達(dá)利東海總部B塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

丁立群

(廈門佰地建筑設(shè)計(jì)有限公司 福建廈門 361000)

1 工程概況

該項(xiàng)目位于泉州城市新的行政、文化、商務(wù)中心——東海片區(qū)濱海總部區(qū)。

項(xiàng)目總用地面積8713 m2。總建筑面積106 409.45 m2，地上建筑面積84 945.32 m2，地下建筑面積21 464.13 m2。地上主建筑為A、B雙塔和裙樓。該工程為地上雙塔中的B塔，集商業(yè)和公寓式辦公為一體，建筑面積35 368.49 m2，建筑高度135.45 m，地上共39層，地下3層，如圖1～圖2所示。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期50年，設(shè)計(jì)使用年限50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)二級(jí)；抗震設(shè)防烈度7度(0.15g)，設(shè)計(jì)地震分組第三組，場地類別Ⅲ類，場地特征周期0.65s(罕遇地震采用0.70s)，抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)丙類；基本風(fēng)壓0.70 kN/m2，地面粗糙度A類，風(fēng)載體型系數(shù)1.40。

圖1 項(xiàng)目總平面圖 圖2 建筑效果圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)體系

該工程B塔采用現(xiàn)澆鋼筋砼剪力墻結(jié)構(gòu)體系，中部核心筒，部分墻肢不落地，采用框支梁、柱轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換層位于第三層樓面(標(biāo)高9.800)，框支梁和框支柱內(nèi)設(shè)置型鋼。層高分別為5.3 m(首層)，4.5m(2～10層)，4.2 m(避難層)，3.0 m(標(biāo)準(zhǔn)層)。從四層樓面(標(biāo)高14.300)起，核心筒三邊的走廊無主梁拉通，周邊豎向構(gòu)件通過厚板與核心筒連接。東側(cè)中部布置2片刀把形剪力墻，如圖3～圖6所示。

圖3 建筑剖面圖(頂部躍層) 圖4 二層結(jié)構(gòu)平面圖

圖5 九層結(jié)構(gòu)平面圖 圖6 偶數(shù)標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面圖

A、B塔上部結(jié)構(gòu)間距14.2 m，由A塔于標(biāo)高111.1 m～128.4 m向B塔方向單獨(dú)懸挑出一鋼結(jié)構(gòu)連廊，連廊與B塔間設(shè)置500寬的抗震縫。B塔下部與裙樓間采用抗震縫完全脫開。

上部結(jié)構(gòu)嵌固端為地下室頂板。

結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)：框支梁、柱為特一級(jí)，剪力墻一級(jí)，局部小偏拉剪力墻為特一級(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]附件1中的表2～表4，及《高層建筑混土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[2]和《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]，該工程存在的主要情況如下：

(1)建筑高度135.45 m，超過7度區(qū)A級(jí)高度120 m的規(guī)定，但未超過B級(jí)高度150 m。

(2)存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、二十八層以上偏心布置、樓板不連續(xù)(穿層墻、柱)、剛度突變、構(gòu)件間斷等5項(xiàng)不規(guī)則。

該工程屬于多項(xiàng)不規(guī)則B級(jí)高度超限高層建筑。

2.4 超限應(yīng)對措施

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[2]3.11.1條及《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]附錄M，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，其他具體針對性措施如表2所示。

表1 抗震性能目標(biāo)

表2 超限應(yīng)對措施

另外，按超限專家組意見要求，外圍墻體端柱和翼墻按框剪結(jié)構(gòu)中框架要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.5 多遇地震下結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

根據(jù)抗震性能目標(biāo)要求，采用考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)的振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行多遇地震下結(jié)構(gòu)計(jì)算分析。

采用PMSAP、YJK兩種程序分別計(jì)算(圖7)，兩種程序計(jì)算出的主要指標(biāo)比(如層間位移角、周期比、剪重比等)大致相同，均滿足規(guī)范要求。主要計(jì)算結(jié)果對比如表3所示。

圖7 模型示意

表3 主要計(jì)算結(jié)果(多遇地震)

