某超高層住宅結(jié)構(gòu)關(guān)鍵問題分析

劉金龍 宋九祥 沈 偉

(南京長江都市建筑設(shè)計(jì)股份有限公司,江蘇 南京 210002)

1 工程概況

本工程為超高層住宅，地面以上45層(不包括屋面局部凸出小塔樓)，結(jié)構(gòu)高度141.95 m，其中16層、31層為避難層，其余層均為住宅，住宅部分由31層避難層將上下分為兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層，分為低中區(qū)(30層及以下)標(biāo)準(zhǔn)層和高區(qū)(32層及以上)標(biāo)準(zhǔn)層，主要區(qū)別是高區(qū)標(biāo)準(zhǔn)層?xùn)|單元由低區(qū)的兩戶合并成一戶，見圖1，圖2。

文獻(xiàn)[1]介紹了本工程的詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù)、結(jié)構(gòu)布置、超限情況、性能目標(biāo)、設(shè)計(jì)措施及設(shè)計(jì)結(jié)果等，計(jì)算結(jié)果表明各項(xiàng)指標(biāo)滿足現(xiàn)行規(guī)范和規(guī)程的要求，方案安全可行，本文不再贅述。本文重點(diǎn)介紹本工程在設(shè)計(jì)過程中遇到的關(guān)鍵問題及解決措施。

2 局部轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

16層和31層為避難層，由于建筑功能需要，在樓梯核心筒角部開洞，形成局部托墻轉(zhuǎn)換，見圖3～圖5。由于開洞位置在建筑角部，角部轉(zhuǎn)換構(gòu)件的安全度控制著整體結(jié)構(gòu)的安全性。因此，仍然將轉(zhuǎn)換構(gòu)件的性能目標(biāo)設(shè)為中震正截面承載力彈性、斜截面承載力彈性并滿足大震作用下截面限制條件。由于建筑功能的需要，此處著重需要解決轉(zhuǎn)換梁截面的問題。下文以16層B1轉(zhuǎn)換位置為例介紹避難層局部轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)思路及過程。

2.1 轉(zhuǎn)換梁設(shè)計(jì)

此處轉(zhuǎn)換梁跨度較小，正截面承載力較易滿足，設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)換梁抗剪超限，設(shè)計(jì)過程中嘗試增減轉(zhuǎn)換梁截面來解決這一問題，表1為B1位置轉(zhuǎn)換梁截面設(shè)計(jì)過程。

表1 B1位置轉(zhuǎn)換梁剪力變化過程

由表1可見，剪力隨著梁截面的加大而增加，剪力超限程度隨著梁截面增加而緩慢減小。直至梁高850 mm方可滿足規(guī)范要求。由于建筑凈高要求此處梁高最高只能為650 mm，因此850 mm的梁高顯然不能滿足建筑功能要求，為此加大層高顯然不是最優(yōu)的解決方法。

加大梁截面后依然不能有效解決轉(zhuǎn)換梁抗剪超限的主要原因是加大截面導(dǎo)致梁剛度變大，從而引起剪力增大，抗剪依然超限，因此修改梁截面往往不能解決此類問題。進(jìn)一步從模型角度分析后，傳統(tǒng)的模型將轉(zhuǎn)換梁柱簡化為桿系單元，轉(zhuǎn)換梁的計(jì)算跨度為轉(zhuǎn)換柱節(jié)點(diǎn)距離，明顯大于其實(shí)際凈跨，且上部托墻的荷載全部先傳到轉(zhuǎn)換梁上，然后由轉(zhuǎn)換梁傳至轉(zhuǎn)換柱，實(shí)際轉(zhuǎn)換柱截面較大，轉(zhuǎn)換梁凈跨比桿系模型的計(jì)算跨度小，上部托墻有相當(dāng)一部分荷載直接傳到轉(zhuǎn)換柱。實(shí)體構(gòu)件的計(jì)算模型更貼近真實(shí)情況，因此，對(duì)轉(zhuǎn)換構(gòu)件及其上部托墻采用實(shí)體單元進(jìn)行計(jì)算。圖6為轉(zhuǎn)換位置采用實(shí)體單元的計(jì)算模型示意圖。

表2給出了B1位置轉(zhuǎn)換量分別采用傳統(tǒng)殼單元和實(shí)體單元計(jì)算的梁剪力設(shè)計(jì)值。

表2 B1位置轉(zhuǎn)換梁剪力對(duì)比 kN

由表2可以看出，相同截面下，采用實(shí)體單元時(shí)轉(zhuǎn)換梁的剪力僅為桿系單元時(shí)的70%左右。因此，本工程采用實(shí)體單元對(duì)轉(zhuǎn)換梁進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算并進(jìn)行后續(xù)的配筋設(shè)計(jì)。

2.2 轉(zhuǎn)換柱設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)換柱承受的較大集中力必將會(huì)導(dǎo)致上下層墻體連接處出現(xiàn)一定程度的應(yīng)力集中。設(shè)計(jì)中考慮將轉(zhuǎn)換柱向上下相鄰層延伸過渡，圖7a)～圖7c)分別給出了轉(zhuǎn)換柱不延伸、向上下相鄰層延伸1層和2層的應(yīng)力分析結(jié)果。

