東湖VR大廈結構設計探析

翁錦華

(福州市建筑設計院有限責任公司 福建福州 350011)

1 工程概況

東湖·海西高新技術企業港軟件開發基地(數字福建VR雙創孵化基地)二期C1-2-1#樓(以下簡稱東湖VR大廈)地處福州市濱海新城，大廈主樓為辦公樓，地上20層、地下1層,結構高度為100.5 m，總建筑面積約29 700 m2，結構采用鋼管混凝土柱、鋼框架-核心筒結構體系，如圖1所示。

圖1 結構施工過程實景圖

工程結構設計難點為：

(1)大懸挑：5～6層南部外側兩端懸挑11.65 m，中間懸挑9 m，北部外側兩端懸挑6.35 m；

(2)主體結構豎向受力構件內外傾斜大，東西兩側鋼柱外斜角度達14.04°，南北兩側各4根柱躍層外傾斜；

(3)豎向剛度突變，主體結構大部分層高為4.5 m，5層層高變化為9.0 m。

2 設計參數及結構體系

結構抗震設防類別為丙類，安全等級二級，基礎設計等級甲級，甲類防空地下室抗力級別為核六、常六級；結構設計使用年限50年，抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.10 g，設計地震分組為第三組，場地類別Ⅲ類，結構阻尼比取0.04，鋼管混凝土柱、鋼框架、核心筒的抗震等級均為二級；基本風壓按50年一遇取0.80 kN/m2,承載力計算時放大1.1倍，地面粗糙度為B類，風載體型系數考慮結構體形變化，經計算取1.33。

結構采用鋼管混凝土柱、鋼框架-鋼筋混凝土核心筒結構體系(圖2)，柱腳為埋入式柱腳，核心筒主要由剪力墻、十字型鋼混凝土柱和型鋼混凝土梁構成。由于核心筒剪力墻Y向長度僅7 m，小于核心筒高度的1/12，且結構層高較高，最高達9 m，因此，主樓地面以上部分核心筒外周邊剪力墻厚度為500 mm，3層以上減薄至400 mm，以保證型鋼混凝土梁的放置。型鋼柱截面為十500×500×30×30，型鋼梁最大截面為H900×150×30×40。核心筒外部框架主要由H型鋼梁、圓鋼管柱、鋼斜撐和鋼桁架(位于5～6層，有H型鋼拼接而成)組成，核心筒南北兩側對稱設置各六根圓鋼管混凝土柱，核心筒東西兩側一至二十層對稱設置各四根圓鋼管斜柱。其中，一至七層(標高±0.000 m～+32.83 m)采用圓鋼管混凝土柱內斜，十至二十層(標高+46.33 m至屋面)圓鋼管柱外斜，東西兩側鋼斜柱之間設置鋼斜撐。一至四層南北最外側各設四根躍層外傾斜方鋼管柱，高度19.5m。主樓內除東西兩側十一層以上向外傾斜鋼柱外，其余鋼管柱由底至頂，在管內灌注混凝土形成鋼管混凝土柱，東西兩側圓鋼管柱混凝土僅澆筑至11層。鋼梁最大截面為H1000×400×30×30，鋼管柱最大截面為○1000×25。結構5、6層因為外懸挑大，設有懸挑鋼桁架結構。鋼柱、鋼梁材質為Q345B，鋼斜撐材質為Q235B，連梁、鋼管混凝土柱、剪力墻的混凝土強度等級C35～C50，樓板混凝土強度等級C30。

圖2 結構布置圖

3 超限類型及抗震性能目標

結構扭轉不規則，部分樓層Y向考慮偶然偏心的扭轉位移比>1.2但<1.40；樓板不連續，2層、18層樓板開洞寬度>有效寬度50%；剛度突變，2層、5層層高分別為6 m、9 m， 相鄰層剛度變化大;此外，5層、6層外挑達11.65 m。 核心筒東西兩側全樓有八根內斜、外斜鋼柱，南北兩側有八根穿層鋼斜柱。根據《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》(建質〔2015〕67號)，該工程屬于特別不規則結構；根據《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ3-2010)[1](以下簡稱《高規》)第3.11.1條和《高層民用建筑鋼結構技術規程》(JGJ 99-2015)[2](以下簡稱《高鋼規》)第3.8.3條，本工程對局部關鍵結構構件進行性能設計，在中震下鋼管斜柱和受拉的樓面鋼梁按彈性設計、核心筒剪力墻按抗剪彈性、抗彎不屈服設計。

