某V形稀柱大跨梁式轉換高層結構設計

張佳偉，蔣軍，鄭佳鋒，劉啟良

（中機中聯工程有限公司，重慶 400000）

1 工程概況

某展覽中心項目，由中間農場和周邊3 個展覽中心A、B、C 構成，農場和展覽中心通過兩個連廊連通，單層地下室為一整體。 展覽中心A 有南、 北兩棟塔樓， 兩棟塔樓高度分別為32.6 m 和27.5 m，屬大跨度轉換超限結構[1-3]。展覽中心B 和C為多層結構。 展覽中心建筑效果圖見圖1。

圖1 展覽中心建筑效果圖

本工程結構設計基準期和設計使用年限均為50 年，結構安全性等級為一級，結構嵌固端設在地下室頂板。

抗震設防類別為標準設防類， 抗震設防烈度為6 度（0.05g），場地分組為第一組，建筑場地類別為Ⅲ類，特征周期0.45 s。本文以展覽中心A 為研究和分析對象。

2 結構體系

2.1 結構方案

2.1.1 塔樓主體結構

展覽中心A 區主體結構采用鋼框架（少量支撐）結構的抗側力體系。 考慮建筑功能分布，利用兩側塔樓豎向交通核布置鋼支撐，其他位置布置框架柱提供抗側力剛度。 結構計算三維模型見圖2。

圖2 結構計算三維模型

2.1.2 V 形斜柱大跨鋼梁轉換

主體結構首層除交通核豎向構件可落地至地下室外，其他位置在首層采用V 形斜柱轉換以實現建筑造型需求， 斜柱構件為矩形鋼管混凝土柱[4]，截面尺寸為1 000 mm×2 000 mm×50 mm；轉換梁最大跨度為18 m，采用箱形截面，截面尺寸為800 mm×1 800 mm×50 mm， 此方案可有效加強結構整體及構件抗扭能力。 首層轉換層俯視圖見圖3。

圖3 首層轉換層俯視簡圖

2.1.3 主要構件信息

主要結構構件截面尺寸見表1，主要結構構件材質見表2[5-6]。

表1 主要結構構件截面尺寸mm

表2 主要結構構件材質

2.2 嵌固端分析

本項目地上結構由中間農場和展覽中心3 個分區組成，地下室為一整體，地下室頂板標高為-1.5 m。 考慮主樓及相鄰兩跨范圍的地下室內構件的有效剛度， 地下一層與首層側向剛度比大于2，地下室頂板可作為上部結構嵌固端。

3 結構計算與分析

3.1 小震反應譜分析

3.1.1 周期與振型

分別采用SATWE 和MIDAS GEN 兩種三維空間結構分析程序進行計算比較，按振型分解反應譜法（CQC）進行分析計算，以驗證結構計算結果的一致性和準確性，計算主要參數如表3 所示。

兩種軟件計算結果見表4。 根據計算結果，兩種軟件計算結果中周期比均滿足規范要求，且振型方向一致，各指標誤差均在5%以內，驗證了結構小震計算結果的合理性[7]。

表4 小震周期分析結果

3.1.2 結構位移

兩種軟件的計算結果基本一致；SATWE 計算出的最大層間位移角為：X 向地震：1/1 108 （2 塔第6 層），Y 向地震：1/1 039（2 塔第6 層），X 向風載：1/1 607（2 塔第7 層），Y 向風載：1/1 469（2 塔第7 層），均滿足JGJ 99—2015《高層民用建筑鋼結構技術規程》[8]第3.5.2 的要求（1/250），結構體系所提供的抗側剛度能保證結構正常工作并滿足正常使用要求。

3.1.3 剛度比

據GB 50011—2010 《建筑抗震設計規范》(2016 年版)[9]（以下簡稱《抗規》）第3.4.3 條結構豎向不規則的樓層側向剛度比要求 （樓層與其相鄰上層的側向剛度比值不宜小于0.7，與相鄰上部3 層剛度平均值的比值不宜小于0.8）， 兩軟件分析結果見表5。

