得質心和剛心盡量接近，加強整體結構扭轉剛度，盡可能減小扭轉效應。在結構弱連接處及結構豎向收進處樓板厚度增加至150 mm，減小樓板水平拉應力并使樓板有效傳遞水平力。

2.3 鋼桁架布置

裙房主入口頂部4層～5層采用鋼桁架結構，最大跨度約為56 m，與鋼桁架連接的左右各一跨混凝土框架采用鋼骨混凝土形式以保證組合結構的有效連接及應力分配(見圖2)。

2.4 屈曲約束支撐

5層裙房南側由于桁架作用，剛度較大，層間位移小，原X向位移比大于1.5；為滿足層間位移比要求塔樓北側設置屈曲約束支撐，增加剛度，減少北側層間位移后，位移比小于1.4(見圖3)。

2.5 梁上立柱

根據建筑需求，在24層，塔樓右側5顆框架柱不連續(梁上立柱)，采用鋼骨梁轉換，轉換梁截面為850×1 500(H1 000×500×20×40)，上部結構荷載由轉換梁傳遞給兩側的框架柱，轉換梁及兩側框架柱抗震等級均提高一級。

2.6 塔冠

塔冠結構位于塔樓屋面設備層(建筑標高118 m)以上，總高度約為17.8 m。平面投影為正方形，尺寸約為39 m×39 m。整個塔冠結構由核心筒+外圍鋼骨混凝土柱+四周環向鋼梁+屋蓋鋼梁組成(見圖4)。

3 結構抗震等級及性能目標

結構抗震等級見表1。

表1 結構構件抗震等級

預設性能目標：D級。

4 超限判別

本單體具有扭轉不規則(位移比大于1.2)、樓板不連續(地上4層，5層裙房局部有效寬度47%)、構件間斷(地上24層～27層部分框架柱不連續)、承載力突變、局部不規則(穿層柱)5項小超和塔樓偏置(單塔與大底盤的質心偏心距與底盤相應邊長之比X向為33%，Y向為30%，大于20%)一項大超[1]。

5 小震分析

5.1 小震反應譜法主要計算結果

計算結果見表2。

表2 主要計算結果

主要結論：

1)兩種軟件的計算結果基本一致，計算結果可靠，雖然部分結果存在一定偏差，但變化規律、基本形態均相同。

2)結構具有適當的強度和剛度，滿足各種工況下的計算要求。

5.2 彈性時程分析

時程分析見表3。

主要結論：

1)每條時程曲線下結構底部剪力均大于反應譜法計算結果的65%，多條時程曲線下結構底部剪力平均值大于反應譜法計算結果的80%，滿足GB 50011—2010建筑抗震設計規范(簡稱抗規)的規定[2]。

2)時程分析方法顯示結構的反應特征、變化規律與反應譜法分析基本一致。時程分析法的計算結果均略小于反應譜法計算結果，反應譜法采用的地震影響系數不需要放大。

表3 時程分析與反應譜分析的底部剪力對比

6 中震分析

地震影響系數最大值αmax=0.12，特征周期Tg=0.35 s，阻尼比取0.05。內力調整系數取1.0，材料強度取設計值。分析目的主要是計算關鍵構件配筋及樓板應力，用于指導關鍵構件和樓板的配筋設計，作為多遇地震組合構件承載力設計的補充。中震的計算結果表明：

1)裙房樓面弱連接處的框架梁在中震彈性計算下未超筋，與小震組合下配筋相比，配筋增加約10%～15%；塔樓框架梁在中震彈性計算下未超筋，與小震組合下配筋相比，配筋增加約5%～15%。

2)裙房對于躍層柱、樓面弱連接部位的柱，在中震彈性計算下未超筋，柱配筋增加5%以內；塔樓框架柱在中震彈性計算下未超筋，個別柱配筋增加15%以內。

3)核心筒內剪力墻，在中震彈性計算下不超筋，局部水平筋增加30%左右，豎向筋基本無增加，個別邊緣構件配筋由構造配筋增加為計算配筋。

4)核心筒部位墻肢均未出現拉應力，滿足規范要求。

5)最大樓板應力發生在5層，最大樓板應力1.83 kPa，小于混凝土強度標準值。

對于樓面樓板加強措施：

1)塔樓自大底盤收進部分及上下各一層(4層～6層)樓板的厚度采用150 mm。

2)在陰角處配置附加雙層斜向鋼筋，增強樓板受力性能。

3)對洞邊混凝土梁，拉通面筋并加強腰筋配置。

7 大震彈塑性時程分析

采用MIDAS軟件進行大震下的彈塑性時程分析。混凝土本構關系采用GB 50010—2010混凝土結構設計規范(2015年版)(簡稱混規)附錄C[3]中的單軸受壓應力—應變本構模型，采用一維桿件模型模擬梁、柱兩種桿單元。構件的塑性損傷采用集中鉸模擬。在框架柱兩端設置P-M-M鉸。混凝土柱及鋼骨混凝土柱構件的滯回模型采用程序自帶的隨動強化三折線滯回模型(見圖5,圖6)。

