仁恒夢(mèng)創(chuàng)廣場(chǎng)A座產(chǎn)業(yè)研發(fā)用房超限結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

凌振杰，吳國勤，陸 挺，黃 偉

(悉地國際設(shè)計(jì)顧問(深圳)有限公司，廣東 深圳 518048)

1 工程概況

仁恒夢(mèng)創(chuàng)廣場(chǎng)位于深圳市龍崗區(qū)龍城街道北部，北臨城市快速路鹽龍大道，南臨城市主干道龍平西路，西側(cè)為城市次干道愉龍路，東側(cè)為城市次干道愛心路。

本工程地下室3層，地上由4棟塔樓和1座購物中心組成。A座產(chǎn)業(yè)研發(fā)用房為其中一棟塔樓，共38層，高175.650 m，出屋面幕墻高度12 m；1層～5層為商業(yè)及辦公，6層以上為辦公。A座在1層～6層設(shè)縫與裙房(購物中心)脫開，其地上部分為獨(dú)立結(jié)構(gòu)單體。A座高寬比：175.65/43.5=4.0，核心筒高寬比：175.65/19=9.2。本項(xiàng)目用地面積36 952.53 m2，A座產(chǎn)業(yè)研發(fā)用房建筑面積64 296.81 m2。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限：50 a。場(chǎng)地類別：Ⅱ類；抗震設(shè)防烈度：7度；地震分組：第一組；抗震設(shè)防類別：乙類。基本風(fēng)壓：承載能力極限狀態(tài)計(jì)算時(shí)取0.875 kN/m2，結(jié)構(gòu)水平位移計(jì)算取0.75 kN/m2，地面粗糙度C類。塔樓采用樁基礎(chǔ)，樁型為旋挖樁，持力層為大理巖。

2 結(jié)構(gòu)構(gòu)成及超限項(xiàng)

2.1 結(jié)構(gòu)構(gòu)成

A座塔樓采用鋼筋混凝土框架-核心筒體系，結(jié)構(gòu)構(gòu)成如圖1所示。

核心筒為鋼筋混凝土，筒體外墻厚度由800 mm逐漸變薄為400 mm，內(nèi)墻沿層高變化，分別為500 mm～200 mm。外框柱地下1層～地上10層為型鋼混凝土柱，截面1 500 mm×1 500 mm(1 000×400×30×40Q390)，11層以上柱截面由1 500 mm×1 500 mm逐漸變化為900 mm×900 mm，墻轉(zhuǎn)柱在17層～32層為型鋼混凝土柱，截面為700 mm×1 800 mm(1 400×200×60×60Q390)，32層以上為混凝土柱，截面700 mm×1 800 mm。墻柱混凝土強(qiáng)度沿樓層變化，由C60變至C40。外周框架梁為600 mm×800 mm，外框柱與核心筒間梁為500 mm×700 mm，內(nèi)柱間梁為600 mm×700 mm，混凝土強(qiáng)度為C30，樓板厚度首層180 mm，2層～6層120 mm～150 mm，避難層及頂層120 mm，標(biāo)準(zhǔn)層核心筒板厚120 mm，內(nèi)外筒之間100 mm～120 mm。典型平面如圖2,圖3所示。

2.2 超限項(xiàng)

A座塔樓超限內(nèi)容主要有：1)超A級(jí)高度；2)位移比大于1.2；3)2層樓板有效寬度小于50%，3 層～5 層錯(cuò)層；共3項(xiàng)超限。

3 抗震性能目標(biāo)

按照J(rèn)GJ 3—2010 高規(guī)表3.11.1，A座塔樓結(jié)構(gòu)抗震性能擬達(dá)C級(jí)，小、中、大震相應(yīng)的結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)分別為1，3，4，構(gòu)件類型分類如表1所示，關(guān)鍵構(gòu)件性能水準(zhǔn)：多遇地震下均為彈性；設(shè)防地震下正截面承載力不屈服，受剪承載力彈性；罕遇地震下正截面承載力不屈服，受剪承載力彈性，均為輕度損壞，其余構(gòu)件性能水準(zhǔn)詳《高規(guī)》3.11.2條。