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TH089TG065、TH001TG065、TH005TG065、TH3TG065和TH002TG065。各條地震波計(jì)算的基底剪力及其平均值均滿足規(guī)范要求。

由計(jì)算結(jié)果可知，時(shí)程分析計(jì)算得出的平均地震反應(yīng)與CQC法計(jì)算得出的地震反應(yīng)趨勢基本相似，除頂層小屋面外樓層最大層間位移角和層剪力相近，整體符合較好。頂層小屋面按時(shí)程分析結(jié)果，最大和CQC計(jì)算相比應(yīng)放大至2.2倍。設(shè)計(jì)時(shí)，按振型分解反應(yīng)譜法，計(jì)算結(jié)果調(diào)整CQC參數(shù)進(jìn)行承載力設(shè)計(jì)。

Rarx1,Rary1：X,Y方向本層塔側(cè)移剛度，以上一層相應(yīng)塔側(cè)移剛度70%的比值，或上3層平均側(cè)移剛度80%的比值中之較小值。

2.6 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)最大值取0.34。

中震彈性設(shè)計(jì)時(shí)，不考慮地震內(nèi)力調(diào)整系數(shù)，不考慮風(fēng)荷載，其余參數(shù)同小震設(shè)計(jì)。

中震不屈服設(shè)計(jì)時(shí)，不考慮地震內(nèi)力調(diào)整系數(shù)、不考慮風(fēng)荷載，地震作用分項(xiàng)系數(shù)取1.0(組合系數(shù)不變)，并且不考慮抗震承載力的調(diào)整，截面驗(yàn)算采用材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻，采用SATWE進(jìn)行中震抗彎不屈服驗(yàn)算，按計(jì)算結(jié)果與小震作用下進(jìn)行包絡(luò)配筋，能達(dá)到抗彎不屈服要求。

對底部加強(qiáng)區(qū)的剪力墻進(jìn)行中震抗剪彈性驗(yàn)算，結(jié)果表明，除核心筒內(nèi)個(gè)別非外框剪力墻的剪壓比略超過規(guī)范要求外,其余剪力墻的剪壓比均滿足要求，可實(shí)現(xiàn)抗剪彈性。

中震下剪力墻墻身出現(xiàn)受拉時(shí)，抗震等級(jí)提高為特一級(jí)。當(dāng)軸拉應(yīng)力大于1.0 ftk時(shí)，墻柱內(nèi)均增設(shè)型鋼(Q345B)承擔(dān)拉力，型鋼向上延伸1層，同時(shí)型鋼截面面積按拉應(yīng)力不大于200 MPa控制。

轉(zhuǎn)換構(gòu)件進(jìn)行中震彈性驗(yàn)算，并計(jì)入豎向地震的作用，按計(jì)算結(jié)果與小震作用下進(jìn)行包絡(luò)配筋。轉(zhuǎn)換梁內(nèi)均增設(shè)型鋼，相關(guān)轉(zhuǎn)換柱(墻柱)內(nèi)同時(shí)增設(shè)型鋼，以滿足剛性連接和中震彈性的要求。

2.7 大震彈塑性分析

該工程采用SAUSAGE軟件進(jìn)行大震下的彈塑性時(shí)程計(jì)算分析。SAUSAGE軟件可采用分層殼元模型計(jì)算樓板，滿足厚板連接的計(jì)算模型。

參數(shù)取值:在大震作用時(shí),地震加速度最大值為310 cm/s2,水平地震影響系數(shù)最大值取0.72。采用振型阻尼計(jì)算，初始阻尼比5%。

設(shè)計(jì)中，選取符合要求的3條地震波，其中1條人工波RH2TG065，2條天然波為TH082TG065、TH093TG065。最大層間位移角見表4，均滿足要求；層間剪力結(jié)果見圖8～圖9，基底剪力如表5所示。

表4 大震彈塑性作用下最大層間位移角

圖8 X向剪力圖 圖9 Y向剪力圖

表5 大震彈塑性作用下基底剪力表

圖10 剪力墻及連梁性能指標(biāo)

