佛山兆陽大廈超限結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

楊 濤 許 謙 商群濤

(奧意建筑工程設(shè)計(jì)有限公司，廣東 深圳 518031)

1 工程概況

本項(xiàng)目由兩棟塔樓、商業(yè)裙房及地下室組成。兩棟塔樓在18層～20層通過接近8 m的大懸挑進(jìn)行“連接”?？偢叨染鶠?60 m。建筑效果如圖1所示。

2 結(jié)構(gòu)體系和主要構(gòu)件

2.1 結(jié)構(gòu)體系

1號(hào)樓采用框架—核心筒結(jié)構(gòu)體系，高寬比為3.8，建筑總高160 mm，為B級(jí)高度超限高層。2號(hào)樓采用框架—剪力墻結(jié)構(gòu)體系，高寬比為4.4，建筑總高160 m，為超B級(jí)高度超限高層。

2.2 嵌固端選取

地下室頂板無開洞，剛度完整。地下1層與1層剛度比見表1，根據(jù)《高規(guī)》第5.3.7條，因剛度比大于2.0，頂板可作為上部建筑的嵌固端。

表1 嵌固端選取

2.3 結(jié)構(gòu)布置

剪力墻由下部700 mm收為上部400 mm。兩棟塔樓在17層以下部分核心筒角部及墻端設(shè)置鋼骨，用以補(bǔ)充邊緣構(gòu)件抗剪及抗彎承載力。

柱截面由下部最大1 700×1 500收為上部900×900。根據(jù)計(jì)算軸壓比及減少墻柱壓縮及徐變影響的要求，兩棟塔樓框架柱在底部約1/2～1/3建筑高度部分采用型鋼混凝土柱。

主梁以900 mm高為主。2層、3層和第18層避難層板厚為120 mm，標(biāo)準(zhǔn)層核心筒外板厚100 mm，核心筒內(nèi)板厚120 mm。結(jié)構(gòu)布置如圖2,圖3所示。

3 超限類型及抗震性能目標(biāo)

3.1 超限類型

根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防審查技術(shù)要點(diǎn)》，1號(hào)樓為B級(jí)高度超限高層，且存在局部不規(guī)則(穿層柱)，扭轉(zhuǎn)不規(guī)則共2條不規(guī)則項(xiàng)；2號(hào)樓為超B級(jí)高度超限高層，且存在局部不規(guī)則(穿層柱)，扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，凹凸不規(guī)則共3條不規(guī)則項(xiàng)。

3.2 抗震性能目標(biāo)

根據(jù)業(yè)主要求及本項(xiàng)目特點(diǎn)，選定本工程抗震性能目標(biāo)為C級(jí)，各部位抗震性能目標(biāo)如表2所示。

表2 性能目標(biāo)

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

4.1 計(jì)算參數(shù)

本工程建筑重要性系數(shù)取1.0；周期折減系數(shù)取0.8；連梁剛度折減系數(shù)小震取0.7，中震取0.5；結(jié)構(gòu)阻尼比取0.05。

多遇地震計(jì)算分別考慮0°,90°兩個(gè)主軸方向。其中2號(hào)樓水平力最不利方向角為18°，將考慮其在18°方向地震作用下的結(jié)構(gòu)性能。

4.2 多遇地震下結(jié)構(gòu)受力分析

采用YJK與Midas Building軟件進(jìn)行小震彈性對(duì)比分析。由表 3可見，兩軟件計(jì)算結(jié)果相近，計(jì)算模型可靠。對(duì)主要構(gòu)件進(jìn)行驗(yàn)算，結(jié)果表明：在風(fēng)及地震作用下，結(jié)構(gòu)最大層間位移角滿足規(guī)范要求，各豎向構(gòu)件軸壓比均滿足規(guī)范限值要求，底部墻肢未出現(xiàn)拉應(yīng)力，各構(gòu)件抗剪截面均滿足要求。結(jié)構(gòu)在小震作用下能夠滿足性能目標(biāo)要求。