表1 構(gòu)件分類表

4 結(jié)構(gòu)主要設(shè)計(jì)要點(diǎn)

本工程采用YJK進(jìn)行小震計(jì)算分析，采用ETABS作為第二模型進(jìn)行校核。

4.1 小震計(jì)算結(jié)果

4.1.1 周期

兩模型前三周期如表2所示。

表2 模態(tài)分析結(jié)果

由表2知，兩個(gè)模型動(dòng)力特性相同。YJK和ETABS模型第一扭轉(zhuǎn)周期與第一平動(dòng)周期的比值分別為0.76,0.75，均滿足規(guī)范。

4.1.2 最大層間位移角

結(jié)構(gòu)的位移為地震工況控制，在規(guī)范譜作用下，YJK及ETABS模型最大層間位移角分別為1/841(X)，1/849(Y),1/863(X),1/864(Y)，如圖4所示。

圖4顯示，在地震作用下樓層最大層間位移角均滿足規(guī)范要求，且相對(duì)廣東省高規(guī)限值1/604有較大富余，結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度較好。在20層(建筑層號(hào)為第17層)因核心筒墻轉(zhuǎn)柱，位移角會(huì)有局部突變。

4.1.3 框架、剪力墻剪力分配

結(jié)構(gòu)框架、剪力墻剪力分配如圖5所示。

由圖5可知，結(jié)構(gòu)兩個(gè)方向均為核心筒承擔(dān)大部分地震剪力，為結(jié)構(gòu)主抗側(cè)力構(gòu)件。框架和核心筒承擔(dān)剪力分配曲線沿樓層在2層～6層存在突變，主要由于建筑錯(cuò)層引起；20層(建筑層號(hào)為第17層)剪力分配變化主要由于核心筒墻轉(zhuǎn)柱引起，其余局部曲線變化是由避難層層高變化及墻柱截面、混凝土強(qiáng)度變化引起。

4.2 跨層柱分析

由于建筑效果和使用空間的需要，A座塔樓存在5根2層通高(11.95 m)躍層柱。躍層柱構(gòu)件約束條件較復(fù)雜，不同于規(guī)范公式的理想狀態(tài)，需要對(duì)其進(jìn)行專門分析，確定其計(jì)算長度。

具體采用方法如下：

通過歐拉公式確定構(gòu)件的臨界承載力Pcr，反推出構(gòu)件的等效計(jì)算長度Le[1]。

歐拉承載力公式：

計(jì)算長度公式:

目前工程中確定臨界屈曲承載力的計(jì)算方法主要有：整體法、局部法、獨(dú)立構(gòu)件法等。本工程采用整體法求解臨界屈曲荷載。

本項(xiàng)目采用SP2000軟件，以1.0恒載(含結(jié)構(gòu)自重)+1.0活荷載工況作為屈曲分析每步加載值，計(jì)算整體結(jié)構(gòu)的線性屈曲。經(jīng)計(jì)算，整體屈曲臨界荷載系數(shù)大于10，整體結(jié)構(gòu)安全可靠。

底層柱是結(jié)構(gòu)的重要部分，其穩(wěn)定性直接影響到結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定，因此其穩(wěn)定性應(yīng)得到保證。在第8階底層躍層柱發(fā)生屈曲，見圖6。底層柱整體計(jì)算長度系數(shù)計(jì)算表見表3。

表3 底層柱整體計(jì)算長度系數(shù)計(jì)算表

其計(jì)算長度系數(shù)u=0.49，小于按規(guī)范要求選取的計(jì)算長度系數(shù)1.00。采用規(guī)范數(shù)值1.00，此處柱計(jì)算長度系數(shù)偏安全。施工時(shí)，在構(gòu)造上予以加強(qiáng)，在與跨層柱相交位置，框架梁頂筋和底筋通長配筋，防止跨層柱屈服時(shí)梁不能傳遞豎向力而引起連續(xù)倒塌。

