某超高層建筑結(jié)構(gòu)選型與關(guān)鍵技術(shù)分析

李躍奎， 王 勇， 張 帆

(成都基準(zhǔn)方中建筑設(shè)計(jì)有限公司， 成都 610010)

1 工程概述

新希望D10項(xiàng)目位于成都市錦江區(qū)，用地面積為30 409.95m2，由1～8號(hào)樓組成，其中1～3號(hào)樓為住宅，4號(hào)樓為回遷房，6號(hào)樓為辦公樓，5，7，8號(hào)樓為1層商業(yè)；該項(xiàng)目設(shè)3層地下室。本文主要分析超高層建筑2號(hào)樓，該樓地面以上為68層，1層層高為6m，標(biāo)準(zhǔn)層層高為3.15m，屋頂層層高為3.6m，房屋總高度為217.550m(室外地面標(biāo)高為-0.100m)，地上總建筑面積5.98萬(wàn)m2，建筑效果圖及結(jié)構(gòu)剖面圖如圖1所示。

圖1 建筑效果圖及結(jié)構(gòu)剖面圖

該項(xiàng)目抗震設(shè)防烈度為7度(0.10g)，設(shè)計(jì)地震分組為第三組，屬Ⅱ類場(chǎng)地，特征周期為0.45s。50年重現(xiàn)期基本風(fēng)壓為0.3kN/m2，地面粗糙度類別為C類，風(fēng)荷載體型系數(shù)取1.4。結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，建筑抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類，上部結(jié)構(gòu)嵌固端為地下室頂板。

2 結(jié)構(gòu)選型

2.1 結(jié)構(gòu)體系選型

該建筑為高度超200m的高端住宅，平面尺寸為28.8m×28.8m。為滿足不同建筑戶型的房間布置和使用空間需求，并達(dá)到相應(yīng)的抗震設(shè)防目標(biāo)，選擇合理的結(jié)構(gòu)體系尤為重要。因此，對(duì)鋼筋混凝土剪力墻與鋼筋混凝土框架-核心筒(簡(jiǎn)稱框架-兩種結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行對(duì)比，框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系部分豎向構(gòu)件采用型鋼混凝土構(gòu)件。兩種結(jié)構(gòu)體系的標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)布置詳見(jiàn)圖2。

圖2 兩種結(jié)構(gòu)體系標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置圖

本節(jié)主要對(duì)兩種結(jié)構(gòu)形式的經(jīng)濟(jì)性、建筑使用空間及結(jié)構(gòu)受力性能三方面進(jìn)行分析。在滿足多遇地震作用下抗震設(shè)防目標(biāo)要求的前提條件下，剪力墻結(jié)構(gòu)鋼筋用量為80.1kg/m2，型鋼用量為10.2kg/m2，混凝土用量為0.41m3/m2；框架-核心筒結(jié)構(gòu)鋼筋用量為78.66kg/m2，型鋼用量為26.3kg/m2，混凝土用量為0.42m3/m2。各樓層主要豎向構(gòu)件截面尺寸及豎向構(gòu)件率ρ詳見(jiàn)表1(豎向構(gòu)件率ρ為豎向構(gòu)件截面面積與樓層面積比)，住宅戶內(nèi)凈使用面積的具體數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表2。

兩種結(jié)構(gòu)體系主要豎向構(gòu)件截面尺寸及豎向構(gòu)件率 表1

兩種結(jié)構(gòu)體系每層戶內(nèi)凈使用面積及其差/m2 表2

從經(jīng)濟(jì)性結(jié)果對(duì)比看，兩者混凝土用量接近，剪力墻結(jié)構(gòu)鋼筋用量稍高，型鋼用量較低，據(jù)了解每噸型鋼總造價(jià)約為鋼筋總造價(jià)的1.33倍，可見(jiàn)剪力墻結(jié)構(gòu)具有一定優(yōu)勢(shì)。但剪力墻結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件率在低區(qū)1～14層相對(duì)較高，致使每層戶內(nèi)凈使用面積比框架-核心筒結(jié)構(gòu)少約10～21m2，在中、高區(qū)框架-核心筒結(jié)構(gòu)凈使用面積也具有明顯優(yōu)勢(shì)，凈使用面積的增加將提高用戶使用空間上的舒適性和產(chǎn)品的溢價(jià)能力。

該建筑高寬比為7.8，水平荷載作用下將產(chǎn)生較大的傾覆力矩，為提高剪力墻結(jié)構(gòu)的抗側(cè)能力，剪力墻需要與其他墻肢形成平面內(nèi)聯(lián)肢墻，并圍合成抗側(cè)力較好的筒體，使剪力墻在建筑全平面內(nèi)布置較為密集，不能很好地滿足戶型布置的需要；框架-核心筒結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件主要集中于核心筒和建筑外周邊區(qū)域，內(nèi)部形成的大空間很好地滿足了建筑對(duì)功能靈活布置的需求，框架與核心筒組成的雙重抗側(cè)力體系能夠抵抗水平力作用下形成的傾覆力矩?？梢钥闯觯c框架-核心筒結(jié)構(gòu)相比，剪力墻結(jié)構(gòu)超出高規(guī)[1]對(duì)高寬比的限值較多，豎向構(gòu)件需占用較大的建筑戶型空間。從建筑使用的實(shí)際特點(diǎn)以及抗震有利的角度出發(fā)，經(jīng)與業(yè)主商議，最終采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系。

