某帶長(zhǎng)懸臂結(jié)構(gòu)的超限高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

丁立群

廈門(mén)佰地建筑設(shè)計(jì)有限公司，福建 廈門(mén) 361004

1 工程概況

本工程位于泉州市東海片區(qū)濱海總部區(qū)，項(xiàng)目臨近泉州市行政中心，位于東海綜合大道與沿海大通道道路交叉口西南角。根據(jù)規(guī)劃設(shè)計(jì)，本工程總用地面積為8713m2，總建筑面積為106409.5m2，其中，地上建筑面積為84945.32m2，地下建筑面積為21464.13m2。本工程為地上雙塔中的A 塔，集商業(yè)和辦公為一體，建筑面積46550.31m2，建筑總高度137.25m，地上共32層，地下室三層，10 層以上除避難層外層高4.2m。根據(jù)工程設(shè)計(jì)，工程抗震設(shè)防烈度7 度（0.15g），設(shè)計(jì)地震分組為第三組，場(chǎng)地類(lèi)別Ⅲ類(lèi)，場(chǎng)地特征周期0.65s（罕遇地震采用0.70s），抗震設(shè)防分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)丙類(lèi)；基本風(fēng)壓0.70kN/m2，地面粗糙度A 類(lèi)，風(fēng)載體型系數(shù)1.40。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)體系

根據(jù)工程設(shè)計(jì)，本工程為型鋼混凝土外框和鋼筋混凝土內(nèi)筒結(jié)構(gòu)體系，外框尺寸為32.6m× 43.5m，長(zhǎng)寬比L/B=1.33＜1.5，高寬比<6。內(nèi)筒偏置，筒中心線X 方向向東偏移整體中心線3.6m。首層因大開(kāi)洞造成西側(cè)底層外框柱均為穿層柱。A 塔27～28 層，30～31 層?xùn)|側(cè)布置有外挑雙層鋼結(jié)構(gòu)桁架連廊以連通B 塔，懸挑長(zhǎng)度13.7m。

上部結(jié)構(gòu)嵌固端為地下室頂板。

結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)：框架為一級(jí)，核心筒為一級(jí)、局部小偏拉墻肢為特一級(jí)、全筒抗震構(gòu)造措施均為特一級(jí)。

2.2 基礎(chǔ)布置

根據(jù)地勘報(bào)告，基礎(chǔ)選用大直徑?jīng)_孔灌注樁。樁端持力層采用中風(fēng)化花崗巖層。

2.3 超限情況

根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》［1］，本工程的主要超限情況如下：

（1）地上高度137.25m，超過(guò)規(guī)范A 級(jí)高度130m 的規(guī)定，未超過(guò)B 級(jí)150m 的規(guī)定。

（2）本工程有如下不規(guī)則項(xiàng):

①扭轉(zhuǎn)位移比1.21（1F），扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。

②3 層以上樓層，X 向偏心率大于0.15，偏心布置。

③二層開(kāi)洞面積超過(guò)30%，樓板不連續(xù)，并存著穿層柱。

2.4 抗震性能目標(biāo)

根據(jù)2.3 超限情況及《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》［2］及《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》［3］要求，結(jié)構(gòu)整體抗震性能目標(biāo)選用C級(jí)，具體抗震性能目標(biāo)如表1 所示。

2.5 超限應(yīng)對(duì)措施

本工程設(shè)計(jì)中具體的超限應(yīng)對(duì)措施見(jiàn)表2。

塔樓偏置造成的結(jié)構(gòu)偏心布置，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中通過(guò)以下方式，以達(dá)到整體平面剛心和質(zhì)心的吻合。

（1）削弱核心筒一側(cè)剛度，即減薄東側(cè)墻體厚度，本工程筒體標(biāo)準(zhǔn)層近邊墻體厚度600mm，遠(yuǎn)邊墻體厚度則減薄至500mm；同時(shí)遠(yuǎn)邊墻體適當(dāng)增設(shè)結(jié)構(gòu)洞口。

（2）增強(qiáng)離筒體較遠(yuǎn)一側(cè)的框架剛度，可通過(guò)加密遠(yuǎn)筒一側(cè)框架柱，并加大遠(yuǎn)筒框架的梁柱截面尺寸實(shí)現(xiàn)。

表1 抗震性能目標(biāo)

表2 超限應(yīng)對(duì)措施

穿層柱除按抗震等級(jí)提高一級(jí)按特一級(jí)設(shè)計(jì)外，另按中震彈性設(shè)計(jì)，每根穿層柱承擔(dān)的剪力取相應(yīng)樓層框架柱剪力平均值的1.2 倍，并復(fù)核穩(wěn)定性。

2.6 多遇地震下結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

采用SATWE、PMSAP 兩種程序分別計(jì)算，兩種程序計(jì)算出的主要指標(biāo)大致相同，同時(shí)均滿足規(guī)范要求。主要計(jì)算結(jié)果對(duì)比如表3 所示。