表3 小震結(jié)構(gòu)整體指標(biāo)對(duì)比

對(duì)18層懸挑樓蓋區(qū)域進(jìn)行樓蓋豎向振動(dòng)舒適度驗(yàn)算：1號(hào)樓懸挑樓蓋豎向自振頻率為4.19 Hz，最大振動(dòng)加速度為0.08 m/s2，2號(hào)樓懸挑樓蓋豎向自振頻率為3.80 Hz，最大振動(dòng)加速度為0.056 m/s2，均滿足規(guī)范限值要求。

4.3 偶遇地震下結(jié)構(gòu)受力分析

在中震作用下，對(duì)框架柱、剪力墻進(jìn)行抗彎、抗剪承載力驗(yàn)算。結(jié)果表明：在底部框架柱及核心筒角部和剪力墻端部設(shè)置型鋼的情況下，豎向構(gòu)件抗彎承載力均滿足抗彎不屈服性能要求，框架柱均能滿足抗剪彈性性能要求，剪力墻大部分在構(gòu)造分布筋配置下能滿足抗剪彈性性能要求，個(gè)別剪力墻需提高水平筋配筋率。大部分連梁在構(gòu)造配箍下，能滿足中震抗剪不屈服的性能要求；對(duì)于受剪較大的連梁，通過加大箍筋或配置交叉暗撐后，能夠滿足抗剪不屈服性能要求。

對(duì)剪力墻墻肢進(jìn)行偏拉驗(yàn)算，在中震作用下，僅考慮恒活及地震作用下，1號(hào)樓局部墻肢出現(xiàn)最大為0.62 MPa拉應(yīng)力，2號(hào)樓局部墻肢出現(xiàn)0.90 MPa拉應(yīng)力，均未超過混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

對(duì)樓板在中震作用下進(jìn)行應(yīng)力分析，計(jì)算結(jié)果表明：兩棟塔樓在中震作用下，均在核心筒周邊出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，但小于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，實(shí)際配筋時(shí)將根據(jù)應(yīng)力進(jìn)行配筋，并采取雙層雙向拉通的配筋方式，保證中震下樓板的傳力性能。

對(duì)18層～20層大懸挑進(jìn)行中震作用下驗(yàn)算。結(jié)算表明：在中震作用下(增加豎向地震作用組合)，懸挑梁、懸挑梁根部框架柱及其節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的抗彎、抗剪承載力均能滿足要求并有一定富余。通過計(jì)算，1號(hào)樓偶遇地震下最大X向位移為118 mm，2號(hào)樓最大X向位移為157 mm，考慮最不利情況相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩棟塔樓最大位移為275 mm，實(shí)際將預(yù)留350 mm抗震縫，以考慮兩棟塔樓相對(duì)位移對(duì)懸挑結(jié)構(gòu)的影響。為提高懸挑梁面內(nèi)及面外剛度，考慮在懸挑主梁內(nèi)增加型鋼，型鋼往內(nèi)伸進(jìn)一跨，通過埋件與第一內(nèi)框柱相連。在懸挑梁根部柱內(nèi)設(shè)置型鋼，保證型鋼與柱剛接。

4.4 罕遇地震作用下動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析

本工程采用Midas building軟件對(duì)結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析。選取兩條天然波及一條人工波作為輸入條件。根據(jù)規(guī)范要求，地震波加速度峰值均調(diào)整為220 gal。

結(jié)構(gòu)最大基底剪力和最大位移如表4和表5所示，1號(hào)樓最大基底剪力為小震CQC的4.3倍，2號(hào)樓最大基底剪力為小震CQC的4.7倍，1號(hào)最大層間位移角為1/183，2號(hào)最大層間位移角為1/251，均滿足《廣高規(guī)》1/125的要求。達(dá)到了”大震不倒”的抗震設(shè)防要求。

表4 結(jié)構(gòu)最大基底剪力

表5 結(jié)構(gòu)最大位移

通過大震彈塑性分析下結(jié)構(gòu)的狀態(tài)可知：對(duì)1號(hào)樓，最終有約20%的框架梁及連梁達(dá)到屈服，框架柱僅在頂部出現(xiàn)10%的開裂，僅有不到3%的剪力墻產(chǎn)生了剪切破壞。對(duì)2號(hào)樓，最終有約25%的框架梁及連梁達(dá)到屈服狀態(tài)，框架柱僅在頂部出現(xiàn)15%的開裂，僅有不到0.3%的剪力墻產(chǎn)生了剪切破壞，其余部分應(yīng)變均在第一階段。

