某超高層辦公樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

吳鴻志

(嘉博聯(lián)合設(shè)計(jì)股份有限公司 福建福州 350001)

1 工程概述

某超高層辦公樓位于贛州市章江新區(qū)核心區(qū)域，南鄰濱江大道，西鄰筠門(mén)嶺路，東靠城市干道東江源大道。該工程上部為46層公寓和辦公樓，首層層高11m，標(biāo)準(zhǔn)層層高4.2m，結(jié)構(gòu)總高度198.7m，設(shè)3個(gè)避難層，頂部為25m高的幕墻構(gòu)架，地面以下設(shè)2層地下室，滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)埋深要求及地下車(chē)庫(kù)使用。效果圖如圖1所示，建筑標(biāo)準(zhǔn)層如圖2所示。

圖1 項(xiàng)目效果圖

圖2 建筑標(biāo)準(zhǔn)層平面圖

該工程采用鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)，根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ3-2010)[1]表3.3.1-2屬于B級(jí)高度的超高層結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)一般不規(guī)則性?xún)H扭轉(zhuǎn)不規(guī)則一項(xiàng)，即層間位移比大于1.2，但小于1.4，無(wú)其它不規(guī)則項(xiàng)。該工程為標(biāo)準(zhǔn)抗震設(shè)防類(lèi)別，抗震設(shè)防烈度6度，加速度值0.05g，設(shè)計(jì)地震分組第一組，場(chǎng)地特征周期0.35s，建筑場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)。50年一遇基本風(fēng)壓0.30kN/m2，地面粗超度B類(lèi)，風(fēng)荷載體型系數(shù)1.40，突出屋頂部分幕墻考慮雙迎風(fēng)面和雙背風(fēng)面。

2 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

2.1 工程地質(zhì)情況

擬建場(chǎng)地原始地貌屬章江河流Ⅱ級(jí)階地地段，經(jīng)人工平整，勘察期間場(chǎng)地地形起伏較小。場(chǎng)區(qū)地層自上而下大體可分為8層，分別為：①雜填土層、②粉質(zhì)粘土層、③細(xì)砂、④圓礫層、⑤全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層、⑥強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層、⑥-1強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、⑦中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層；其中⑥-1強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖為中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖中的強(qiáng)風(fēng)化夾層，巖體完整程度屬極破碎巖體，巖體結(jié)構(gòu)屬散體狀結(jié)構(gòu)；⑦中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層巖體較完整，巖體結(jié)構(gòu)為層狀結(jié)構(gòu)，巖層頂面標(biāo)高約為90m～94m，個(gè)別鉆孔揭露有“溶洞”；各土層主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1所示，典型地質(zhì)剖面如圖3所示。

表1 天然狀態(tài)巖土層主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)建議值表

圖3 典型地質(zhì)剖面

該工程下水類(lèi)型為第四系松散巖類(lèi)上層滯水及孔隙水，主要接受大氣降水垂直滲透補(bǔ)給及周邊含水層、章江河水的側(cè)向滲透補(bǔ)給，勘察期間地下水位標(biāo)高95.14m～99.52m。

2.2 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

該工程地下室底板面標(biāo)高為黃海96.300，底板主要落在⑥強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層，地基承載力特征值為320kPa，不滿(mǎn)足上部荷載要求，初步設(shè)計(jì)考慮采用嵌巖樁基礎(chǔ)。根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94-2008)[2]嵌巖樁單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值可按下式計(jì)算：

Quk=Qsk+Qrk=uΣqsikli+ζrfrkAp

式中：qsik樁周第i層土的極限側(cè)阻力；

ζr樁嵌巖段側(cè)阻和端阻綜合系數(shù)；

frk為巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

經(jīng)計(jì)算，核心筒采用Ф2500徑灌注樁，嵌巖深度不小于17m，單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值取63 000kN；外圍框架柱下采用Ф2500徑灌注樁，嵌巖深度不小于8m，單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值取53 000kN，基礎(chǔ)平面如圖4所示。由于擬建場(chǎng)地內(nèi)⑦中風(fēng)化巖層3個(gè)鉆孔揭露有“溶洞”，勘探單位建議在樁基礎(chǔ)施工前進(jìn)行超前鉆施工勘察，一樁一探，進(jìn)一步查清樁基礎(chǔ)持力層應(yīng)力范圍內(nèi)的巖土完整性。

