通州某超限高層商務(wù)型公寓樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

孫華敏 滕麗榮 李洪求

1.工程概況

某商務(wù)型公寓樓位于北京市通州區(qū)，地上42層，地上建筑面積32801.7 m2，地下3層，其中地下1層為下沉廣場(chǎng)，建筑使用功能為商業(yè)，地下2層及地下3層為整體式車庫(kù)。建筑物主要屋面高度為143.20m，室內(nèi)外高差為0.5m。

本工程設(shè)計(jì)使用年限為50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)?？拐鹪O(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本加速度值為0.02g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地類別為Ⅲ類?；撅L(fēng)壓取50年重現(xiàn)期0.45kN/m2，承載力設(shè)計(jì)時(shí)按50年重現(xiàn)期的1.1倍基本風(fēng)壓采用，體型系數(shù)1.4，地面粗糙度B類。建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)，地下室防水等級(jí)一級(jí)。

2.結(jié)構(gòu)方案選擇

對(duì)于一般商務(wù)型公寓樓，工程上通常采用剪力墻結(jié)構(gòu)。本工程建筑標(biāo)準(zhǔn)層平面圖詳見圖1所示。根據(jù)建筑平面高寬比、內(nèi)部集中布置樓電梯管井及外部墻肢開洞率，結(jié)構(gòu)滿足筒中筒結(jié)構(gòu)條件。故本工程對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)及筒中筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行方案對(duì)比，選擇出較優(yōu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。剪力墻結(jié)構(gòu)布置圖及筒中筒結(jié)構(gòu)布置圖分別詳見圖2、3、4所示。

圖1 建筑標(biāo)準(zhǔn)層平面圖

圖2 剪力墻結(jié)構(gòu)布置圖

圖3 筒中筒結(jié)構(gòu)布置圖（墻元方案）

圖4 筒中筒結(jié)構(gòu)布置圖（柱元方案）

根據(jù)建筑平、立面條件及計(jì)算結(jié)果判斷此結(jié)構(gòu)平面及立面規(guī)則性，詳見表1所示。無(wú)論采用剪力墻結(jié)構(gòu)還是采用筒中筒結(jié)構(gòu)，平、立面均規(guī)則，但剪力墻結(jié)構(gòu)超出規(guī)范B級(jí)高度（130m）限制，需要進(jìn)行性能化設(shè)計(jì)；筒中筒結(jié)構(gòu)超出規(guī)范A級(jí)高度120m約19%，但不超B級(jí)高度（170m）[1]，可按規(guī)范設(shè)計(jì)。

表1 結(jié)構(gòu)規(guī)則性判斷

根據(jù)兩種方案分別進(jìn)行計(jì)算，統(tǒng)計(jì)出兩種結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)詳見下表所示。

表2 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比

筒中筒結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)優(yōu)于剪力墻結(jié)構(gòu)而且剪力墻結(jié)構(gòu)在中震作用下表現(xiàn)為墻體拉應(yīng)力較大，底層角部剪力墻肢拉應(yīng)力均接近2ftk，統(tǒng)計(jì)型鋼用量約為筒中筒型鋼用量的5倍，較筒中筒結(jié)構(gòu)形式受力較差。

表3 規(guī)范特一級(jí)墻柱抗震措施對(duì)比表

綜上，從經(jīng)濟(jì)性及地震作用下的受力性能來(lái)說(shuō)，筒中筒結(jié)構(gòu)更適合本工程，同時(shí)筒中筒結(jié)構(gòu)在戶型內(nèi)部無(wú)承重剪力墻，更適合住戶后期對(duì)房間的改造。綜上，本工程采用筒中筒結(jié)構(gòu)。

3.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)計(jì)算方案選擇

本工程采用筒中筒結(jié)構(gòu)體系，樓蓋為現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓蓋。第15層和29層建筑功能為避難層，對(duì)此兩層樓面梁、板進(jìn)行適當(dāng)加強(qiáng)。內(nèi)筒、外筒通過(guò)樓板協(xié)同工作共同抵抗水平荷載。由于建筑需求，外筒結(jié)構(gòu)存在較多高度較短墻肢，根據(jù)《高規(guī)》[1]7.1.7條“當(dāng)墻肢的截面高度和厚度之比不大于4時(shí)，宜按框架柱進(jìn)行截面設(shè)計(jì)”，故本結(jié)構(gòu)外筒分別按照墻元和柱元（當(dāng)墻肢hw/bw≤4時(shí)）兩種方案進(jìn)行計(jì)算分析，分別簡(jiǎn)稱為墻元方案及柱元方案。兩種計(jì)算方案標(biāo)準(zhǔn)層平面結(jié)構(gòu)布置圖分別詳見圖3及圖4所示。

