廈門某超高層筒中筒結(jié)構(gòu)底部Y型柱設(shè)計

陳國春

(中元(廈門)工程設(shè)計研究院有限公司 福建廈門 361000)

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的持續(xù)蓬勃發(fā)展，高層金融辦公建筑作為建設(shè)單位實力與形象的外在體現(xiàn)，往往除滿足其金融辦公以及對外運營等諸多要求外，業(yè)主對于建筑的立面和平面提出了更高的美學(xué)和使用要求。

筒中筒結(jié)構(gòu)體系，由于其具有較強(qiáng)的側(cè)向剛度，成為高層、超高層建筑的主要結(jié)構(gòu)體系之一，但往往因外框柱柱距較小而受到限制。本文以廈門某超高層金融廣場為例，通過底部設(shè)置Y型轉(zhuǎn)換柱，解決了上述問題，并系統(tǒng)地介紹了Y型柱的力學(xué)特點，對重點構(gòu)件提出設(shè)計建議和加強(qiáng)措施，供同類工程的分析設(shè)計提供參考。

1 工程概況

該金融廣場項目位于廈門市觀音山CBD中心，環(huán)島干道東側(cè)、規(guī)劃中的廈門金融大道上。由4棟辦公塔樓(T1～T4樓)及商業(yè)裙房組成，有兩層地下室和一層半地下室，總建筑面積40.9萬m2，地下建筑面積11.2萬m2。其中，T3樓共33層(含半地下室層5.4m)，一～三層層高5.4m，標(biāo)準(zhǔn)層層高4.2m，建筑總高度145m。

該工程結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度值為0.15g，設(shè)計地震分組為第二組。場地土類別Ⅱ類，特征周期為0.45s(安評值)，塔樓抗震設(shè)防分類為丙類， 50年重現(xiàn)期的基本風(fēng)壓值為0.80kPa，地面粗糙度為A類，風(fēng)荷載體型系數(shù)取為1.4。地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端，塔樓與裙房通過設(shè)置防震縫結(jié)構(gòu)單元分開。

2 結(jié)構(gòu)選型與布置

2.1 結(jié)構(gòu)布置

該工程T3塔樓建筑布置為中部設(shè)樓電梯、管井及衛(wèi)生間，其外布置辦公空間，結(jié)構(gòu)利用中部樓電梯空間設(shè)置剪力墻核心筒，外布置框架柱。從圖1可見，建筑立面造型為豎線條，采取建筑外輪廓布置密柱、裙梁形成筒中筒結(jié)構(gòu)形式可行，結(jié)構(gòu)布置如圖2所示。

圖1 廣場效果圖

圖2 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)布置圖(單位：mm)

2.2 結(jié)構(gòu)截面尺寸與計算結(jié)果

結(jié)構(gòu)截面尺寸核心筒外圍墻厚為400mm～700mm，內(nèi)部墻厚為250mm～350mm；外框架柱半地下室1300×900mm，1～8層900×900mm，9層以上為800×800mm縮小到800×600mm；外框梁底部500×1000mm、上部500×900mm，混凝土強(qiáng)度等級為C60～C30。采用高層建筑結(jié)構(gòu)分析軟件SATWE的計算，計算結(jié)果如圖3及表1～表2所示。

表1 框架柱剪力比占樓層數(shù)比例表

圖3 框架柱剪力比曲線圖

從圖3及表1～表2的計算結(jié)果可知：筒中筒結(jié)構(gòu)的各項指標(biāo)均符合相關(guān)規(guī)范要求，并且能夠形成外周框架與核心筒協(xié)同工作的雙重抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)抗震的第二道防線合理，利于結(jié)構(gòu)抗震[1-3]。

表2 各方案水平荷載作用下主要計算結(jié)果

2.3 Y型柱的提出

筒中筒結(jié)構(gòu)的建筑外輪廓布置密柱，該工程立面效果采用豎線條與外框密柱的布置高度吻合，但底部大堂入口需要較大柱間距才能滿足建筑要求，通常采取方案有托柱轉(zhuǎn)換或一柱分叉轉(zhuǎn)換為兩柱的Y型柱形式。托柱轉(zhuǎn)換存在豎向構(gòu)件突變等不利因素，該工程底部采用一柱分叉轉(zhuǎn)換為兩柱隔一布置Y型柱的形式。

3 Y型柱受力特點

Y型柱節(jié)點處的兩根斜桿豎向向下的分力疊加傳給下層柱，兩根斜桿水平分力于節(jié)點處互相平衡抵消，其傳力路徑明確，該轉(zhuǎn)換形式以構(gòu)件受壓或受拉替代構(gòu)件受彎、受剪，以承受重力荷載的作用，受力方式更為合理。另外，斜柱轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換層與其上下層的剛度比變化幅度較小，因此在水平地震作用下，可以避免結(jié)構(gòu)的構(gòu)件內(nèi)力和層間剪力發(fā)生突變，有利于結(jié)構(gòu)抗震。

Y型斜柱頂部節(jié)點處柱軸力的水平分量由外框梁的軸向水平力平衡，斜柱頂部外框梁產(chǎn)生軸向水平拉力，對混凝土構(gòu)件十分不利，特別是該工程為超高層，且Y型柱位于大堂挑空區(qū)域，存在局部樓板不連續(xù)、局部穿層柱、斜柱，需進(jìn)一步分析和計算。

4 Y型柱內(nèi)力分析與截面設(shè)計

4.1 Y型柱靜力分析

分析轉(zhuǎn)換斜柱在外框梁中產(chǎn)生的軸向水平拉力，采用桿系構(gòu)件簡化，于斜柱頂部分別作用一個單位集中力，利用靜力結(jié)構(gòu)力學(xué)計算，各主要桿件軸力如表3及圖4所示。