圖4 樁基礎(chǔ)平面圖

初步設(shè)計(jì)后，跟當(dāng)?shù)貛r土專(zhuān)家進(jìn)行了溝通與咨詢(xún)。專(zhuān)家認(rèn)為，贛州為非巖溶地區(qū)，地勘單位把中風(fēng)化巖層內(nèi)的空洞判定為“溶洞”有誤，該部分空洞主要是巖層中含易溶物質(zhì)，在風(fēng)化過(guò)程形成了土洞，土洞內(nèi)填充物被地下孔隙水帶走形成空洞，分布范圍少且揭示高度僅0.1m～0.3m，建議在擴(kuò)初設(shè)計(jì)的樁位上進(jìn)行一樁一探補(bǔ)勘，有揭露空洞的區(qū)域再適當(dāng)加密勘探點(diǎn)大致判定空洞的寬度，并采用高壓灌注水泥砂漿的方法對(duì)空洞進(jìn)行填充處理，阻止空洞發(fā)育。每個(gè)空洞鉆取兩個(gè)孔，一個(gè)灌漿孔，一個(gè)排氣孔，保證注漿灌滿(mǎn)空洞。

空洞處理方案確定后，為了縮短基礎(chǔ)施工工期以及節(jié)約成本造價(jià)，經(jīng)與業(yè)主、專(zhuān)家協(xié)商后，決定采用整體筏板基礎(chǔ)，持力層超挖至⑦中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，承載力特征值為970kPa，筏板厚度3200mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C40(P8)，框架柱位置設(shè)上反柱帽滿(mǎn)足柱邊抗沖切承載力要求，筏板基礎(chǔ)平面布置如圖5所示。經(jīng)計(jì)算，基底平均反力為843kPa，最大反力為1110kPa，地基承載力可以滿(mǎn)足要求；而且整體筏板受荷面積大、剛度大，可以起到跨越空洞的作用，減少空洞對(duì)基礎(chǔ)的影響。

圖5 筏板基礎(chǔ)平面圖

3 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 主體結(jié)構(gòu)體系

該工程主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)，核心筒外圈主要剪力墻由底到上厚度從1000mm逐漸收到400mm，核心筒內(nèi)部剪力墻厚度250～300mm；主體外圍從基礎(chǔ)面至29層采用鋼管混凝土疊合柱，疊合柱混凝土最大直徑1800mm，鋼管最大直徑1100mm、壁厚30mm，至上部逐漸收到混凝土最大直徑1200mm，鋼管直徑900mm、壁厚20mm，設(shè)置一層過(guò)渡層，30層及以上采用普通鋼筋混凝土柱。剪力墻、框架柱的混凝土強(qiáng)度等級(jí)C60～C30，鋼管采用Q345鋼材。標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置如圖6所示。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置圖

上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位設(shè)于地下室頂板處，地下一層側(cè)向剛度與地上一層側(cè)向剛度比值滿(mǎn)足大于2的要求，頂板板厚為180mm；上部樓蓋采用鋼筋混凝土梁板體系，混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C30，二層樓板板厚為150mm，標(biāo)準(zhǔn)層和屋面層樓板厚度分別為110mm和120mm；標(biāo)準(zhǔn)層的主要框架梁截面為400mm×700mm、500mm×700mm、500mm×1000mm。由于一二層層高差異較大，為了避免剛度突變出現(xiàn)薄弱層，適當(dāng)加大了一層剪力墻與框架柱的截面，同時(shí)把框架梁高度加到1500mm。