總等效阻尼比：7.3%圖11 能量圖及等效阻尼比

選取地震作用影響最大的天然波TH082TG065，研究結(jié)構(gòu)在其作用下結(jié)構(gòu)構(gòu)件及整體的變形性能。

通過對結(jié)構(gòu)進(jìn)行大震作用下的彈塑性計(jì)算及分析(圖10～圖11)，可以得到以下結(jié)論 ：

(1)X向最大層間位移角為1/160，Y 向最大層間位移角為1/165，均小于規(guī)范1/120的限值，滿足“大震不倒”的結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)要求。

(2)大震彈塑性分析基底剪力(首層)是小震的3.21～5.35倍，平均值約為3.73倍(X向)和5.07倍(Y向)。Y向結(jié)構(gòu)塑形發(fā)展較不充分。

(3)大部分連梁呈現(xiàn)中度及輕度損壞，連梁屈服耗能，墻柱耗能較少，說明連梁充分發(fā)揮了抗震第一道防線作用。

(4)落地剪力墻損傷主要分布在中下部,少量剪力墻在中部及以上部位出現(xiàn)中度損傷,大部分完好。相對一般剪力墻結(jié)構(gòu)，剪力墻損傷情況較分散。

(5)轉(zhuǎn)換部位上部樓層剪力墻及轉(zhuǎn)換柱出現(xiàn)了輕度到中度損傷,施工圖設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)應(yīng)力分布規(guī)律及損傷情況,對實(shí)際應(yīng)力較大的位置進(jìn)行了配筋加強(qiáng)處理。

(6)由能量圖形狀和等效總阻尼比僅7.3%、Y向剪力比大于5以及厚板連接位置損傷輕微等情況判定,該工程耗能水平應(yīng)低于正常結(jié)構(gòu)。

綜上，B塔能實(shí)現(xiàn)預(yù)定的罕遇地震性能目標(biāo)。

3 核心筒與外周剪力墻連接設(shè)計(jì)

因凈高要求，從四層樓板(標(biāo)高14.300)及以上核心筒南、東、北三邊外走廊處，結(jié)構(gòu)構(gòu)件高度不得超過250，造成主梁無法拉通，核心筒與外周豎向構(gòu)件僅能以厚板方式連接，如圖12所示。

圖12 標(biāo)準(zhǔn)層厚板連接平面示意圖

3.1厚板連接對整體剛度的影響

采用YJK軟件對表6中4種模型進(jìn)行計(jì)算對比。

連梁固接模型中，標(biāo)準(zhǔn)層連梁截面按正常連梁布置考慮；彈性板6模型中，板厚均為220；等代梁法梁截面寬度可按文獻(xiàn)[3-4]要求，取0.75Ly(跨度)和0.5Lx(墻梁間距)的較小值1.35 m考慮(未考慮水平力計(jì)算與豎向力計(jì)算等代框架法的梁寬差異)。全寬梁為各軸線上梁寬累加覆蓋整個(gè)走廊長度。1,4 兩種模型計(jì)算結(jié)果僅作為分析比較,不作為設(shè)計(jì)依據(jù)。

表6顯示，第一組(1，2)，連梁和等代梁兩種梁模型剛度相關(guān)數(shù)據(jù)基本一致；第二組(3，4)，彈性板模型與全寬梁模型剛度相關(guān)數(shù)據(jù)較為接近。但兩組數(shù)據(jù)之間則有明顯差異。

由于彈性板6模型考慮走廊全長厚板作用，并將其剛度凝聚至附近支座，剛度計(jì)算較完整，剛度數(shù)值較大。根據(jù)文獻(xiàn)[5]和類似工程經(jīng)驗(yàn)，充分考慮樓板的面外剛度模型比正常模型剛度均有一定提高。

表6 不同模型對整體剛度的影響

厚板連接結(jié)構(gòu)有不低于連梁連接結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移能力，整體剛度滿足要求。