小震彈性時(shí)程分析補(bǔ)充計(jì)算：采用SATWE 計(jì)算軟件。選取PKPM 程序內(nèi)帶的7 條地震波，2 條人工波為RH3TG065和RH4TG065，5 條天然波為T(mén)H089TG065、TH001TG065、TH005TG065、TH3TG065 和TH002TG065。各條地震波計(jì)算的基底剪力及其平均值滿足規(guī)范要求。

由計(jì)算結(jié)果可知，時(shí)程分析的7 條地震波作用下的層間位移角平均值略大于CQC 法結(jié)果，小于規(guī)范限值1/800；樓層剪力平均值接近CQC 法結(jié)果，22 層以上略有超過(guò)。

2.7 中震下結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

參數(shù)取值：在中震作用時(shí)，地震加速度最大值為150cm/s2，水平地震影響系數(shù)取最大值0.34，按中震彈性進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)且不考慮地震內(nèi)力調(diào)整系數(shù)和風(fēng)荷載作用情況下，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)可按小震設(shè)計(jì)取值。

在中震不屈服設(shè)計(jì)時(shí)，在不考慮地震內(nèi)力調(diào)整系數(shù)和風(fēng)荷載作用的情況下，地震作用分項(xiàng)系數(shù)可按1.0 取值，且不需要考慮調(diào)整抗震承載力，截面驗(yàn)算可按材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值取值。

底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可采用ASTWE 軟件對(duì)外框柱進(jìn)行中震抗彎不屈服驗(yàn)算，按計(jì)算結(jié)果和小震計(jì)算參數(shù)進(jìn)行配筋取值。本工程中，針對(duì)部分核心筒外墻暗柱配筋較大的問(wèn)題，為改善外墻暗柱抗彎不屈服性能，可在設(shè)計(jì)中增設(shè)型鋼。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，底部加強(qiáng)區(qū)在剪力墻結(jié)構(gòu)能夠滿足中震抗剪彈性設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

中震下剪力墻墻肢出現(xiàn)拉應(yīng)力時(shí)，其抗震等級(jí)提高為特一級(jí)。當(dāng)墻肢軸拉應(yīng)力＞1.0ftk 時(shí)，應(yīng)增設(shè)型鋼（Q345B），型鋼向上延伸1 層，同時(shí)型鋼截面面積按拉應(yīng)力≯200MPa 控制。

首層大堂上空，西側(cè)六根穿層柱按中震彈性設(shè)計(jì)，按計(jì)算結(jié)果與小震作用下進(jìn)行包絡(luò)配筋。

2.8 大震彈塑性分析：

在本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大震彈塑性驗(yàn)算中，采用PKPM 軟件中PushOver 功能進(jìn)行彈塑性驗(yàn)算，地震加速度取最大值310cm/s2，水平地震影響系數(shù)取最大值0.72，初始阻尼比取0.05。將參數(shù)錄入PKPM 軟件中，驗(yàn)算本工程在大震作用下的最大位移。計(jì)算結(jié)果如圖1、圖2。

表3 主要指標(biāo)一覽（小震）

圖1 靜力彈塑性分析X 向能力、需求曲線

圖2 靜力彈塑性分析Y 向能力、需求曲線

由計(jì)算結(jié)果可得：

（1）在相應(yīng)位移下，結(jié)構(gòu)在X 向和Y 向均未發(fā)生整體垮塌；

（2）結(jié)構(gòu)達(dá)到推覆性能點(diǎn)時(shí)，樓層的最大層間角分別為1/136 和1/161，滿足剪力墻結(jié)構(gòu)層間彈塑性位移角的限制［1/100］，能滿足“大震不倒”的抗震性能目標(biāo)。

（3）在性能點(diǎn)處，墻體損傷主要集中在底部加強(qiáng)區(qū)，3～8層也有一定程度的損傷。性能狀態(tài)基本控制在CP～C范圍內(nèi)，能夠滿足本工程的大震設(shè)防性能目標(biāo)。設(shè)計(jì)中提高底部加強(qiáng)區(qū)及過(guò)渡層墻體抗震等級(jí)為特一級(jí)，并在核心筒周邊墻體和邊緣構(gòu)件內(nèi)增設(shè)型鋼，達(dá)到對(duì)薄弱部位的加強(qiáng)。

（4）塑性鉸出現(xiàn)的部位和次序也符合抗震設(shè)計(jì)的要求，塑性鉸首先出現(xiàn)在連梁梁端，且進(jìn)入塑性階段的時(shí)間比較早，分布較廣，實(shí)現(xiàn)了連梁作為第一道防線首先屈服耗能的預(yù)期目標(biāo)。到達(dá)性能點(diǎn)時(shí)，部分框架梁（特別是X 向）也已進(jìn)入塑性狀態(tài)，繼續(xù)耗散地震能量，形成梁鉸機(jī)制。部分墻體進(jìn)入塑性，而框架柱僅為輕微損傷，表明結(jié)構(gòu)具有較好的延性。