根據(jù)《超限高層建筑抗震設(shè)防專(zhuān)項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》(建質(zhì)〔2015〕67號(hào))[3]，該工程屬于超限高層結(jié)構(gòu)。針對(duì)超限采用結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)，性能目標(biāo)為：豎向構(gòu)件中震斜截面彈性、正截面不屈服；連梁、框架梁中震斜截面不屈服、正截面允許進(jìn)入塑性。底部加強(qiáng)區(qū)豎向構(gòu)件大震斜截面、正截面不屈服，其它樓層豎向構(gòu)件允許進(jìn)入塑性，但應(yīng)符合受剪截面限制條件。

3.2 主體結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

3.2.1小震作用下的計(jì)算

該工程主體結(jié)構(gòu)采用振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算地震作用，采用的振型數(shù)量應(yīng)保證質(zhì)量參與系數(shù)達(dá)到90%以上，并考慮雙向地震作用和質(zhì)量偶然偏心影響。由于該工程主體平面呈類(lèi)三角形狀，有多方向抗側(cè)力構(gòu)件，應(yīng)計(jì)算0度、30度、60度三個(gè)方向的水平地震作用。計(jì)算軟件主要采用YJK和Midas Building，并對(duì)二者計(jì)算后的主要指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比。如表2～表3和圖7～圖8所示。

表2 結(jié)構(gòu)自振周期、基底剪力、質(zhì)量參與系數(shù) YJK

表3 結(jié)構(gòu)自振周期、基底剪力、質(zhì)量參與系數(shù) Midas

(a)X向?qū)娱g位移角(地震) (b)Y向?qū)娱g位移角(地震)圖7 地震工況樓層層間位移角對(duì)比圖

(a)X向?qū)娱g位移角(風(fēng)) (b)Y向?qū)娱g位移角(風(fēng))圖8 風(fēng)工況樓層層間位移角對(duì)比圖

對(duì)YJK與Midas Building兩種不同力學(xué)模型軟件的計(jì)算結(jié)果對(duì)比可知，結(jié)構(gòu)的自振周期、基底剪力、質(zhì)量參與系數(shù)、層間位移角等計(jì)算結(jié)果相近，采用YJK計(jì)算結(jié)果進(jìn)行施工圖設(shè)計(jì)安全可靠。

該工程核心筒的剪力比和傾覆力矩比均大于50%，可以作為抗震第一道防線(xiàn)；各樓層外框架分配的地震剪力均大于結(jié)構(gòu)底部總地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值的10%，可以作為抗震第二道防線(xiàn)；部分樓層外框架分配的地震剪力小于結(jié)構(gòu)底部總地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值的20%，依據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ3-2010)[1]第9.1.11條第三項(xiàng)，應(yīng)按結(jié)構(gòu)底部總地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值的20%和框架部分樓層地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值中最大值的1.5倍二者的較小值進(jìn)行調(diào)整。

3.2.2彈性時(shí)程分析

該工程采用YJK進(jìn)行彈性動(dòng)力時(shí)程分析，根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ3-2010)[1]、《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010)[4]的要求，選取5條天然波、2條人工波，峰值加速度取18cm/s2。計(jì)算結(jié)果顯示， X 、Y向各7條波中每一條的基底剪力均大于反應(yīng)譜法基底剪力的65%，平均基底剪力大于反應(yīng)譜法基底剪力的80%，滿(mǎn)足規(guī)范對(duì)時(shí)程分析地震波的要求。

規(guī)范譜與各地震波譜比較如圖9所示。時(shí)程分析所得的傾覆力矩、樓層剪力、層間位移角和樓層最大位移的對(duì)比結(jié)果均正常，未見(jiàn)明顯的剛度突變。各條波的剪力平均值僅在頂部幾層略大于規(guī)范譜值，根據(jù)時(shí)程分析結(jié)果分別進(jìn)行局部樓層地震力放大，其中X向42層以上的放大系數(shù)取為1.17，Y向45層以上的放大系數(shù)取為1.11。