3.2 厚板連接的計(jì)算及構(gòu)造

根據(jù)表6中幾種模型的計(jì)算結(jié)果分析，該工程采用YJK軟件的彈性板6模型進(jìn)行厚板連接部位的設(shè)計(jì)。

為保證計(jì)算模型與實(shí)際相符，在外周跨與走廊相鄰處布置了與走廊厚板等厚的加強(qiáng)板帶。此相鄰加強(qiáng)板帶作用：

(1)使支座板帶與外周剪力墻墻肢有效嵌固，保證其內(nèi)力傳遞。

(2)彈性板6模型更多被用于計(jì)算無梁樓蓋結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)板帶可以保證板帶計(jì)算的連續(xù)性，使模型假定更符合實(shí)際。

(3)可保證走廊厚板的有效錨固。

計(jì)算結(jié)果詳見圖13～圖16。

圖13 X向樓板剪力云圖 圖14 X向樓板彎矩云圖

圖15 Y向樓板剪力云圖

圖16 Y向樓板彎矩云圖

由圖13～圖16可以看出，剪力和彎矩在板中分布的規(guī)律性變化。在控制工況(地震工況)下，支座兩側(cè)總寬1m～1.5m范圍，剪力和彎矩(配筋)占走廊全長的70%以上。因此，厚板配筋需要按實(shí)際內(nèi)力分布情況進(jìn)行針對性調(diào)整。

彈性板模型計(jì)算結(jié)果僅給出抗彎鋼筋，故，另外采用梁模型補(bǔ)充抗剪配筋。抗剪箍筋的設(shè)置寬度，根據(jù)剪力分布圖，按等代梁法的梁寬范圍(1.35m)。抗剪箍筋做法詳圖17。該工程在梁模型計(jì)算中，考慮與板模型的基底剪力差放大系數(shù)，X、Y方向地震力放大系數(shù)分別為5.5%和4.5%。

基于圖13、圖15顯示出彈性板6模型剪力傳遞路徑中走廊外邊界梁的作用不明顯，則有可能是邊界梁吸收厚板傳來的荷載不足，該設(shè)計(jì)按梁模型另行對邊界梁進(jìn)行設(shè)計(jì)復(fù)核。

3.3 中震下厚板連接補(bǔ)充計(jì)算

該計(jì)算結(jié)果表明，中震下除個(gè)別厚板屈服外，絕大部分仍處于彈性狀態(tài)。滿足要求。

3.4 大震下的厚板工作情況

從前面大震彈塑性分析結(jié)果(圖16)可知，該工程大震下耗能水平較低。根據(jù)分析，與厚板連接有一定關(guān)系。

于是，通過SAUSAGE軟件對厚板的大震下計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果表明，大震下厚板部分基本完好，大部分處于彈性狀態(tài)(圖17)。

圖18 大震下樓板損傷情況

厚板連接，由板式構(gòu)件特性決定了其無法作為有效的耗能構(gòu)件在大震下發(fā)揮作用，結(jié)構(gòu)處于類似“強(qiáng)連梁弱墻肢”耗能機(jī)制下，剪力墻在大震下耗能部位分散，使設(shè)計(jì)較難針對性地加強(qiáng)墻體。這點(diǎn)在圖10中也有所反映，如圖中底部加強(qiáng)區(qū)墻體損傷不明顯，中上部則有少量墻體輕度損傷。設(shè)計(jì)中尤其注意此問題。

3.5 刀把形剪力墻分析與設(shè)計(jì)

根據(jù)超限組專家要求，對刀把形剪力墻進(jìn)行了詳細(xì)分析，以便在設(shè)計(jì)中找出可能出現(xiàn)的問題并加以解決，保證結(jié)構(gòu)的安全可靠性。

刀把形剪力墻為上部懸挑一段墻體的落地剪力墻，簡稱刀把墻，如圖19所示。懸挑墻體下部可以布置轉(zhuǎn)換梁進(jìn)行轉(zhuǎn)換，一定條件下布置普通梁即可滿足要求。