由圖 7可以看出，轉(zhuǎn)換柱不延伸時(shí)，洞口上下最大應(yīng)力約17 MPa；轉(zhuǎn)換柱向上下延伸一層時(shí)，洞口上下最大應(yīng)力約10 MPa，延伸后的柱子和上下墻體交界處的應(yīng)力約8 MPa；轉(zhuǎn)換上下延伸2層時(shí)，洞口上下最大應(yīng)力約9 MPa，延伸后的柱子和上下墻體交界處的應(yīng)力約9 MPa；同時(shí)從圖7中可以看出角部的轉(zhuǎn)換柱延伸后的應(yīng)力也有明顯下降。通過以上分析可以得出，轉(zhuǎn)換柱向上下層延伸過渡時(shí)，應(yīng)力明顯消散；延伸一層和延伸兩層，應(yīng)力分析結(jié)果相近。因此，本工程設(shè)計(jì)時(shí)采用轉(zhuǎn)換柱上下延伸一層的構(gòu)造措施來減緩轉(zhuǎn)換柱帶來的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

3 平面凹凸不規(guī)則設(shè)計(jì)

由于建筑戶型組合和造型的需要，結(jié)構(gòu)布置在中間處有凹進(jìn)。如圖8所示，平面典型寬度為17.41 m，凹進(jìn)處的平面寬度僅為7.8 m，平面凹進(jìn)55.2%>30%，屬于凹凸不規(guī)則[2，3]，凹凸不規(guī)則處在地震作用下可能出現(xiàn)應(yīng)力集中，出現(xiàn)較為嚴(yán)重的損壞[4,5]。

設(shè)計(jì)通過樓板應(yīng)力分析來考察凹進(jìn)處樓板的薄弱程度。將整層樓板設(shè)為彈性板，并對(duì)樓板進(jìn)行中震作用下的應(yīng)力分析。

圖9,圖10為標(biāo)準(zhǔn)層樓板在中震作用下的主拉應(yīng)力分析結(jié)果，可以看出此處凹進(jìn)相關(guān)區(qū)域樓板內(nèi)部主拉應(yīng)力均小于混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(C30，ftk=2.01 MPa)；洞口邊或角部存在局部應(yīng)力集中，混凝土開裂后應(yīng)力會(huì)逐步消散。凹進(jìn)處未出現(xiàn)明顯薄弱部位。現(xiàn)僅從構(gòu)造上采取加強(qiáng)措施，對(duì)凹進(jìn)相關(guān)區(qū)域樓板配筋雙層雙向拉通，并控制單向單層配筋率不小于0.25%。

4 局部大跨異形板設(shè)計(jì)

由于建筑32層以上東單元兩戶合一，為了滿足建筑使用功能，此戶型結(jié)構(gòu)布置出現(xiàn)局部大跨異形板，該板塊的位置及尺寸見圖11。

大跨異形板傳力機(jī)理較為復(fù)雜，地震作用下可能出現(xiàn)應(yīng)力集中和較為嚴(yán)重的損壞，且無法使用傳統(tǒng)樓板的求解方法[6]，為了解決上述問題，對(duì)該異形大板加厚至180 mm，并將該板定義為彈性板，對(duì)樓板進(jìn)行了中震作用下的應(yīng)力分析和撓度裂縫計(jì)算。

4.1 大跨異形板應(yīng)力分析

圖12，圖13給出了該樓層板在中震作用下的主拉應(yīng)力分析結(jié)果，由圖可以看出，大跨異形板處及其相鄰板塊的拉應(yīng)力均小于混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.01 MPa。

4.2 大跨異形板的撓度裂縫計(jì)算

圖14為高區(qū)標(biāo)準(zhǔn)層撓度圖，由圖14可以看出大跨異形板的跨中撓度僅為7.2 mm，遠(yuǎn)小于GB 50010—2010規(guī)定的限值(11 000/300=37 mm)。同時(shí)，由YJK軟件計(jì)算的該板跨中裂縫最大值為0.178 mm，也滿足規(guī)范要求的限值0.3 mm。

5 局部墻垛對(duì)主體剛度的影響分析

如樓電梯間兩側(cè)設(shè)有風(fēng)井，結(jié)構(gòu)布置有凸出主體結(jié)構(gòu)邊界的小墻垛，存在虛剛的可能性。

為了研究局部凸出墻垛對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響，考察兩個(gè)計(jì)算模型：

模型A——按實(shí)際情況帶墻垛建模；

模型B——去掉墻垛及相關(guān)范圍梁板，涉及的荷載在模型中輸?shù)较嚓P(guān)構(gòu)件上。

對(duì)結(jié)構(gòu)周期和振型、結(jié)構(gòu)位移、剪重比等主要指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比和分析，并結(jié)合分析結(jié)論給出相應(yīng)的措施。

凸出主體結(jié)構(gòu)外的墻垛見圖15。

表3給出了兩個(gè)模型的前6階周期對(duì)比，從表3中可以看出兩個(gè)模型的前6階周期相差均在1%以內(nèi)，因此可以得出是否帶有墻垛對(duì)結(jié)構(gòu)整體的周期影響不大，模型A周期略小于模型B，說明墻垛對(duì)結(jié)構(gòu)剛度有微小的貢獻(xiàn)。

表3 結(jié)構(gòu)周期對(duì)比

從圖16，圖17分別給出了模型A，B在地震工況、風(fēng)荷載工況下的位移角對(duì)比情況，圖18分別給出了模型A，B在X，Y方向的剪重比對(duì)比情況。

從圖16～圖18可以看出模型A,B的位移角及剪重比數(shù)據(jù)基本一致。

由以上分析結(jié)果可知，模型A,B的總體指標(biāo)基本一致。因此，可知局部凸出主體結(jié)構(gòu)的墻垛對(duì)整體影響很小，施工圖中采用兩種模型對(duì)結(jié)構(gòu)配筋包絡(luò)設(shè)計(jì)以作加強(qiáng)。

6 結(jié)語

著重介紹了某超高層剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中遇到的關(guān)鍵問題以及解決措施，各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果均表明該結(jié)構(gòu)方案能夠滿足現(xiàn)行規(guī)范和規(guī)程的要求，可為同類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供經(jīng)驗(yàn)參考。