表3 各角度單元軸力表

圖4 Y型柱軸力圖

由表3及圖4可知，隨著Y型斜柱傾斜角度α的增大，斜柱及其頂部相連框梁的應(yīng)力成遞增趨勢。其中，斜柱頂部框架梁軸力受斜柱傾斜角度影響尤為明顯，隨斜柱傾斜角度的增大，斜柱傳給中間框架梁的軸力比例也越大。故此，應(yīng)控制斜柱的角度，避免斜柱的設(shè)置對構(gòu)件產(chǎn)生不利的影響。綜合考慮筒中筒結(jié)構(gòu)體系的布置特點和建筑立面的效果，本工程斜柱采用10°布置。

4.2 整體計算

采用SATWE軟件進(jìn)行多遇地震下的整體計算，樓板設(shè)為彈性板，擇取Y型斜柱頂部梁內(nèi)力N3(圖4)中的各工況下的軸力標(biāo)準(zhǔn)值為：恒載作用1136kN、活載作用275kN、水平地震作用330kN、風(fēng)荷載作用222kN。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[2]，混凝土構(gòu)件的正截面軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值：

Nt=ft·A

(1)

按照式(1)計算，混凝土標(biāo)號C35框架梁500×1000的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值Nt為1100kN，小于荷載作用效應(yīng)，此時混凝土不足以承擔(dān)軸向拉力，且小于永久荷載作用值，在工程設(shè)計中應(yīng)予以重視。

4.3 節(jié)點應(yīng)力分析

采用細(xì)部分析通用有限元軟件Midas FEA V3.6對Y型柱進(jìn)行細(xì)部實體分析，分別建立混凝土、型鋼及鋼筋3種部件，綜合考慮各材料部件的共同作用。模型中將Y型柱底設(shè)為固端，提取SATWE各桿件的內(nèi)力結(jié)果，按照1.0D±1.0L的不利組合，并將組合值分別施加于各截面處，材料、截面等均與PKPM模型一致。Y型柱及局部節(jié)點有限元計算結(jié)果如圖5所示。

圖5 X向主應(yīng)力圖

通過細(xì)部有限元分析結(jié)果可知，底層Y型斜柱中各橫梁均承受不同程度的拉應(yīng)力。其中，Y型柱節(jié)點處承受了一定的拉應(yīng)力，Y型斜柱頂部中間框架梁承受較大拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力約為28MPa，已超過框梁的混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計值。

4.4 Y型斜柱的屈曲分析

該建筑二層大堂局部挑空，底部Y型斜柱屬于穿層柱，高度為10.8m，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算分析時，針對Y型柱采用PMSAP軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行線性屈曲分析，前6階屈曲因子如表4所示。計算結(jié)果表明，Y型斜柱承載力有較大富余，其結(jié)構(gòu)安全可得到保證。

表4 結(jié)構(gòu)前6階屈曲因子

4.5 Y型柱的截面設(shè)計

通過對Y型柱的受力特點及內(nèi)力的計算和分析可見，Y型柱的節(jié)點、Y型斜柱頂部梁柱節(jié)點及Y型斜柱頂部中間框架梁均承受較大的拉應(yīng)力，且Y型斜柱頂部中間框架梁承受的拉應(yīng)力超過鋼筋混凝土強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值。為避免斜柱頂部中間框架梁及梁柱節(jié)點的軸向拉力對構(gòu)件產(chǎn)生不利影響，該工程底部框架柱及其與Y型柱相交的外框架梁均采用型鋼混凝土，且軸向拉力均由型鋼承擔(dān)，以保證結(jié)構(gòu)內(nèi)力有效傳遞。

5 Y型柱設(shè)計的構(gòu)造措施

該工程Y型柱位于底部大堂挑空區(qū)域，Y型柱高度內(nèi)存在局部樓板不連續(xù)、局部穿層柱、斜柱等結(jié)構(gòu)不規(guī)則項，為保證結(jié)構(gòu)安全，該工程在底部Y型柱設(shè)計時采取了以下加強(qiáng)措施：

(1)底部Y型柱區(qū)域及其上一層共4層高度21.2m設(shè)為底部加強(qiáng)區(qū)，同時，底部框架柱及其與Y型柱相交的外框架梁均采用型鋼混凝土。

(2)Y型柱與穿層柱的正截面承載能力和斜截面承載力均按中震彈性復(fù)核，塔樓底部加強(qiáng)區(qū)其余豎向構(gòu)件的正截面承載能力按中震不屈服復(fù)核，斜截面承載力按中震彈性復(fù)核。

(3)為保證底層框架柱的延性，嚴(yán)格控制框柱的軸壓比不高于0.5，控制框架柱截面的剪應(yīng)力水平。

(4)開大洞的二層樓板均設(shè)為全層彈性板，板厚為150mm，采用雙層雙向配筋。

6 結(jié)論

(1)筒中筒底部柱采用Y型柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)合理可靠，設(shè)計應(yīng)注意斜柱傾斜角度的控制，計算時Y型柱轉(zhuǎn)換區(qū)域的樓層應(yīng)設(shè)為彈性板。

(2)Y型柱的節(jié)點實際受力非常復(fù)雜，其局部應(yīng)力較大，工程設(shè)計中應(yīng)給予重視。

(3)Y型斜柱頂部梁柱節(jié)點及Y型斜柱頂部中間框架梁均承受較大的拉應(yīng)力，設(shè)計應(yīng)復(fù)核Y型斜柱頂部中間框架梁承受的拉應(yīng)力是否大于鋼筋混凝土梁的應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值，并采取可靠措施確保結(jié)構(gòu)的安全。

[1] JGJ 3-2010 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[2] GB50011-2010 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[3] GB50011-2010 建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.