3.2 墻柱規(guī)范抗震措施比較

本工程抗震等級(jí)為特一級(jí)，此時(shí)規(guī)范[1-2]對(duì)于墻、柱采用了不同的抗震措施，如表3所示。

綜上，規(guī)范上柱的抗震措施比墻的要嚴(yán)格。

3.3 結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果分析

3.3.1 小震分析

本工程在進(jìn)行PKPM進(jìn)行墻、柱模型輸入時(shí)，程序不僅選用的單元不同還采用了不同的抗震措施。

通過(guò)計(jì)算本工程墻元方案及柱元方案結(jié)構(gòu)第一、二自振周期均為平動(dòng)周期，第一扭轉(zhuǎn)振型與第一平動(dòng)振型周期比為0.44，小于現(xiàn)行規(guī)范0.85限值，說(shuō)明結(jié)構(gòu)體型比較好，具有很大的抗扭剛度，對(duì)抗震有利。

小震作用下兩種方案主要性能見表4所示。

表4小震各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果表明，兩種計(jì)算方案整體受力較為接近。但在形成構(gòu)件配筋結(jié)果時(shí)，PKPM對(duì)外筒短墻肢采用了柱配筋形式。經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，墻元模型縱筋在平面內(nèi)配筋略大于柱元模型，在平面外配筋略小于柱元模型，比較吻合模型計(jì)算時(shí)單元?jiǎng)偠鹊募俣?；但墻元模型箍筋和柱元模型箍筋在平面?nèi)配筋相差較大，分析計(jì)算結(jié)果表明PKPM在進(jìn)行小墻肢（h/b≤4）配筋時(shí)，除滿足計(jì)算配筋外還采用了墻體最小水平配筋率及大于等于平面外箍筋配筋來(lái)控制箍筋配筋值，即結(jié)構(gòu)采用墻、柱雙控規(guī)范來(lái)限制墻元模型箍筋配筋值，結(jié)果表現(xiàn)為墻元外筒小墻肢平面外配筋較大于柱元模型。采用墻元模型箍筋配筋值有失合理性。綜上，小震配筋采用柱元模型結(jié)果保證結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)可靠。

表4 小震結(jié)果對(duì)比表

3.3.2 中震分析

由于本工程屬于超限高層建筑，對(duì)本結(jié)構(gòu)中的重要構(gòu)件進(jìn)行中震水準(zhǔn)的承載力進(jìn)行計(jì)算校核是非常必要的。現(xiàn)補(bǔ)充設(shè)防地震作用下墻、柱拉應(yīng)力計(jì)算。墻柱軸力計(jì)算公式如下：

其中NEk：地震作用下最大軸向拉力

NGE：重力荷載代表值下軸向壓力

NGk：恒載作用下軸力

NQk：活載作用下軸力

本工程通過(guò)中震不屈服計(jì)算，豎向構(gòu)件整體能夠滿足抗彎不屈服。底部部分墻體存在拉應(yīng)力，但墻體拉應(yīng)力[3]滿足2ftk=5.7N/mm2＞f＞ftk=2.85N/mm2，超過(guò)限值部分通過(guò)配置型鋼解決。兩種計(jì)算模型型鋼配置情況分別見圖5和圖6所示。

對(duì)于墻元方案及柱元方案，結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力較大部位均出現(xiàn)在內(nèi)筒及外筒的角部，柱元方案結(jié)果會(huì)使內(nèi)筒角部墻體承擔(dān)更多拉應(yīng)力。設(shè)計(jì)時(shí)采用包絡(luò)設(shè)計(jì)進(jìn)行豎向構(gòu)件型鋼的配置，提高角部墻體抗力及延性，保障結(jié)構(gòu)中震抗震性能。

3.3.3 大震分析

3.3.3.1 結(jié)構(gòu)分析適用性

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定：高度不超過(guò)150m的高層建筑可采用靜力彈塑性分析[1]；推覆分析方法（Pushover）可進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力彈塑性計(jì)算分析，該方法適用于第一振型為主的結(jié)構(gòu)。本工程建筑高度為143.2m，小于150 m，符合規(guī)范要求。根據(jù)墻元方案SATWE計(jì)算結(jié)果，結(jié)構(gòu)在X、Y第一階陣型下的基底剪力為13814.85KN和12816.69KN，分別占X、Y底層剪力18679.32KN、17879.61KN的74%和72%，均大于70%；根據(jù)柱元模型SATWE計(jì)算結(jié)果，結(jié)構(gòu)在X、Y第一階陣型下的基底剪力為13889.03KN和12775.29KN，分別占X、Y底層剪力18705.73KN、17565.83KN的74%和73%，均大于70%（柱元方案）。故本工程兩種方案均可采用靜力推覆分析方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)彈塑性變形驗(yàn)算和分析。

3.3.3.2 分析結(jié)果

通過(guò)推覆分析，兩種計(jì)算方案X向及Y向結(jié)構(gòu)破壞過(guò)程基本表現(xiàn)為：首先在連梁及框架梁端部出現(xiàn)塑性鉸，隨著加載步的增加，底部?jī)?nèi)筒及外筒角部墻肢首先出現(xiàn)剪切斜裂縫，并隨著加載步的增加底部墻肢的裂縫逐漸向內(nèi)筒及外筒中部發(fā)展。

