重慶仙桃數(shù)據(jù)谷11#樓復(fù)雜多塔連體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

廖昉，馬悅，田宗宇，梁濤

（中機(jī)中聯(lián)工程有限公司，重慶 400039）

1 工程概況

仙桃數(shù)據(jù)谷位于重慶渝北區(qū)悅來(lái)國(guó)際商務(wù)區(qū)，主要布局大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和跨境電子商務(wù)等新興產(chǎn)業(yè)，致力于積聚大數(shù)據(jù)全產(chǎn)業(yè)鏈，包括數(shù)據(jù)感知、存儲(chǔ)、挖掘分析及應(yīng)用等。該工程為重慶市仙桃數(shù)據(jù)谷項(xiàng)目的辦公樓項(xiàng)目11#樓，位于整個(gè)園區(qū)的二期中央核心位置。建筑分類為高層公共建筑，設(shè)計(jì)耐火等級(jí)地上二級(jí)，地下一級(jí)，建筑工程設(shè)計(jì)等級(jí)一級(jí)，使用功能為辦公、展覽館及車庫(kù)。該工程包括地下車庫(kù)和地上塔樓，建筑面積約2.9萬(wàn)m2。該項(xiàng)目已于2016年10月開(kāi)工建設(shè)。本文重點(diǎn)介紹11#樓的設(shè)計(jì)情況。整體建筑效果圖如圖1所示。

圖1 建筑效果圖

11#樓建筑面積約為2.9萬(wàn)m2，地下1.2萬(wàn)m2，地上1.7萬(wàn)m2。地下2層，地下室西側(cè)為與13#塔樓地下室的結(jié)構(gòu)脫縫位置。地上5層，由兩個(gè)鏡像的連體塔樓A、B組成，其中北側(cè)的連體編號(hào)為A塔，南側(cè)的連體編號(hào)為B塔。在第1層至第3層，A、B兩個(gè)塔又各自分為兩個(gè)結(jié)構(gòu)單元，在第4層至第5層，結(jié)構(gòu)中的單塔組合為兩個(gè)連體結(jié)構(gòu)，塔數(shù)合并為兩個(gè)，塔樓形狀為兩個(gè)長(zhǎng)矩形。兩棟連體塔樓屋頂設(shè)置一跨度33.6m的鋼結(jié)構(gòu)屋蓋。1-2層為大堂和展覽功能，層高5.1m，3-5層為辦公，層高4.5m。結(jié)構(gòu)平面布置如圖2和圖3所示。

圖3 第四層連體層結(jié)構(gòu)平面布置圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)體系的選擇

該工程采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，兩個(gè)分塔大跨度連體部分采用型鋼混凝土梁。主體結(jié)構(gòu)總高34.8m，車庫(kù)層部分9.0m，地上部分25.8m。第九層鋼結(jié)構(gòu)-混凝土連接層層高3.5m，頂層鋼結(jié)構(gòu)桁架高4.5m。

該工程場(chǎng)地類別為Ⅲ類，抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，嵌固端于基礎(chǔ)頂部。

該工程因建筑需求和場(chǎng)地情況，為復(fù)雜多塔-連體結(jié)構(gòu)。以車庫(kù)頂板作為參照點(diǎn)，向上分為4個(gè)結(jié)構(gòu)單元。如圖2中所示，北側(cè)的2個(gè)單元和南側(cè)的兩個(gè)單元分別在4層采用型鋼梁強(qiáng)連接，形成南北兩個(gè)連體塔。連體最大跨度為25.2m，在圖3中，紅色的梁線為型鋼梁，根據(jù)建筑凈高和外立面要求，典型梁截面為500×1400， 內(nèi)藏型鋼截面為H型鋼1200×250×16×35。塔樓典型柱截面為800×800，圖3中紅色填充部分與連體相連的框架柱為型鋼柱，柱混凝土標(biāo)高從C50到C40（沿高度變化）。其中北側(cè)的連體編號(hào)為A塔，南側(cè)的連體編號(hào)為B塔。樓蓋體系在車庫(kù)頂板，及多塔分塔層板厚采用180mm，車庫(kù)頂板以上樓蓋板厚均采用140mm厚，梁板混凝土等級(jí)均為C40。型鋼均采用Q345B。

整體計(jì)算模型三維透視如圖4所示。

圖4 整體計(jì)算模型三維透視圖

2.2 關(guān)鍵構(gòu)件和性能目標(biāo)

