通州核心區(qū)Ⅱ-05 地塊超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王志軍，杜志強(qiáng)，劉性碩，劉天水，張敬花

（北京三磊建筑設(shè)計(jì)有限公司，北京100048）

1 工程概況

本工程位于北京市通州核心區(qū)，東北至溫榆河西濱河路西邊線，緊靠溫榆河和源頭島，西鄰溫順公路，南鄰?fù)ㄑ嗦?。?xiàng)目共有2 幢塔樓，地上42 層，主要功能為公寓，主屋面高度145.60m，塔冠高度167.20m，15 層及30 層設(shè)置2 個(gè)避難層，層高4.0m，首層層高3.90m，2～29 層層高3.30m，31～42 層層高3.60m，局部樓層涉及戶型轉(zhuǎn)換，層高略有調(diào)整。地下5 層，主要功能為人防、汽車庫(kù)及設(shè)備用房，層高3.4～3.6m 不等。建筑安全等級(jí)為二級(jí)，重要性系數(shù)1.0，設(shè)計(jì)使用年限50 年，抗震設(shè)防類別屬于丙類，抗震設(shè)防烈度為8 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.20g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，Ⅲ類場(chǎng)地，場(chǎng)地特征周期0.55s，基本風(fēng)壓0.45kN/m2，地面粗糙度按C 類，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)，采用樁基礎(chǔ)。

2 結(jié)構(gòu)布置

本工程平面長(zhǎng)×寬為47.10m×25.20m，核心筒長(zhǎng)×寬為24.20m×10.75m，Y方向核心筒高寬比為13.54，典型樓層結(jié)構(gòu)平面布置圖如圖1 所示，建筑效果圖如圖2 所示，結(jié)構(gòu)立面圖如圖3 所示。

圖1 典型樓層結(jié)構(gòu)平面布置圖

圖2 建筑效果圖

圖3 結(jié)構(gòu)立面圖

本工程主屋面高度為145.60m，超出B 級(jí)（8 度，0.2g）鋼筋混凝土高層建筑最大使用高度140m 的要求，為避免出現(xiàn)超限問(wèn)題，固初步選定結(jié)構(gòu)體系采用鋼管混凝土-鋼筋混凝土核心筒。且由于本工程核心筒Y方向高寬比為13.54，規(guī)范[2]建議值為12，超出規(guī)范約12.8%，且由于作為公寓，凈高要求較高，樓面梁采用鋼梁，在結(jié)構(gòu)體系初選過(guò)程中，Y方向剛度存在一定問(wèn)題，對(duì)以下3 種工況進(jìn)行分別計(jì)算：鋼管混凝土-鋼筋混凝土核心筒（工況1）；鋼管混凝土-鋼筋混凝土核心筒，利用2 個(gè)避難層分別設(shè)置伸臂桁架及腰桁架（工況2）；在情況2 的條件下，在Y方向中軸處南北兩側(cè)分別設(shè)置1 道支撐（工況3），并對(duì)其Y方向?qū)娱g位移角進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表1 所示。

表1 結(jié)構(gòu)Y 方向?qū)娱g位移角

由表1 可知，最終確定結(jié)構(gòu)體系為鋼管混凝土框架-鋼筋混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)，外部框架柱采用矩形鋼管混凝土柱，外框與核心筒之間采用鋼梁。利用15 層及30 層2 個(gè)避難層，設(shè)置2 處結(jié)構(gòu)加強(qiáng)層，分別設(shè)置腰桁架，并在核心筒端部沿Y方向設(shè)置2 道伸臂桁架，從負(fù)1 層至屋面Y方向中軸位置設(shè)置2 道支撐，第二加強(qiáng)層以下，支撐均為單斜桿，第二加強(qiáng)層以上，下側(cè)支撐調(diào)整為“人字形”支撐，支撐局部大樣如圖4 所示。

本工程嵌固端位于地下1 層地面，框架抗震等級(jí)為一級(jí)，加強(qiáng)層及其上下層，框架抗震等級(jí)為特一級(jí)，剪力墻抗震等級(jí)為特一級(jí)。核心筒厚度由底部的750mm 厚，沿高度逐步內(nèi)收至350mm（Y方向收至400mm），矩形鋼管混凝土柱截面沿高度逐步減小，角部柱為1 200mm×1 200mm 減小至1 000mm×1 000mm，中部柱由1 200mm×1 000mm 減小至800mm×800mm，Y方向外框梁采用焊接箱型鋼梁，X方向外框梁采用焊接H 型鋼梁，梁截面高×寬均為400mm×800mm，外框至核心筒之間鋼梁受限于室內(nèi)凈高要求，樓面鋼框梁采用焊接H 型鋼梁，梁截面高×寬以300mm×350mm 為主，核心筒外樓板采用鋼筋桁架樓承板，鋼次梁按組合梁考慮，樓板厚度為130mm，核心筒內(nèi)部采用普通樓板，樓板厚度為120mm。混凝土強(qiáng)度等級(jí)底部外框柱及核心筒均采用C60 級(jí)，沿高度逐步減小至C40 級(jí)，首層地面（含）及以下梁板采用C35 級(jí)，其余各層樓板均采用C30 級(jí)，筏板的混凝土等級(jí)為C35（P10），底部加強(qiáng)區(qū)和加強(qiáng)層及其上下相鄰層的鋼管柱及外框梁、支撐及伸臂桁架的相關(guān)構(gòu)件的鋼材強(qiáng)度采用Q345GJ，其余鋼構(gòu)件的鋼材強(qiáng)度均為Q345B。