4 超限設計主要措施及分析方法

本結構的設計采用以下主要措施及分析方法，以確保抗震性能目標的實現：

(1)采用MIDAS GEN (2011)及盈建科兩個程序，進行多遇地震下的靜力計算分析，并驗證結構梁、柱、墻在多遇地震作用下的性能目標，保證結構力學分析的可靠性,再進一步采用盈建科程序進行設防地震的計算分析。

(2)針對該工程局部樓板開洞較大的情況，增加相鄰層及本層洞口邊的板厚，并雙層雙向配筋，減少開洞對整體抗震性能的削弱，計算采用彈性樓板模型。

(3)針對扭轉位移比較大和扭轉周期比比較大的情況，增加外圈鋼框架梁的剛度，并在東西兩側設置鋼斜撐，增加結構抗扭剛度。

(4)針對出現的斜柱和躍層柱，鋼管斜柱和躍層柱以及受拉的樓面鋼梁，均按中震彈性設計，核心筒剪力墻按中震抗剪彈性，抗彎不屈服設計；核心筒底部加強區剪力墻水平和豎向分布鋼筋的配筋率不小于0.30%。

(5)結構整體計算應考慮重力二階效應，長懸挑梁考慮豎向地震作用，并增設斜撐，形成桁架，以減少其使用時的撓度，并進行舒適度驗算。

(6)根據《高規》第4.3.4條和《高鋼規》第5.3.2條，本結構結合場地實際情況及結構特點，選用一條人工波和兩條天然波進行多遇地震下彈性時程分析。

(7)采用PKPM的EPDA&PUSH程序,進行結構在罕遇地震下的推覆計算。

4.1 多遇地震作用下的結構計算

結構整體計算結果如表1所示。

表1 結構整體計算結果

規定水平力作用下底層框架、剪力墻承擔的地震剪力、總傾覆力矩如表2所示。

表2 底層框架、剪力墻承擔的地震剪力、總傾覆力矩

結構一層柱、墻軸壓比計算結果顯示，在多遇地震作用下，框架柱、剪力墻均能保持彈性狀態。

該工程使用盈建科程序進行多遇地震下的彈性動力時程分析，采用一條人工波(RH2TG065)和兩條天然波(TH1TG065，Chi-Chi Taiwan06_NO_3286 Tg(0.65))，場地地面最大加速度取35cm/s2，彈性時程分析計算結果總體上小于規范反應譜計算結果。按照《高規》4.3.5條，取時程法計算結果的包絡值和振型反應譜法計算結果的較大值，作為結構設計的依據。

總之，在風與多遇地震作用下，結構能保持良好的抗側和抗扭性能，設計指標均滿足抗震彈性設計的要求。

4.2 設防地震作用下的結構承載力復核

通過對鋼斜柱和受拉的樓面鋼梁按中震彈性，核心筒剪力墻按中震抗剪彈性、抗彎不屈服計算，發現鋼斜柱和相關的鋼梁鋼柱在設防地震下，均未發生彎曲和剪切破壞，滿足中震彈性要求，核心筒剪力墻底部加強區在設防地震下，需增加較多配筋。地面一層剪力墻局部位置需增設型鋼，以保證抗剪彈性。抗彎不屈服，通過修改斷面、配筋、增設型鋼等措施，重新計算，確保核心筒剪力墻滿足中震抗剪彈性、抗彎不屈服抗震性能目標。總之，結構在中震作用下，可以實現關鍵構件的結構設計性能目標。

4.3 罕遇地震下的推覆計算

為實現“大震不倒”的抗震目標，項目還進行了罕遇地震下的彈塑性變形驗算，以確保結構的安全性。計算采用靜力彈塑性推覆計算方法,程序為PKPM的EPDA&PUSH，地震計算參數按規范取值，場地特征周期Tg=0.70s，地震影響系數最大值αmax=0.50。經計算罕遇地震作用下的X向、Y向結構層間彈塑性，位移角最大值分別為1/216、1/278，均小于規范要求的1/100。關鍵構件在大震作用下均未出現塑性鉸，實現“大震不倒”的抗震設防目標。