3.2.3風(fēng)振舒適度驗(yàn)算和樓板應(yīng)力分析

《高規(guī)》第3.7.6條規(guī)定，房屋高度不小于150m的高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)滿(mǎn)足風(fēng)振舒適度要求。計(jì)算采用10年一遇的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值0.20kN/m2，結(jié)構(gòu)阻尼比0.02，計(jì)算結(jié)果如表4所示，頂點(diǎn)最大加速度值均滿(mǎn)足規(guī)范要求(<0.150m/s2)。

采用Midas Building選取典型樓層計(jì)算樓板應(yīng)力，計(jì)算結(jié)果圖10所示，核心筒周圈和主要框架梁邊為應(yīng)力較大的位置，施工圖設(shè)計(jì)時(shí)針對(duì)這些位置的板配筋進(jìn)行加強(qiáng)，并采用小直徑密間距的方式進(jìn)行布筋，減輕應(yīng)力集中造成的結(jié)構(gòu)損傷。

圖10 樓板應(yīng)力圖

3.2.4中震彈性、中震不屈服和大震不屈服驗(yàn)算

為滿(mǎn)足“中震可修、大震不倒”的抗震設(shè)防要求，根據(jù)抗震性能目標(biāo)要求，中、大震作用下，構(gòu)件承載力按彈性驗(yàn)算時(shí)，不考慮抗震內(nèi)力調(diào)整，且抗震承載力調(diào)整系數(shù)及荷載、材料的分項(xiàng)系數(shù)均同小震取值系數(shù)，材料強(qiáng)度取設(shè)計(jì)值；而構(gòu)件承載力按不屈服驗(yàn)算時(shí)，抗震承載力調(diào)整系數(shù)、荷載分項(xiàng)系數(shù)均為1.0，材料強(qiáng)度采用標(biāo)準(zhǔn)值[5]。

3.2.5罕遇地震下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)

依據(jù)《高規(guī)》第3.11.4條第1項(xiàng)和條文說(shuō)明，該工程房屋高度在150～200m之間且結(jié)構(gòu)基本自振周期大于4s，應(yīng)采用動(dòng)力彈塑性分析方法進(jìn)行彈塑性變形驗(yàn)算，分析軟件采用YJK程序的動(dòng)力彈塑性分析模塊。

結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下某些部位會(huì)發(fā)生屈服甚至破壞退出工作，結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)從彈性進(jìn)入彈塑性，隨著塑性的發(fā)展，結(jié)構(gòu)的剛度不斷退化，阻尼比隨之增加。對(duì)這一過(guò)程的模擬通過(guò)動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析方法進(jìn)行，在初設(shè)階段達(dá)到如下目的：

(1)評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的彈塑性行為，根據(jù)主要構(gòu)件的塑性損傷情況和整體變形情況，確認(rèn)結(jié)構(gòu)是否滿(mǎn)足“大震不倒”的設(shè)防水準(zhǔn)要求；

(2)研究高度對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，包括罕遇地震下的最大頂點(diǎn)位移、最大層間位移以及最大基底剪力；

(3)研究結(jié)構(gòu)剪力墻、梁柱、樓板等結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷及塑性應(yīng)變影響；

(4)根據(jù)以上分析結(jié)果，針對(duì)結(jié)構(gòu)薄弱部位和薄弱構(gòu)件提出相應(yīng)的加強(qiáng)措施，用以指導(dǎo)施工圖設(shè)計(jì)。

采用YJK軟件進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析，選取2條天然波、1條人工波，分別從X、Y向輸入，峰值加速度取125cm/s2，規(guī)范譜與地震波譜對(duì)比如圖11所示。經(jīng)計(jì)算，在罕遇地震作用下，X向?qū)娱g最大位移角為1/295，Y向?qū)娱g最大位移角為1/238，滿(mǎn)足規(guī)范要求，位移角曲線(xiàn)平滑無(wú)突變。