該工程使用功能為辦公樓，同時(shí)綜合考慮抗震設(shè)防類別、設(shè)防烈度、場(chǎng)地條件等因素，根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2010第3.11.1條及相關(guān)條文規(guī)定，并同時(shí)綜合考慮抗震設(shè)防類別、設(shè)防烈度、場(chǎng)地條件、結(jié)構(gòu)的特殊性、建造費(fèi)用、震后損失和修復(fù)難易程度等因素，確定該工程抗震性能目標(biāo)定為D級(jí)，以保證結(jié)構(gòu)在極端地震條件作用下，仍然能夠做到有序可控的發(fā)生構(gòu)件破壞。

經(jīng)過(guò)對(duì)該工程建筑結(jié)構(gòu)特性分析，確定該工程最下部為兩層車庫(kù)對(duì)無(wú)填土一側(cè)及相對(duì)側(cè)框架柱和連體層與組成連接體框架梁、柱和與連接體相連的框架梁、柱定義為關(guān)鍵構(gòu)件。此外，連體層的樓板也采取有效的加強(qiáng)措施。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

3.1 多遇地震分析

該工程的結(jié)構(gòu)形式為兩組連體形成的多塔結(jié)構(gòu)，上部鋼結(jié)構(gòu)屋蓋橫跨兩側(cè)連體結(jié)構(gòu)是該工程的一個(gè)重要特征。

在分析計(jì)算多塔和鋼結(jié)構(gòu)屋蓋連體對(duì)單塔結(jié)構(gòu)的影響時(shí)，遵循逐項(xiàng)剝離，排除干擾因素的科學(xué)研究原則，對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行了計(jì)算分析。在單塔結(jié)構(gòu)模型中，鋼結(jié)構(gòu)所具有的質(zhì)量已通過(guò)附加荷載的方式，施加在結(jié)構(gòu)的相應(yīng)柱截面上。

計(jì)算模型中定義了豎向荷載和水平荷載工況，其中豎向荷載工況包括結(jié)構(gòu)自重，附加恒荷載以及活荷載，水平荷載工況包括地震作用和風(fēng)荷載。對(duì)于小震的水平地震作用考慮雙向地震以及偶然偏心的影響；考慮不同方向的地震作用；計(jì)算了豎向地震作用。地震作用的計(jì)算采取振型分解反應(yīng)譜法。計(jì)算中考慮了結(jié)構(gòu)的重力二階效應(yīng)。結(jié)構(gòu)分析軟件主要應(yīng)用盈建科YJK結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件，對(duì)關(guān)鍵參數(shù)采用CSI公司開(kāi)發(fā)的ETABS進(jìn)行對(duì)比分析（表1）。

表1 多塔模型與單塔模型分析結(jié)果對(duì)比

單多塔模型對(duì)比分析的主要目的為發(fā)現(xiàn)另外一個(gè)塔樓及鋼結(jié)構(gòu)屋蓋帶來(lái)的不利影響，從以上的分析結(jié)果可以看出，兩個(gè)模型的振型、層間位移角、扭轉(zhuǎn)位移比的規(guī)律基本一致，多塔模型因?yàn)橛辛硪粋€(gè)塔樓及鋼結(jié)構(gòu)屋蓋相連的原因，對(duì)高階振型的影響較大，分擔(dān)了部分單塔的地震作用力。多塔模型也具有更好的剛度，豎向變形更小。屋面鋼結(jié)構(gòu)屋蓋對(duì)限制屋面的扭轉(zhuǎn)變形有一定的幫助，但鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的剛度相對(duì)于底部主體結(jié)構(gòu)要小很多，影響很小，但對(duì)振型的影響較為明顯，相對(duì)于單塔模型，多塔模型具有更好的動(dòng)力特性。