從總體上來(lái)說(shuō)，由于高寬比的原因，結(jié)構(gòu)X向的抗震性能優(yōu)于Y向的抗震性能，并從破壞現(xiàn)象分析表明應(yīng)加強(qiáng)底部剪力墻及重點(diǎn)加強(qiáng)內(nèi)筒、外筒角部剪力墻抗震承載力。根據(jù)分析結(jié)果，大部分剪力墻能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)定的性能目標(biāo)，對(duì)個(gè)別破壞的剪力墻提高墻體配筋率加強(qiáng)措施。

圖5 墻元模型中震型鋼配置圖

圖6 柱元模型中震型鋼配置圖

表5 大震位移角對(duì)比表

表6 大震剪力對(duì)比表

計(jì)算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)最大層間彈塑性位移角小于規(guī)范限值；推覆分析下結(jié)構(gòu)剪力值約為彈性大震剪力值的50%～60%。結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下，材料已經(jīng)進(jìn)入彈塑性階段，但能保證大震不倒，并通過(guò)延高內(nèi)筒、外筒約束邊緣構(gòu)件配置高度，提高結(jié)構(gòu)在大震作用下整體抗傾覆能力。

4.超限加強(qiáng)措施

通過(guò)小震、中震、大震計(jì)算結(jié)果及破壞現(xiàn)象分析，采取多項(xiàng)抗震加強(qiáng)措施，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)薄弱部位，提高結(jié)構(gòu)抗震性能，保障結(jié)構(gòu)在地震作用下具有足夠的安全性。采取的抗震加強(qiáng)措施分別如下所示。

（1）沿柱全高采用直徑為12的井字復(fù)合箍，間距不大于100，肢距不大于200。

（2）墻肢的約束邊緣構(gòu)件上延至軸壓比不大于0.25的高度，且不超過(guò)0.5倍全樓總高度。

（3）底部剪力墻軸壓比不超過(guò)0.45。

（4）對(duì)中震不屈服下，墻體拉應(yīng)力超過(guò)ftk框架柱和主要墻肢，均設(shè)置型鋼承擔(dān)全部拉力。

（5）根據(jù)大震靜力彈塑性分析結(jié)果，對(duì)薄弱墻體及框架柱采用加大斷面、加大配筋率或采用型鋼混凝土。

（6）避難層頂?shù)装灏搴窦哟笾痢?50，板內(nèi)滿布雙層雙向通長(zhǎng)筋，最小配筋率不小于0.25%。

（7）對(duì)于跨高比不大于1、寬度不小于400的連梁以及抗剪超筋的連梁采用交叉暗撐。

（8）樓蓋外角設(shè)置雙層雙向鋼筋，單層單向配筋率不宜小于0.3%，鋼筋的直徑不小于8mm，間距不大于150mm，配筋范圍不小于外框架（外筒）至內(nèi)筒外墻中距的1/3和3m。

（9）外筒角窗位置剪力墻沿全樓設(shè)置約束邊緣構(gòu)件。

5.結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述方案對(duì)比分析，可以得到以下幾點(diǎn)：

（1）相對(duì)于剪力墻結(jié)構(gòu)，筒中筒在經(jīng)濟(jì)性、結(jié)構(gòu)受力性能更適用于大高寬比、高烈度超高層結(jié)構(gòu)，且建筑使用功能更靈活。

（2）筒中筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，在外筒存在較多高度較短的墻肢情況下，根據(jù)規(guī)范采用墻元模型和柱元模型對(duì)比分析保障結(jié)構(gòu)安全。

（3）小震分析表明墻元模型和柱元模型整體計(jì)算指標(biāo)基本一致，但墻元模型在計(jì)算配筋時(shí)，軟件進(jìn)行了相應(yīng)的“柱化”處理，但計(jì)算結(jié)果存在不合理的地方，建議采用柱元方案。同時(shí)柱元模型對(duì)于柱剪力采用了0.2Q0調(diào)整，保證了結(jié)構(gòu)的多道防線；

（4）中震分析表明兩種計(jì)算模型均表現(xiàn)為內(nèi)筒、外筒角部拉應(yīng)力較大，但未超過(guò)2ftk[3]，通過(guò)對(duì)兩種方案包絡(luò)取用型鋼來(lái)加強(qiáng)豎向構(gòu)件不屈服能力；

（5）大震分析表明，對(duì)兩種分析方案推覆過(guò)程中出現(xiàn)的墻體破壞，相應(yīng)采用提高墻體配筋率，延高結(jié)構(gòu)邊緣構(gòu)件配置部位，避免結(jié)構(gòu)在大震作用下存在薄弱樓層，防止結(jié)構(gòu)在大震作用下倒塌。通過(guò)計(jì)算分析和相應(yīng)的抗震加強(qiáng)措施，保證結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)“小震不壞，中震可修，大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)。

希望本文為超高層公寓樓結(jié)構(gòu)方案選擇及對(duì)存在較多高度較短墻肢的筒中筒結(jié)構(gòu)工程提供參考。