圖4 支撐局部大樣

3 結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算與分析

經(jīng)初步計(jì)算本工程不存在超限情況，但考慮高度臨近鋼管混凝土框架-鋼筋混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)上限值150m，因此，本項(xiàng)目分別進(jìn)行了如下地震作用計(jì)算：（1）多遇地震作用下的彈性計(jì)算分析(振型分解反應(yīng)譜分析及小震彈性時(shí)程分析)；（2）設(shè)防地震作用下的計(jì)算分析（關(guān)鍵構(gòu)件的驗(yàn)算及變形驗(yàn)算）；（3）罕遇地震作用下的彈塑性動(dòng)力分析。

3.1 多遇地震作用下的彈性計(jì)算分析

本工程多遇地震作用下的振型分解反應(yīng)譜分析分別采用YJK 與SATWE 2 種空間分析軟件計(jì)算，計(jì)算對(duì)比如表2 所示。

按GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（2016 年版）（以下簡(jiǎn)稱《抗規(guī)》）及JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（以下簡(jiǎn)稱《高規(guī)》）要求，本工程應(yīng)采用時(shí)程分析法進(jìn)行多遇地震下的補(bǔ)充驗(yàn)算，本工程多遇地震作用下的彈性時(shí)程分析采用YJK 軟件，按照地震3 要素：頻譜特性、有效峰值和持續(xù)時(shí)間的要求，本工程共選定2 條人工波和5 條天然波進(jìn)行多遇地震作用下的彈性時(shí)程分析，時(shí)程分析所選用主方向水平地震加速度峰值為70cm/s2，次方向峰值按照主方向的0.85 倍，即60cm/s2，由于本工程主方向基本周期為3.1s，按規(guī)范[1]要求，地震波持續(xù)時(shí)間不得小于5 倍的基本周期，固地震波持續(xù)時(shí)間選擇不小于20s，多遇地震作用下的振型分解反應(yīng)譜法與時(shí)程分析法（取YJK 計(jì)算結(jié)果）下的基底剪力對(duì)比如表3 所示，規(guī)范譜與時(shí)程分析所采用的地震波反應(yīng)譜如圖5 所示。

表2 振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果對(duì)比

圖5 規(guī)范譜與地震波譜對(duì)比圖

經(jīng)兩軟件多遇地震下的反應(yīng)譜分析計(jì)算結(jié)果對(duì)比，計(jì)算結(jié)果能較好地吻合，各項(xiàng)主要指標(biāo)如：總質(zhì)量、剪重比、地震作用、動(dòng)力特性及位移指標(biāo)等，均可滿足規(guī)范要求。通過(guò)對(duì)多遇地震作用下時(shí)程分析的計(jì)算結(jié)果分析可以得知，各地震波能在統(tǒng)計(jì)意義上相符合，單條地震波的基底剪力可滿足規(guī)范偏差不大于35%的要求，多條地震波的平均基底剪力可滿足規(guī)范偏差不大于20%的要求，時(shí)程分析可對(duì)小震下的振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行一個(gè)較好的補(bǔ)充。

通過(guò)以上計(jì)算說(shuō)明，本工程結(jié)構(gòu)體系可行，樓層剛度變化合理，可滿足規(guī)范對(duì)“小震不壞”的設(shè)防目標(biāo)。由規(guī)范知，本工程所選的7 組地震波時(shí)程法平均值將作為振型分解反應(yīng)譜法的補(bǔ)充，對(duì)相應(yīng)樓層的地震作用進(jìn)行放大。

3.2 設(shè)防地震作用下的計(jì)算分析

由表1 的計(jì)算結(jié)果可知，本工程結(jié)構(gòu)體系中軸斜撐、加強(qiáng)層伸臂桁架及腰桁架對(duì)本工程的剛度貢獻(xiàn)有較大提高作用，在本工程遭遇設(shè)防地震作用時(shí)，若上述構(gòu)件出現(xiàn)破壞，則會(huì)對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的剛度產(chǎn)生較大的影響，因此，本工程在設(shè)防地震作用下將重點(diǎn)對(duì)上述構(gòu)件進(jìn)行驗(yàn)算。為保證“中震可修”的抗震設(shè)防目標(biāo)，將對(duì)設(shè)防地震作用下的層間變形進(jìn)行驗(yàn)算，本工程設(shè)防地震作用下的計(jì)算采用YJK 軟件，水平地震影響系數(shù)最大值取0.45。