表2 多塔模型兩種軟件分析結(jié)果對(duì)比

對(duì)多塔模型進(jìn)行分析時(shí)采用考慮扭轉(zhuǎn)偶聯(lián)的振型分解反應(yīng)譜法并考慮偶然偏心的影響，計(jì)算振型數(shù)為60個(gè)。從YJK和ETABS兩個(gè)程序振型對(duì)比分析的結(jié)果如表2所示，兩者總質(zhì)量、振動(dòng)模態(tài)和周期基本一致，可初步判斷模型的分析結(jié)果準(zhǔn)確、可信，從周期分析結(jié)果可以看出結(jié)構(gòu)的第一扭轉(zhuǎn)周期與第一平動(dòng)周期之比均滿足規(guī)范0.85的要求，且結(jié)構(gòu)的最小剪重比為1.364%，大于 《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.2.5條中的最小限值0.80%，滿足規(guī)范要求。結(jié)構(gòu)的剛重比大于20，能夠通過(guò)高規(guī)的整體穩(wěn)定驗(yàn)算，不考慮重力二階效應(yīng)。結(jié)構(gòu)的最大位移角為1/1493，遠(yuǎn)小于規(guī)范限制1/550。最大位移比為1.45，大于規(guī)范限值1.40，出現(xiàn)的位置為車庫(kù)頂板西南側(cè)角部，其原因主要是因?yàn)樵撐恢脼槊摽p位置，沒(méi)有設(shè)置Y向的地下室外墻，而其余三側(cè)均有地下室外擋墻，西側(cè)脫縫位置 Y向剛度較弱，導(dǎo)致西側(cè)角部Y向位移比偏大，我們進(jìn)一步分析，在實(shí)際工程中該工程的南北側(cè)均有室外回填土，可以提供相當(dāng)程度的Y向約束。我們采用“土層水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)（m值）”來(lái)考慮回填土對(duì)地下室的側(cè)向約束。m值參考《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ94-2008）表5.7.5中灌注樁稍密填土取值10MN/m4。按約束假定模型分析后結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)位移比為1.15，滿足規(guī)范要求。地下室頂板以上最大的扭轉(zhuǎn)位移比為1.26（5層Y向），通過(guò)增加T1和T12軸兩列邊柱的截面增加到600×800來(lái)限制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)變形。

YJK與ETABS的分析結(jié)果接近，說(shuō)明模型的分析結(jié)果準(zhǔn)確、可信。在多遇地震作用下，結(jié)構(gòu)構(gòu)件均處于彈性狀態(tài)，承載能力和各項(xiàng)指標(biāo)滿足規(guī)范要求。

3.2 多遇地震彈性時(shí)程補(bǔ)充分析

計(jì)算分析時(shí)選用Ⅲ類場(chǎng)地（Tg=0.45s）上的五條天然波及兩條人工模擬的加速度時(shí)程曲線，采用主、次波的方式考慮雙向地震作用。選取的地震波編號(hào)為Big bear907、Coalinga364、Northridge959、TH3TG045、Taiwan2960、RH1TG045、RH2TG045。各條波峰值加速度均調(diào)整為18gal，持續(xù)時(shí)間均大于25s，主次方向的比值為1.00：0.85。根據(jù)分析，在X方向和Y方向上每條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力大于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的65%，多條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值大于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的80%，所選擇地震波的時(shí)程分析曲線與反應(yīng)譜分析曲線規(guī)律一致，結(jié)果相近，能夠滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2001）第5.1.2條的規(guī)定。X方向與Y方向的反應(yīng)譜分析結(jié)果未完全包絡(luò)彈性時(shí)程分析的平均值，表明依據(jù)CQC方法的分析結(jié)果所進(jìn)行的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在乘以合適的放大系數(shù)后，所得到的計(jì)算結(jié)果符合多遇地震作用下的抗震性能設(shè)計(jì)要求。計(jì)算軟件分析表明，反應(yīng)譜與時(shí)程分析的結(jié)果之間具有一致性和規(guī)律性，符合工程經(jīng)驗(yàn)及力學(xué)概念所做的判斷。時(shí)程波的選取符合規(guī)范要求。

4 動(dòng)力彈塑性分析

罕遇地震的非線性分析采用盈建科彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析軟件（以下簡(jiǎn)稱YJK-EP）軟件，該軟件適用于混凝土、鋼材的空間非線性力學(xué)行為分析，采用FEMA破壞狀態(tài)的判別和變形驗(yàn)算方法，進(jìn)行不同性能水準(zhǔn)的變形驗(yàn)算；采用非線性動(dòng)力微分方程求解方法為等加速度的Newmark方法。

4.1 損傷評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

在YJK-EP中構(gòu)件的損壞主要以混凝土的受壓損傷因子及鋼材（鋼筋）的塑性應(yīng)變程度作為評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。鋼、鋼筋纖維的損傷因子dstl由纖維的塑性應(yīng)變與極限拉應(yīng)變的比值計(jì)算獲得。應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度之前，損傷因子dstl為0?？倯?yīng)變達(dá)到極限應(yīng)變時(shí)，損傷因子為1?；炷晾w維的受拉或受壓比損傷因子dt、dc依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄C中公式計(jì)算。獲得每個(gè)纖維的受拉或受壓損傷因子之后，按面積、纖維材料的強(qiáng)度與纖維到截面形心的距離的平方三者的乘積作為權(quán)系數(shù)加權(quán)后得到截面的綜合損傷值。