4.3 墻轉(zhuǎn)柱節(jié)點(diǎn)專項(xiàng)分析

在建筑17層，存在墻轉(zhuǎn)柱節(jié)點(diǎn)。核心筒局部墻由600 mm厚墻變?yōu)閮筛?00 mm×1 800 mm柱(KZ1,KZ2)。框架柱內(nèi)設(shè)鋼骨1 400×200×60×60Q390，并向下延伸一層至16層樓面，同時(shí)17層墻厚加厚至700 mm(Q2,Q3)，L17層頂?shù)讐?nèi)設(shè)700 mm×750 mm暗梁[2]。節(jié)點(diǎn)分析采用ABAQUS軟件進(jìn)行分析，模型如圖7所示。

經(jīng)過組合分析可知，在1.2D+1.4L組合工況下柱軸力最大，應(yīng)力圖如圖8，圖9所示。

由圖8，圖9可以看出：柱底應(yīng)力存在集中，柱底應(yīng)力最大，柱墻相交處墻應(yīng)力擴(kuò)散明顯。與端柱相交部位的墻體應(yīng)力為22 MPa左右，其他部分應(yīng)力在0.1 MPa～19 MPa；型鋼最大應(yīng)力148 MPa出現(xiàn)在柱根部，遠(yuǎn)小于310 MPa限值。KZ1的截面1處的軸力為20 700 kN，截面2處的軸力為15 300 kN，截面3處的軸力為5 900 kN，根據(jù)這3個(gè)截面的軸力可以看出上部柱的軸力往墻體擴(kuò)散，截面3處擴(kuò)散程度為71.5%，截面1處的混凝土承載力為34 650 kN。上柱應(yīng)力水平較高，墻上起柱的柱根部位應(yīng)力集中明顯，在施工圖階段此處需要進(jìn)行構(gòu)造上的加強(qiáng)。

4.4 墻轉(zhuǎn)柱樓板應(yīng)力分析

A座塔樓核心筒在17層收進(jìn)，墻轉(zhuǎn)柱，墻柱剪力分配存在突變，而剪力主要通過樓面梁板完成外框架柱與剪力墻間的傳遞。本工程采用ETABS2016軟件進(jìn)行中震不屈服工況下樓板的應(yīng)力分析，考察17層,18層樓板的應(yīng)力狀況，并作出相應(yīng)的加強(qiáng)。應(yīng)力分析結(jié)果如圖10，圖11所示。

由圖10，圖11知，16層～18層兩個(gè)方向的絕大部分樓板單位長度軸拉力小于200 N/mm(100 mm板厚，200/100=2 MPa)，240 N/mm(120板厚，240/120=2 MPa),300 N/mm(150板厚，300/150=2 MPa)，滿足上述條件時(shí)相當(dāng)于樓板拉應(yīng)力小于樓板混凝土(C30)的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(2.01 MPa)。局部樓板較大拉應(yīng)力值(大于2.0 MPa)，主要集中在核心筒四周邊角部位及核心筒內(nèi)連接樓板、17層墻轉(zhuǎn)柱處樓板等位置。對(duì)此部分的樓板，將采取加大配筋，并按拉力計(jì)算配筋。17層墻轉(zhuǎn)柱處周邊單位長度軸拉力最大值為500 N/mm，配筋率500/150/400=0.83%，即墻轉(zhuǎn)柱處周邊樓板以全截面附加0.83%的配筋率。

4.5 錯(cuò)層模型與并層模型對(duì)比分析

A座塔樓在3層～5層存在錯(cuò)層，錯(cuò)層模型如圖12所示，并層模型為把虛線框中兩層并成一層，如圖13所示。

分析結(jié)果表明：

1)錯(cuò)層模型與并層模型在整體指標(biāo)上差別很小。前三周期分別為：錯(cuò)層(T1：4.770，T2：4.247，T3：3.628)，并層(T1：4.772，T2：4.204，T3：3.621)。基底總剪力分別為：錯(cuò)層(VX：13 877 kN,VY:14 461 kN)，并層(VX：13 523 kN,VY:14 411 kN)。最大層間位移角：錯(cuò)層(X：1/841,Y：1/849)，并層(X：1/840,Y：1/847)。