圖19 刀把墻示意圖

采用YJK軟件有限元模塊，對懸墻下部布置轉(zhuǎn)換梁、普通梁(連梁或框架梁)、虛梁3種模型進(jìn)行計(jì)算分析。

初步分析結(jié)果：轉(zhuǎn)換梁模型為常規(guī)計(jì)算，梁身按殼元與墻身合并計(jì)算，按不滿跨框支剪力墻設(shè)計(jì)。若連梁(框架梁)模型梁身按桿單元計(jì)算，會(huì)在懸墻下端和梁連接處產(chǎn)生非常明顯的應(yīng)力集中，如圖20所示。虛梁模型則基本無明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖20 刀把墻連梁模型應(yīng)力圖(X向地震)

通過更多的試算工作，進(jìn)一步分析后表明：

(1)刀把墻懸墻下部梁的布置，對懸墻下端應(yīng)力的產(chǎn)生有直接影響，主要是墻肢整體彎曲變形與梁端的剪切變形耦合造成。

(2)刀把墻的懸挑長度、上部層數(shù)、端部與相鄰豎向結(jié)構(gòu)的連接方式、下部墻肢長度等，均對計(jì)算結(jié)果影響較大。當(dāng)?shù)栋褖ι喜繎姨糸L度和上部層數(shù)超過一定范圍時(shí)，采用普通梁均無法滿足要求，應(yīng)設(shè)置轉(zhuǎn)換梁并按不滿跨框支墻設(shè)計(jì)。

(3)應(yīng)采用有限元法復(fù)核刀把墻的懸墻下部應(yīng)力情況，普通桿-殼(墻)元力學(xué)模型計(jì)算結(jié)果明顯偏小，不能直接作為設(shè)計(jì)依據(jù)。

為盡量減少轉(zhuǎn)換梁的布置，經(jīng)過方案優(yōu)化，當(dāng)首層采用倒斜墻布置后，結(jié)果(圖21)顯示，應(yīng)力集中現(xiàn)象基本消失，剪力墻墻身受力可滿足要求。斜墻方案僅解決了局部應(yīng)力集中問題，當(dāng)懸挑長度過長，下部墻肢長度不足時(shí)，仍會(huì)出現(xiàn)下部墻體大偏心受壓，端部梁內(nèi)力過大等問題。

圖21 斜墻模型應(yīng)力圖

4 結(jié)論

(1)該工程通過運(yùn)用基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算、分析，并針對建筑物超高和扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、偏心布置、樓板不連續(xù)(穿層墻柱)、剛度突變、構(gòu)件間斷等多項(xiàng)不規(guī)則，采取了相應(yīng)的抗震措施，保證了結(jié)構(gòu)在各個(gè)地震工況下的安全可靠。

(2)核心筒和外周豎向構(gòu)件間的厚板連接設(shè)計(jì)是該工程的難點(diǎn)之一。設(shè)計(jì)選擇了彈性板6模型，并輔以等代梁模型補(bǔ)充厚板抗剪及邊梁計(jì)算，提出了外跨相鄰加厚板帶的構(gòu)造要求，補(bǔ)充了中、大震計(jì)算分析，對大震下結(jié)構(gòu)耗能能力不足的特點(diǎn)作了說明。厚板連接解決了環(huán)核心筒走廊凈高受限的問題，給類似工程提供了設(shè)計(jì)參考。

(3)刀把形剪力墻設(shè)計(jì)是該工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的另一個(gè)難點(diǎn)。刀把形剪力墻在一定條件下,如懸挑長度和上部層數(shù)均在合理的范圍等,并通過采取倒斜墻等方式優(yōu)化局部構(gòu)造,可直接采用普通梁(連梁、框架梁)與相鄰構(gòu)件連接,是一種可行的結(jié)構(gòu)形式。當(dāng)上部墻體懸挑長度較長或上部樓層較多時(shí),仍應(yīng)采用轉(zhuǎn)換梁方式處理。下部墻肢長度不足時(shí),應(yīng)注意墻體大偏心受壓(拉)等問題。設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程具體情況選擇合理的結(jié)構(gòu)方案,并選擇有限元軟件計(jì)算分析,以保證此結(jié)構(gòu)形式的安全可靠。