圖11 規(guī)范譜與地震波譜對(duì)比圖

(a)核心筒 (b)外圍框架圖12 核心筒及外圍框架整體損傷示意圖

通過(guò)選取的3條地震波計(jì)算得的動(dòng)力彈塑性分析結(jié)果對(duì)比，ArtWave-RH3TG040,Tg(0.40)地震波作用下結(jié)構(gòu)的綜合地震響應(yīng)較大，故，取該波作用下的構(gòu)件損傷情況為例進(jìn)行分析(圖12)。結(jié)構(gòu)核心筒剪力墻基本保持完好，僅局部墻體有輕、中度損傷，其中底部加強(qiáng)區(qū)僅有輕度損傷，沿結(jié)構(gòu)高度方向豎向構(gòu)件的損傷逐漸減少，在整體上屬于輕微損傷；連梁、框架梁等耗能構(gòu)件損傷較大，有效地起到了延性耗能作用；外圍框架柱完好，作為二道防線(xiàn)性能良好；樓板綜合評(píng)定屬于輕度損傷，在大震作用下仍能有效傳遞水平力。綜上，結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的性能狀態(tài)可以達(dá)到既定的性能目標(biāo)。

4 梁柱節(jié)點(diǎn)和柱腳節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

4.1 梁柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

該工程主體外圍框架從基礎(chǔ)面至29層采用鋼管混凝土疊合柱，框架梁均為普通鋼筋混凝土梁，梁柱連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵。綜合考慮建筑功能的需求和施工的便利性，該工程梁柱連接節(jié)點(diǎn)采用鋼管開(kāi)小孔的作法。鋼管開(kāi)小孔對(duì)鋼管截面削弱相對(duì)較小，梁鋼筋穿過(guò)小孔后剩余的縫隙小，不影響鋼管混凝土疊合柱的承載能力和變形能力[6]。

鋼管開(kāi)小孔后，通過(guò)設(shè)置水平內(nèi)環(huán)板和豎向加勁肋進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，如圖13所示。經(jīng)有限元計(jì)算：鋼管柱整體應(yīng)力水平小于設(shè)計(jì)強(qiáng)度；開(kāi)洞周?chē)霈F(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，個(gè)別單元接近設(shè)計(jì)強(qiáng)度，應(yīng)力集中屬正常現(xiàn)象，洞口周邊應(yīng)力水平基本低于設(shè)計(jì)強(qiáng)度，如圖14所示。

圖13 梁柱節(jié)點(diǎn)圖

圖14 鋼管柱應(yīng)力云圖

4.2 柱腳節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

該工程疊合柱鋼管伸至地下二層筏板面，為了便于施工，柱腳采用端承式構(gòu)造做法，如圖15所示；端承式柱腳還應(yīng)驗(yàn)算鋼管端部鋼板下混凝土的局部承壓。

圖15 疊合柱的柱腳構(gòu)造

5 結(jié)論

(1)該工程屬于B級(jí)高度超限高層建筑，采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，基于抗震“三水準(zhǔn)”的設(shè)計(jì)原則，采用性能化設(shè)計(jì)方法，通過(guò)三個(gè)階段的計(jì)算分析對(duì)比，結(jié)果表明設(shè)計(jì)滿(mǎn)足性能目標(biāo)要求。

(2)小震計(jì)算通過(guò)兩個(gè)不同力學(xué)模型軟件分析對(duì)比，結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)剛度、質(zhì)量分布均勻，各項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)滿(mǎn)足現(xiàn)行規(guī)范要求。

(3)中震計(jì)算復(fù)核：豎向構(gòu)件斜截面彈性、正截面不屈服，連梁、框架梁斜截面不屈服。

(4)大震計(jì)復(fù)核底部加強(qiáng)區(qū)豎向構(gòu)件正截面和斜截面不屈服；采用動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析方法，確認(rèn)結(jié)構(gòu)損傷部位及損傷程度，設(shè)計(jì)可以針對(duì)性地采取加強(qiáng)措施。

(5)梁柱連接的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，采用有限元軟件補(bǔ)充分析構(gòu)件應(yīng)力，可以保證滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

該項(xiàng)目針對(duì)超限結(jié)構(gòu)采取的計(jì)算手段、分析方法及構(gòu)造加強(qiáng)措施，可供類(lèi)似超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參考。