主要結論：

1)大震下結構處于穩定狀態，滿足“大震不倒”的設防目標。

2)大震作用下，基底剪力是小震作用下5倍～6倍，最大層間位移角1/393遠小于1/100，可判斷結構整體上進入了輕微～輕度(偏輕微)的塑性，見表4。

表4 各地震工況下的基底剪力

序號地震波X主向Y主向基底剪力/kN剪重比/%基底剪力/kN剪重比/%1RH434 3134.0135 3904.142TH644 4685.2046 4855.433TH10945 3685.3037 1624.344平均值41 3834.8439 6794.645CQC7 4430.877 4860.876包絡值與小震彈性比值5.565.30

3)桁架及所連框架柱、體型收進處上下各兩層塔樓框架柱基本無損壞或者有輕度損壞，大跨框架及躍層柱有輕度損壞。底層柱最多至第一屈服狀態，開裂但尚未屈服。連梁大部分進入第二屈服狀態，起到很好的塑性耗能作用。

4)核心筒大部分處于彈性，墻體剪切變形基本處于彈性狀態；框架柱基本處于彈性階段；框架梁及連梁端部形成充分的塑性鉸，實現了耗能機制。結構具有良好抗震性能，能實現既定的抗震性能目標。

5)鋼連廊構件全部處于彈性狀態，具有一定的安全儲備。

6)防屈曲約束支撐在大震作用下未損壞，能夠很好的發揮作用。

8 溫度作用分析

考慮季節溫差及混凝土徐變影響，進行溫度作用分析，計算結果顯示，2層～5層最大拉應力分別為1.4 MPa，1.2 MPa，0.7 MPa,0.6 MPa。下部樓層豎向構件(柱及剪力墻)變形較小，與樓板收縮變形不協調產生拉應力，但均未超過C30混凝土抗拉強度設計值1.43 MPa。上部樓層雖然樓面長度超長，但樓層較高處豎向構件變形較大，對樓板平面剛度約束較弱，故樓板溫度應力不顯著(見圖7)。

9 鋼桁架樓面舒適度分析

裙房主入口上方(標高15.950)處鋼桁架，跨度55 m，高度5.5 m，上弦梁截面為H1 400×700×60×60，H1 200×500×60×60；下弦梁截面為H950×700×60×60，H650×450×30×30，豎桿截面為H1 000×450×60×60，斜桿截面為H500×450×20×25，H400×450×20×20，鋼材標號為Q420GJC，板為150 mm厚C30的鋼筋桁架樓板(見圖8)。

JGJ 3—2010高層建筑混凝土結構技術規程(簡稱高規)第3.7.7條[4]規定樓蓋結構豎向振動頻率不宜小于3 Hz；混規第3.4.6條規定樓蓋結構豎向振動頻率辦公樓不宜小于4 Hz，大跨度公共建筑不宜小于3 Hz。使用YJK1.9.1軟件進行舒適度分析，鋼桁架部位樓板在考慮1.0D+0.5L為質量源情況下，豎向振動頻率為4.4 Hz，滿足規范要求。

10 躍層柱計算長度確定

表5 躍層柱計算長度

裙房主入口上方鋼桁架存在躍層柱，最大躍層層高為16 m，采用歐拉屈曲公式，對躍層柱的計算長度進行確定，選取整體模型通過下式，得到框架柱的計算長度(見表5，圖9)。

11 主要結論

鑒于本工程的設防烈度、場地條件、不規則的情況以及經濟性等方面的綜合考慮，本工程結構抗震設計設定了與建筑物本身相匹配的較為合理的性能目標。由于在結構設計中采取了較為合理的結構布置，并對結構的薄弱處采取了有效的措施，從而減少了不規則帶來的不利影響。由計算結果分析得知，結構設計實際達到C級性能目標，超過了預設的標準。結構具有良好的抗震性能，計算結果滿足抗規和高規的要求。