5 結構設計的考慮

5.1 斜柱交叉節點處的優化

工程建筑方案原設計東西兩側下部，內斜柱與上部外斜柱直接相交在九層，上下兩斜柱直接與筒體角柱相連，如圖3所示。

圖3 原設計結構剖面圖

考慮此種連接方式結構受力復雜，分析困難，且連接面大，焊縫長度長，節點處理困難，尤其與筒體內的型鋼混凝土角柱連接困難，與甲方、方案方確認后，修改調整為如圖4所示。7～10層增加一段直柱，下部內斜柱在7層與直柱連接，上部外斜柱在10層與直柱連接，受力分析簡單，柱間連接簡單，施工方便，焊縫長度大幅度減少，且方便建筑平面交通使用，建筑外立面通過其外掛的玻璃幕墻仍能夠實現。6～11層短鋼梁節點施工時，直接在工廠與圓鋼管柱焊接成型，另一端在工地現場與筒體內型鋼混凝土角柱焊接連接，如圖5所示。

圖4 優化后設計結構剖面圖

圖5 短鋼梁節點圖

斜柱安裝時，每段鋼柱安裝完成后，立刻進行其與核心筒間鋼梁的安裝，以形成穩定體系。

更改方案設計后，結構受力明確，且極大方便施工。

5.2 大跨度鋼桁架與大懸挑鋼桁架的結合

結構在5層核心筒南北兩端主體結構設置大空間使用，且南北兩端全樓5～6層間掛滿LED顯示屏，荷載大，南部外側兩端懸挑11.65 m，中間懸挑9 m，北部外側兩端懸挑6.35 m，中間懸挑3.7 m(圖6)，南北懸挑鋼梁最大截面分別為1200 mm和800 mm，為保證建筑大空間使用，5至6層間兩端利用5、6層的鋼梁設置懸挑鋼桁架結構，桁架考慮彎矩傳遞要求，弦桿伸入主體結構內一跨，懸挑鋼桁架結構端頭再設置一榀跨度為 42.8 m的鋼桁架，上下弦高僅為600 mm，與中間的懸挑鋼梁連接，形成一個穩定的大空間結構，如圖7所示。結構用鋼量少，利于施工吊裝拼裝。在設計過程中，尤其注意了大懸挑結構的舒適度計算，在大懸挑部位的兩側還設置了水平桁架，控制結構穩定，工程采用MIDAS GEN有限元分析程序，對第5層懸挑結構樓板進行舒適度分析，對懸挑11.65 m和6.35 m兩部分樓板計算，得到樓蓋振動峰值加速度均小于0.05 m/s2，滿足《高規》第3.7.7條的規定，豎向自振頻率分別為4.4682 Hz 、6.1724 Hz，均滿足《高規》不小于3Hz的要求。

圖6 五層懸挑平面示意圖

圖7 五、六層鋼桁架及懸挑桁架剖面示意圖

懸挑平臺安裝時，采取上下層同步安裝的順序進行施工。由于施工過程涉及單根懸挑鋼梁的安裝、臨時固定和變形控制，因此，安裝時，先形成局部整體結構，再逐步拼接形成完整整體結構，并采取懸挑梁端頭預抬升、臨時拉結等措施，避免結構安裝過程中出現較大變形，待懸挑平臺全部構件安裝和焊接完成后，再進行組合樓板的施工。

5.3 斜撐與約束屈曲支撐BRB選擇

結構平面變化大，豎向不規則，導致結構扭轉位移比和扭轉周期比較大。結構設計時，采用增加外圈鋼框架梁的剛度，并在邊跨設置約束屈曲支撐BRB，以增加結構的抗扭剛度。設計過程中，由于造價及甲方采購因素，通過適當增加筒體剪力墻厚度等措施，進行復核計算取消BRB，整體結構體系改為鋼框架支撐結構進行比選。考慮到核心筒結構層高較高，進深較小，主樓地面以上核心筒外周邊剪力墻厚度為500 mm(2層以下)、400 mm(3層以上)以放置型鋼梁。修改設計后結構計算滿足各項指標要求，取得較好的經濟效果。