為保證整體結(jié)構(gòu)在遭遇設(shè)防地震作用下的安全性，提出中軸斜撐、加強(qiáng)層伸臂桁架及腰桁架等重要構(gòu)件中震不屈服的抗震性能目標(biāo)，要求上述構(gòu)件的抗剪承載力滿足《高規(guī)》（3.11.3-1）的要求，其正截面承載力滿足《高規(guī)》（3.11.3-2）的要求，通過(guò)YJK 中震不屈服計(jì)算，上述構(gòu)件在中震作用下應(yīng)力比均控制在較好的水平，可實(shí)現(xiàn)其中震不屈服的抗震性能目標(biāo)。

根據(jù)規(guī)范要求，若要保證本工程在遭遇設(shè)防地震作用下宏觀損壞程度為輕～中度破壞，后續(xù)經(jīng)修復(fù)或加固后可繼續(xù)使用，則需保證其設(shè)防地震作用下的層間變形小于3 倍的彈性位移限值，即設(shè)防地震下的層間位移限制為3×1/800=1/266.7，經(jīng)計(jì)算，本工程設(shè)防地震作用下的層間位移角如表4 所示，由表4 可知，本工程可滿足規(guī)范對(duì)“中震可修”的抗震設(shè)防目標(biāo)。

表3 振型分解反應(yīng)譜法與時(shí)程分析法計(jì)算結(jié)果對(duì)比

表4 設(shè)防地震作用下層間位移角

3.3 罕遇地震作用下的彈塑性動(dòng)力分析

本工程罕遇地震作用下的彈塑性動(dòng)力分析采用YJK 軟件，罕遇地震分析時(shí)水平地震影響系數(shù)最大值取0.90，場(chǎng)地特征周期取0.65s，主方向水平地震加速度峰值為400cm/s2，次方向峰值按照主方向的0.85 倍即340cm/s2，經(jīng)計(jì)算對(duì)比，本工程選擇Chi-Chi-Taiwan-03_NO_2457，Imperial Valley-06_NO_178，ArtWave-RH1TG065（人工波）共3 組波分別按主次方向共6 種工況作為罕遇地震作用下彈塑性分析的地震波，3 組地震波作用下結(jié)構(gòu)的最大層間位移角如表5 所示，罕遇地震作用下首層剪力如表6 所示，2 主方向?qū)娱g位移角曲線如圖6（X主方向）和圖7（Y主方向）所示。

由以上分析可知，罕遇地震作用下的首層剪力約為小震彈性首層剪力的2.70～3.16 倍，處于合理范圍，本工程最大層間位移角1/129，可滿足規(guī)范限制不大于1/100 的要求，層間變形曲線整體較為平滑，在加強(qiáng)層位置，層間位移角具有明顯收進(jìn)，說(shuō)明伸臂桁架對(duì)減小層間位移具有較好的效果，整個(gè)結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)明顯的位移突變和集中層間變形，結(jié)構(gòu)地震剪力沿豎向均勻分布，亦未出現(xiàn)突變現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)對(duì)塑性鉸分布情況的查看，大震作用下塑性鉸主要出現(xiàn)在剪力墻的連梁兩端及部分外框柱之間的框梁上，在性能點(diǎn)之前，底層柱端及墻端未出現(xiàn)塑性鉸，表明該結(jié)構(gòu)具有較好的耗能能力，且可滿足規(guī)范對(duì)“大震不倒”的抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)。

表5 罕遇地震作用下層間位移角

表6 罕遇地震作用下彈塑性樓層剪力kN

圖6 X 主方向?qū)娱g位移角曲線圖

圖7 Y 主方向?qū)娱g位移角曲線圖

4 結(jié)論

經(jīng)多遇地震作用下的2 種不同力學(xué)模型計(jì)算對(duì)比，并結(jié)合小震彈性時(shí)程分析補(bǔ)充，本工程結(jié)構(gòu)體系合理，整體動(dòng)力特性規(guī)則，整體指標(biāo)滿足相關(guān)規(guī)范要求，經(jīng)罕遇地震下的結(jié)構(gòu)彈塑性動(dòng)力分析，結(jié)構(gòu)損傷主要集中于連梁上，達(dá)到了較好的耗能目標(biāo)，外圍框架可起到框筒第二道防線的作用。經(jīng)以上計(jì)算驗(yàn)證，本工程結(jié)構(gòu)體系具備良好的抗震性能，可滿足規(guī)范“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設(shè)防要求，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全可靠。