兩棟塔樓在大震作用下，框架梁及連梁出現(xiàn)較多塑性鉸，其余部分構(gòu)件均保持彈性狀態(tài)，說明耗能構(gòu)件起到了很好的耗能作用；剪力墻在底部樓層和加強(qiáng)層出現(xiàn)部分剪切損傷，但未發(fā)生整片墻或大面積的嚴(yán)重破壞，不至于引起局部倒塌和危及結(jié)構(gòu)整體安全，其余部分剪力墻混凝土受壓和鋼筋拉壓均屬于彈性階段，未出現(xiàn)剪力墻全截面剪切型損傷，剪力墻滿足抗剪彈性的設(shè)防要求。整個(gè)結(jié)構(gòu)二道設(shè)防體系得到了很好的保證。

5 高區(qū)大懸挑考慮施工設(shè)計(jì)優(yōu)化

本項(xiàng)目兩棟塔樓在高區(qū)(18層～21層)各自存在接近8 m跨度的懸挑結(jié)構(gòu)。由于樓層較高，且懸挑較大，給施工帶來一定難度。

初步考慮從16層～17層主體結(jié)構(gòu)搭臨時(shí)施工桁架，18層懸挑結(jié)構(gòu)模板支承在臨時(shí)施工桁架上進(jìn)行施工，此方案施工周期長，難度大，總體造價(jià)較高。為此，設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)懸挑結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)：以型鋼作為結(jié)構(gòu)自重和施工荷載的支承，來達(dá)到取消設(shè)置大面積支承桁架的目的。施工時(shí)，在17層搭設(shè)臨時(shí)三腳架，用于安裝18層型鋼，待型鋼安裝完畢，安裝梁模板，梁兩邊設(shè)置150寬牛腿，用于支撐鋼筋桁架樓承板，然后澆筑梁混凝土，澆筑時(shí)梁上部板厚范圍內(nèi)混凝土待鋪完鋼筋桁架樓承板后，與樓板統(tǒng)一澆筑，完成18層懸挑結(jié)構(gòu)施工，后面幾層懸挑結(jié)構(gòu)即可以18層樓面作為支承繼續(xù)施工。

此方案以懸挑梁型鋼作為樓承板及其所澆筑混凝土支承，設(shè)計(jì)時(shí)將驗(yàn)算型鋼在樓板自重及施工活荷載作用下強(qiáng)度及剛度，以保證混凝土在沒有形成強(qiáng)度之前，型鋼能承擔(dān)相應(yīng)荷載。同時(shí)預(yù)留的混凝土牛腿可作為鋼筋桁架樓承板的支承，而鋼筋桁架樓承板有足夠的強(qiáng)度和剛度作為澆筑混凝土?xí)r的臨時(shí)支承。整個(gè)施工過程，只需要在17層搭設(shè)臨時(shí)操作面，支承澆筑型鋼混凝土梁的荷載即可，大大降低了施工難度，節(jié)省了施工時(shí)間，見圖4。

6 設(shè)計(jì)主要加強(qiáng)措施

針對(duì)本工程特點(diǎn)，結(jié)合抗震性能目標(biāo)和分析結(jié)果，在設(shè)計(jì)中將采取以下加強(qiáng)措施：

1)根據(jù)中震分析結(jié)果適當(dāng)提高底部墻體水平及豎向分布鋼筋配筋率；

2)對(duì)兩棟塔樓底部的躍層柱，采取設(shè)置鋼骨、全長復(fù)合箍加密的方式予以加強(qiáng)；

3)低區(qū)樓層部分剪力很大的連梁加大箍筋或配置交叉暗撐；

4)2層、3層存在大開洞，對(duì)樓板進(jìn)行加厚，并雙層雙向配置拉通鋼筋，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)層，對(duì)剪力墻周邊拉應(yīng)力較大區(qū)域，根據(jù)計(jì)算應(yīng)力，配置雙層雙向拉通鋼筋，以保證水平力的傳遞；

5)對(duì)高區(qū)大懸挑區(qū)域的主懸挑梁設(shè)置型鋼，提高懸挑梁剛度及安全儲(chǔ)備，同時(shí)增強(qiáng)懸挑梁面外剛度，減小水平側(cè)移。