5.4 鋼筋桁架樓承板的應用

主樓核心筒內采用120 mm厚現澆鋼筋混凝土樓板，外周邊采用鋼筋桁架高度為90 mm、120 mm鋼筋桁架樓承板，板厚大部分為120 mm，洞口邊樓板加強部位及考慮舒適度要求的大懸挑部分，板厚為150 mm。鋼筋桁架樓承板是將三角型鋼筋桁架與底模連接成一體，形成組合樓板，在工廠加工，施工現場底模僅作為模板。施工中，現場樓板鋼筋綁扎工作量減少65%左右；結構設置鋼次梁，將鋼筋桁架跨度控制在3.2 m以內，以利于運輸及施工吊裝，避免施工過程中出現腳手架。次梁除沿懸挑方向布置外，能夠沿長跨方向布置的均沿長跨方向布置，充分利用鋼梁的強度，減少了梁與墻的預埋件，梁與梁連接更加方便。采用好鋼筋桁架樓承板，具有施工快速的優勢，同時還有現澆樓板剛度大，傳遞水平力好的優點。

5.5 核心筒角柱設計

筒體內角柱布置有十字型鋼柱，與筒體內型鋼混凝土梁及筒體外鋼框架梁交匯處混凝土的澆搗比較困難，因此，設計時注意筒體內剪力墻鋼筋避讓，暗柱箍筋僅布置在外邊緣及采用菱形箍，剪力墻水平筋采用小直徑，深入暗柱滿足錨固長度即可，不與十字型鋼柱相連。混凝土采用自密實性混凝土施工，以保證節點處混凝土澆搗密實，確保施工質量。

5.6 內斜柱灌混凝土與外斜純鋼柱的處理

在核心筒東西兩側一至二十層，對稱設置各四根斜柱，其中一至七層(由標高±0.000 m～+32.83 m)鋼管柱內斜，鋼管柱內澆搗混凝土，形成鋼管混凝土柱，減小鋼管柱直徑及壁厚，以節約造價。十至二十層(由標高+46.33 m至屋面)鋼管柱外斜，鋼梁最大跨度達到13 m，對樓面梁形成拉力，鋼梁最大拉力約為581 kN。由于柱已在結構中上部，軸壓比相對較小，且為減小樓面梁的拉力，鋼管柱內未澆灌混凝土，為純鋼管柱，與鋼管柱相連的受拉樓面鋼梁延伸入筒體剪力墻內至少一跨。

5.7 鋼框架梁側向穩定的處理(隅撐的處理)

結構鋼框架梁與鋼管柱及筒體暗柱交接處，為保證工字鋼梁受壓翼緣的側向穩定，原設計考慮設置鋼隅撐。但鋼隅撐影響建筑吊頂，且施工繁瑣，根據《建筑抗震設計規范》[3](GB50011-2010)8.3.3條文說明及《多高層建筑鋼結構設計》[4]，計算鋼梁受壓區長細比后，以豎向加勁肋替代鋼隅撐來約束工字鋼梁，下翼緣受壓穩定，既滿足設計要求，又節省用鋼量及方便制作安裝，施工質量更好且造價更低，還加快了施工進度。豎向加勁肋替代鋼隅撐，是鋼框架結構設計的優選。

6 健康監測

綜合本工程的結構特點和有限元分析結果，工程在變形和傾角較大的敏感部位，對變形和傾角重點監測、在關鍵桿件位置測試應力，以及對大懸挑結構部位布置加速度測點，進行結構動力特性以及振動監測。

施工過程監測采用離線測試方式，后期使用過程，健康監測采用實時在線測試方式，部分測點采用用離線測試方式。

7 設計經驗

由于體型、體系問題，工程經過多方優化設計，工程含地下室總用鋼量6067.639 t，每平方米用鋼量約200 kg，側面說明不規則結構對主體經濟性的影響；另外，外斜幕墻的安裝困難，對施工安全、工期及造價均產生較大影響。

8 結語

通過對結構的優化設計及性能化設計，東湖VR大廈結構設計采用鋼管混凝土柱、鋼框架-核心筒結構體系，滿足 “小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設防目標。目前工程已竣工驗收，成為福州濱海新城的地標建筑。