2)錯(cuò)層區(qū)域外框與核心筒間的剪力分配上有略微變化，這是由于錯(cuò)層后，層高變化引起了外框的剛度變化，進(jìn)而影響了外框與核心筒間剪力的分配，尤其是外框柱的剪力變化較大，變化值在5%～100%。

3)基于以上分析，施工圖設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按實(shí)際模型計(jì)算，同時(shí)加強(qiáng)錯(cuò)層區(qū)域豎向構(gòu)件抗震構(gòu)造，按特一級(jí)構(gòu)造。

4.6 大震動(dòng)力彈塑性分析

本工程采用PKPM軟件導(dǎo)入SAUSAGE軟件進(jìn)行動(dòng)力彈塑性分析，直接讀取PKPM配筋結(jié)果。

4.6.1 整體指標(biāo)分析結(jié)果

1)在大震作用下結(jié)構(gòu)最大頂點(diǎn)位移X向?yàn)?.78 m，Y向?yàn)?.73 m；最大層間位移角X向?yàn)?/134，Y向?yàn)?/150，滿足1/100的規(guī)范要求，并滿足“大震不倒”的設(shè)防要求。

2)各條地震波在相同方向的層間位移角曲線規(guī)律基本一致。

3)彈塑性的層間位移角曲線跟小震彈性層間位移角曲線規(guī)律基本一致。

4)大震作用下，彈性分析的最大剪力為小震彈性時(shí)程分析結(jié)果的3.62倍～5.70倍，屬于正常范圍。

4.6.2 錯(cuò)層位置及核心筒墻轉(zhuǎn)柱處樓層損傷表現(xiàn)

地震波作用下錯(cuò)層結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能狀態(tài)及16層、17層結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能狀態(tài)分別如圖14,圖15所示。

由上述計(jì)算結(jié)果可知：地震波作用下，結(jié)構(gòu)錯(cuò)層所在樓層，皆表現(xiàn)為框架梁輕度損壞、連梁重度損壞而剪力墻一般只發(fā)生輕度受壓損傷，框架柱表現(xiàn)為無損傷；在剪力墻轉(zhuǎn)柱樓層，剪力墻部分達(dá)到輕度損壞，部分框架梁達(dá)中度損壞，連梁重度損壞，達(dá)到規(guī)范的性能水準(zhǔn)要求。在施工圖設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于墻轉(zhuǎn)柱處剪力墻配筋，采取墻肢加型鋼等措施給予加強(qiáng)。

5 結(jié)論

仁恒夢(mèng)恒廣場(chǎng)項(xiàng)目A座塔樓結(jié)構(gòu)從方案到初步設(shè)計(jì)歷時(shí)半年，經(jīng)過項(xiàng)目組的多次分析論證，于2019年3月26日通過深圳市抗震設(shè)防專項(xiàng)審查[3]。

1)結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)控制性指標(biāo)滿足相關(guān)規(guī)范要求。

2)17層處核心筒墻轉(zhuǎn)柱，地震作用下，核心筒和外框架柱的剪力分配存在突變，樓板應(yīng)力增大，需加強(qiáng)樓板配筋。

3)17層墻轉(zhuǎn)柱節(jié)點(diǎn)有限元分析表明，采用柱在墻內(nèi)延伸一層，17層墻頂?shù)自O(shè)置暗梁的構(gòu)造，改善了墻的受力性能，提高了結(jié)構(gòu)的安全性。

4)大震動(dòng)力彈塑性分析表明，墻轉(zhuǎn)柱處剪力墻達(dá)到輕度損壞，應(yīng)適當(dāng)提高該處剪力墻配筋率。