2.9 長(zhǎng)懸臂結(jié)構(gòu)對(duì)結(jié)構(gòu)整體的影響

根據(jù)建筑造型和功能要求，在A 塔27～31 層（標(biāo)高111.75～128.55） 與B 塔32～38 層（標(biāo)高111.15～129.15）間，設(shè)置空中連廊，并要求可從A 塔28 層通行至B 塔34 層。

方案階段2 種結(jié)構(gòu)方案可供選擇，分別為懸挑（單邊或雙邊）和連體（強(qiáng)連和弱連）兩種設(shè)計(jì)方式。

連體設(shè)計(jì)方案可分強(qiáng)連接和弱連接兩種方式。2 種連接方式都有結(jié)構(gòu)冗余度高，連廊結(jié)構(gòu)安全性高等優(yōu)點(diǎn)。規(guī)范［2］要求強(qiáng)連接需要連接體主構(gòu)件伸入主體至少一跨，但連廊兩端A、B塔樓層標(biāo)高不一致，高度上錯(cuò)半層，造成此條規(guī)范要求無(wú)法滿足。同時(shí)，兩側(cè)樓層標(biāo)高不一致問(wèn)題也造成弱連接支座設(shè)計(jì)難度大，且過(guò)大的支座與建筑立面要求嚴(yán)重沖突。另外，兩側(cè)主體結(jié)構(gòu)體系不同（分別為框架核心筒結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)），結(jié)構(gòu)剛度、動(dòng)力特性差異較大，也增加了連體設(shè)計(jì)的難度。

懸挑設(shè)計(jì)方案可分為單邊懸挑和雙邊懸挑。雙邊懸挑懸挑長(zhǎng)度小，懸挑方式可選擇性大，安全性容易控制，但存在變形縫設(shè)置在連廊中間、連廊中部錯(cuò)層等問(wèn)題，且與建筑立面不符。

設(shè)計(jì)中選用單邊懸挑方案。單邊懸挑方案存在結(jié)構(gòu)冗余度低；懸挑凈長(zhǎng)過(guò)大，達(dá)13.7m，結(jié)構(gòu)方案選擇性小；與主體連接設(shè)計(jì)難度大；豎向地震作用影響大等問(wèn)題。但此方案很好的解決了建筑立面要求，并且結(jié)構(gòu)整體計(jì)算簡(jiǎn)明，減少了不規(guī)則項(xiàng)，因此成為最終選項(xiàng)。

結(jié)構(gòu)計(jì)算中采用振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算豎向地震作用，并考慮雙塔間的風(fēng)載狹縫效應(yīng)。

表6 不同模型對(duì)層間位移角的影響

表6 中，無(wú)桁架附加荷載模型為僅將桁架產(chǎn)生的內(nèi)力作為恒載加到邊柱上，作為桁架產(chǎn)生的內(nèi)力對(duì)主體側(cè)向位移計(jì)算影響的參考。根據(jù)表6 可知，懸臂桁架產(chǎn)生的彎矩，對(duì)主體產(chǎn)生較明顯的傾覆影響，但仍在主體的承受范圍內(nèi)；另一個(gè)方面也反映了本工程的抗側(cè)力體系，足以獨(dú)立承擔(dān)長(zhǎng)懸臂桁架產(chǎn)生的傾覆彎矩，不需另行補(bǔ)充內(nèi)跨斜腹桿（柱間支撐）來(lái)增大抗側(cè)力剛度。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)基于性能化的抗震設(shè)計(jì)，有針對(duì)性的加強(qiáng)關(guān)鍵構(gòu)件的薄弱部位，如底部加強(qiáng)區(qū)域的剪力墻、框架柱均按特一級(jí)設(shè)計(jì)等。

（2）針對(duì)由核心筒偏置造成的結(jié)構(gòu)平面偏心布置，應(yīng)采取有效措施，如調(diào)整遠(yuǎn)近邊框架剛度、消弱核心筒遠(yuǎn)邊墻體剛度等方式，以實(shí)現(xiàn)剛心和質(zhì)心的盡量吻合。

（3）首層因樓板大開(kāi)洞造成的穿層柱，需要進(jìn)行抗震性能化設(shè)計(jì)，并采取一定的加強(qiáng)措施，以保證其延性和穩(wěn)定性和抗震二道防線的有效。

（4）超高層建筑的高位長(zhǎng)懸臂結(jié)構(gòu)，對(duì)主體結(jié)構(gòu)有明顯影響，主要反映在傾覆力矩和側(cè)向變形上，需要主體結(jié)構(gòu)自身有一定的抗側(cè)向剛度余量，特別是未附加內(nèi)部斜腹桿（柱間支撐）情況下。