表5 剛度比對比表

由表5 可知，兩軟件計算結果均滿足規范要求，并且結果具有較高的一致性體現。

3.1.4 受剪承載力之比

根據《抗規》第3.4.3 條結構豎向不規則的樓層受剪承載力要求 （抗側力結構的層間受剪承載力不小于相鄰上一層的80%）。 兩軟件對比結果除1 層作為轉換層兩軟件統計結果稍有出入外，其他樓層結果均一致，并均能滿足規范要求。

3.1.5 傾覆力矩分配

根據SATWE 計算結果統計傾覆力矩分配情況， 框架柱和支撐兩抗側力構件中， 框架柱承受的地震傾覆力矩約占結構總地震傾覆力矩的90%， 結構整體計算按照鋼框架結構進行設計是可靠合理的。

3.2 小震彈性時程分析

計算選用PKPM 軟件提供的符合規范要求的兩條天然波和一條人工波進行小震彈性時程補充分析。 圖4 為選用的3 條地震波與規范反應譜對比。

圖4 地震波反應譜和規范反應譜對比

彈性時程分析結果結構顯示各層位移指標均滿足要求，各層位移角均小于1/250。 每條時程曲線計算的底部剪力在規范允許區間內， 均不小于振型分解反應譜法計算的65%，且不大于振型分解反應譜法計算的135%； 平均值不小于振型分解反應譜法計算的80%， 且不大于振型分解反應譜法計算的120%，滿足規范要求；并將時程分析結果作為CQC 設計依據。

4 大震彈塑性分析

采用PKPM EPDA 軟件對結構進行大震彈塑性動力時程分析計算， 選取符合規范要求的2 條天然波（TH032TG045、TH3TG045）和一條人工波（RH1TG045）。 圖5 為選用的3 條地震波反應譜曲線與規范反應譜對比。

圖5 地震波反應譜與規范反應譜對比

計算大震作用下3 條地震波的彈塑性基底剪力Vp， 并與小震彈性基底剪力Ve進行對比， 計算結果顯示：X向和Y向大震彈塑性基底剪力與小震彈性基底剪力的比值Vp/Ve最大值分別為3.66 和3.78； 主體結構最大層間位移角均小于規范限值1/50，滿足性能目標要求；主體結構基本無損傷，抗震性能良好。

5 結構加強措施

1）根據《抗規》8.1.3 規定，本工程抗震等級為無抗震等級，將主體鋼結構抗震等級提高至四級， 轉換斜柱抗震等級再提高一級至三級，以確保豎向關鍵構件有充足的抗震安全冗余度。

2）加強首層轉換層抗震構造措施，轉換斜柱采用鋼管混凝土，轉換梁采用方鋼管。

3）樓板不連續區域和平面凹進區域，樓板厚度150 mm，樓板鋼筋采用雙層雙向拉通布置， 并按彈性板計算復核樓板配筋，配筋率不小于0.25%。

4）地下室頂板及轉換層樓板板厚取200 mm，采用雙層雙向配筋，并控制配筋率不小于0.30%；普通樓板板厚為150 mm，采用雙層雙向配筋，并控制配筋率不小于0.20%。

6 結論

1）本工程采用鋼框架結構，結構最大高度為37.7 m，主要存在扭轉不規則、樓板不連續、塔樓偏置等情況，定義為特殊類高層建筑。 采用了性能化的抗震設計方法，根據建筑物的重要性選用C 級性能目標，分別按性能水準“1、3、4”驗算結構在多遇地震、設防烈度地震、預估罕遇地震作用下的構件承載能力。

通過計算分析結果表明： 本工程能夠滿足設定的C 級抗震性能目標，滿足“小震（多遇地震）不壞、中震可修、大震不倒”的設計要求。

2）采用不同兩種有限元程序進行結構多遇地震下的彈性計算，其結果顯示，結構各項指標均滿足設計要求，且各項指標誤差均在允許范圍內。

3）多遇地震下采用彈性時程反應譜法進行補充分析，根據剪力分析結果對各個樓層剪力進行放大， 進一步保證結構安全性。

4）大震彈塑性分析結果表明，主體結構最大層間位移角均小于規范限值1/50，主體結構基本無損傷，滿足預設性能目標要求。