4.2 彈塑性分析結(jié)果

依據(jù) 《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）第3.11.4條條文說(shuō)明，在進(jìn)行彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析時(shí)，采用雙向地震輸入，即各向地震分量分別沿結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系的水平向（X、Y向）分別輸入。水平主向、水平次向、豎向的加速度峰值按抗震規(guī)范1.0∶0.85∶0.65的比例要求進(jìn)行調(diào)幅。選擇了2組天然波 （Superstition Hills-02_NO_726，Irpinia， Italy-02_NO_302）和1組人工波（ArtWave-RH3TG055）進(jìn)行彈塑性分析。

時(shí)程從圖5中數(shù)據(jù)可知，4-6層為連體分開(kāi)的層數(shù)，且樓層要高于上部連體層，這幾層位移角相對(duì)較大，是設(shè)計(jì)階段需要重點(diǎn)加強(qiáng)的部位。最大層間位移角均發(fā)生在第5層，X向最大位移角為1/138，Y向最大位移角為1/191。結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)絕對(duì)位移為屋面 （第8層）節(jié)點(diǎn)時(shí)程最大位移，計(jì)算側(cè)移角時(shí)取結(jié)構(gòu)高度為34.8m（嵌固端距屋面距離）。最大X向頂點(diǎn)位移為129.5mm，最大Y向位移為158.4mm，頂點(diǎn)位移角分別為1/268和1/224，小于1/50。表明結(jié)構(gòu)在大震下有足夠的抗側(cè)剛度，能夠?qū)崿F(xiàn)大震不倒。

圖5 包絡(luò)工況的層間位移角

4.3 塑性損傷情況

在分析彈塑性結(jié)果中，框架柱最大受壓損傷未超過(guò)0.2，框架柱最大受拉損傷未超過(guò)0.75（如圖6所示），普遍損傷在0.5以內(nèi)，部分擋墻受拉損傷超過(guò)了0.5結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位整體上塑性發(fā)展程度不高，與連體相連的框架柱損傷都控制在0.3以內(nèi)。部分框架梁的梁端損傷較大，達(dá)到0.85以上，框架梁的損傷面積也相對(duì)較大，形成了較好的耗能體系。后期設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意加強(qiáng)與連體向量的框架柱配筋率。

圖6 包絡(luò)工況框架柱綜合受拉損傷云圖

4.4 鋼結(jié)構(gòu)屋蓋設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目屋面為大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)，整體外形為矩形平板外形，長(zhǎng)軸84.5m，短軸52.1m。主桁架沿南北兩個(gè)連體塔樓布置，最大跨度33.6m，跨中矢高2.5m，矢跨比為1/13.4，共10組主受力桁架，每榀桁架間距為8.4m，主桁架之間采用水平桿件和斜桿進(jìn)行聯(lián)系保證平面外穩(wěn)定性并組成空間體系。次結(jié)構(gòu)位于基本桁架上，為平面橫縱交叉的圓管。屋面板為建筑玻璃，固定在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上。鋼屋蓋采用Q345鋼材，典型截面有主桁架上下弦桿Φ194×12mm圓管， 次要桿件采用Φ180×12mm、Φ150×10mm、Φ140×10mm等圓管。專項(xiàng)分析鋼結(jié)構(gòu)模型時(shí)采用SAP2000空間有限元計(jì)算軟件，并采用3D3S進(jìn)行模型正確性驗(yàn)證。

4.5 支座選擇

該工程采用了普通橡膠支座和鉛芯橡膠支座進(jìn)行對(duì)比，鉛芯隔震橡膠支座與普通橡膠支座相比，鉛芯與板式都普通板式橡膠支座阻尼比在5%以下，鉛芯隔震橡膠支座阻尼比一般可在15%以上.鉛芯隔震橡膠支座在地震時(shí)可以延緩橋梁結(jié)構(gòu)周期，大幅減小橋梁上部結(jié)構(gòu)加速度，使上部鋼結(jié)構(gòu)屋蓋受力情況大為改善，因而具有很好的隔震效果，且鉛芯橡膠支座能保證小震和中震下的位移控制，并且可以釋放大震的較大地震力，因此選擇支座形式為鉛芯橡膠支座，型號(hào)為L(zhǎng)RB系列J4Q420×420×125G0.8，鉛芯屈服力96kN，等效阻尼比22.4%。

組合橫風(fēng)和小震作用下的最不利工況，最大的水平剪力為70kN，最大位移為13.55mm未超過(guò)鉛芯的屈服力96kN，因此認(rèn)為支座可以滿足彈性階段承載力和位移的要求。豎向力分析中最大軸力為604.5kN，所選支座能夠滿足承載力要求。

4.6 風(fēng)荷載分析

該工程鋼結(jié)構(gòu)屋蓋體形為平板式，但根據(jù)建筑找坡需求，沿短軸中線平法，中間有微微起拱，分別往兩側(cè)找坡2%。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009-2012第8.1.1條進(jìn)行風(fēng)荷載計(jì)算，計(jì)算高度H=31m，迎風(fēng)面寬度B=84.5m，T1=1.38s(按整體計(jì)算模型第一振型取值)，f1=1/T1=0.72Hz，地面粗糙度取B類，基本風(fēng)壓w0=0.4kN/m2。屋面的兩側(cè)的風(fēng)吸荷載為0.7 kN/m2和1.3kN/m2。從兩個(gè)正交方向進(jìn)行風(fēng)吸分析，采用不同的荷載組合分析最不利情況。恒載的參與系數(shù)為0.9，不考慮活載。從各工況分析結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，鋼結(jié)構(gòu)屋蓋最小軸力為57kN，未出現(xiàn)拉應(yīng)力。

4.7 撓度分析

根據(jù) 《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ7-2010 3.5.1條考察結(jié)構(gòu)的撓度。主桁架跨中撓度保證在1/395，懸挑部分也能滿足規(guī)范要求，僅4個(gè)角部的節(jié)點(diǎn)位置懸挑長(zhǎng)度較長(zhǎng)，剛度相對(duì)較弱，通過(guò)對(duì)懸挑跨及內(nèi)伸一跨增加疊合矩形梁的局部加強(qiáng)方式增強(qiáng)抗彎剛度，直接采用矩形管計(jì)算時(shí)角點(diǎn)撓度為-28.170mm，撓度為1/158滿足規(guī)范1/125要求。

4.8 穩(wěn)定性分析

采用SAP2000對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)單獨(dú)受力情況下的屈曲分析，通過(guò)定義1倍恒載和1倍活載（1.0DEAD+1.0LIVE）標(biāo)準(zhǔn)組合作用下的線性屈曲分析。結(jié)果顯示，第1階屈曲模態(tài)為桁架平外面失穩(wěn)，屈曲因子為5.17。結(jié)構(gòu)考慮初始缺陷和幾何非線性的極限荷載系數(shù)為3.01倍，分析顯示結(jié)構(gòu)具有足夠的穩(wěn)定性，穩(wěn)定破壞不會(huì)早于強(qiáng)度破壞。

5 結(jié)論

重慶仙桃數(shù)據(jù)谷11號(hào)樓由于建筑造型復(fù)雜，給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和后續(xù)施工帶了很大挑戰(zhàn)，本文就結(jié)構(gòu)分析結(jié)果做了簡(jiǎn)要介紹，得出如下結(jié)論：

（1）結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下，多塔和單塔及兩種結(jié)構(gòu)分析軟件的結(jié)果基本一致，計(jì)算結(jié)果較為可靠；彈性動(dòng)力時(shí)程分析結(jié)果補(bǔ)充分析了復(fù)雜結(jié)構(gòu)的薄弱部位，結(jié)構(gòu)構(gòu)件均處于彈性狀態(tài)，承載能力和變形能力滿足規(guī)范要求；

（2）結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下能保證關(guān)鍵構(gòu)件基本不受損壞，連體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在罕遇地震下不倒塌，結(jié)構(gòu)的層間位移角遠(yuǎn)小于規(guī)范限值，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性；

（3）通過(guò)分析結(jié)構(gòu)在多種地震情況下的力學(xué)響應(yīng)和不利部位，判斷了結(jié)構(gòu)薄弱部位，為設(shè)計(jì)階段進(jìn)行針對(duì)性加強(qiáng)提供了有效指導(dǎo)。

通過(guò)以上分析可知道，該工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)抗震規(guī)范“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設(shè)防要求，能實(shí)現(xiàn)預(yù)定的結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

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