2.2 豎向構(gòu)件選型

對(duì)于超高層建筑，重力荷載將導(dǎo)致豎向構(gòu)件尺寸較大，為了提高結(jié)構(gòu)的抗震性能并滿足建筑功能的需求，從經(jīng)濟(jì)、適用的角度出發(fā)，對(duì)核心筒外墻和框架柱的形式進(jìn)行比選。

2.2.1 1層核心筒外墻方案比選

該項(xiàng)目1層層高6m，2層及以上樓層層高3.15m，1層與2層較大的層高差異，使1層形成薄弱層。為提高1層結(jié)構(gòu)抗剪承載力并滿足B級(jí)高度高規(guī)[1]限值的要求，采用了以下三種方案進(jìn)行比選。方案一：加厚剪力墻但水平分布筋僅滿足最小配筋率；方案二：同時(shí)調(diào)整剪力墻厚和水平分布筋配筋率；方案三：控制墻厚，剪力墻中加入鋼板。對(duì)比結(jié)果詳見(jiàn)表3。

1層核心筒外墻三種方案對(duì)比 表3

由表3的對(duì)比結(jié)果可以看出，三種方案均能滿足1層結(jié)構(gòu)抗剪承載力要求。方案一的用鋼量較低但剪力墻厚度較大，方案三用鋼筋量低，并有一定的型鋼用量，結(jié)合2.1節(jié)的型鋼與鋼筋的造價(jià)關(guān)系，方案三的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于方案二。相較于方案二，方案三的抗剪承載力富裕度較大，對(duì)本項(xiàng)目而言，方案三整體較為經(jīng)濟(jì)合理。

2.2.2 2～14層核心筒外墻方案比選

因14層以上采用普通鋼筋混凝土剪力墻能夠滿足建筑戶型對(duì)空間的使要求，此處僅對(duì)2～14層核心筒外墻形式做比選。選取鋼筋混凝土剪力墻和型鋼混凝土剪力墻進(jìn)行對(duì)比，混凝土強(qiáng)度等級(jí)均采用C60，控制兩類剪力墻在2層及以上樓層軸壓比不超過(guò)0.45，2～14層核心筒外墻厚度取值詳見(jiàn)表4。型鋼混凝土剪力墻在核心筒角部采用組合截面型鋼，在核心筒中部采用工字形型鋼，工字形型鋼在剪力墻內(nèi)均勻布置，核心筒外墻型鋼布置詳見(jiàn)圖3。

兩種方案2～14 表4

圖3 核心筒外墻型鋼布置

從表4的對(duì)比結(jié)果可以看出，核心筒外墻在2～14層通過(guò)控制型鋼用量，能進(jìn)一步縮小截面尺寸，從而釋放大量的建筑空間，有效地提高了低區(qū)樓層建筑空間使用率。

2.2.3 框架柱結(jié)構(gòu)選型

選取鋼筋混凝土柱、型鋼混凝土柱、鋼管混凝土疊合柱(簡(jiǎn)稱組合柱，鋼管內(nèi)外混凝土同期施工)進(jìn)行對(duì)比。鋼筋混凝土柱和型鋼混凝土柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)：最高采用C70，最低采用C60。組合柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)：管外最高采用C70，最低采用C60，鋼管內(nèi)均采用C40。軸壓比均保留一定的富裕度，限值為0.6。三種類型框架柱1～36層截面尺寸及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)詳見(jiàn)表5，型鋼混凝土柱、組合柱典型截面詳見(jiàn)圖4，型鋼尺寸詳見(jiàn)表6。

1～36層不同類型框架柱截面尺寸及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比 表5

圖4 型鋼混凝土柱、組合柱典型截面

型鋼混凝土柱和組合柱中型鋼尺寸 表6

從表5、表6的結(jié)果可以看出，與型鋼混凝土柱、組合柱相比，鋼筋混凝土柱未加型鋼，總體用鋼量較低，但截面尺寸較大；相較于型鋼混凝土柱，組合柱因內(nèi)部鋼管對(duì)混凝土具有套箍效應(yīng)[2]，在相同軸壓比的條件下，具有截面小、型鋼用量低等優(yōu)點(diǎn)，有較好的綜合效益。因此，框架柱在1～36層范圍內(nèi)采用組合柱。

經(jīng)過(guò)上述豎向構(gòu)件的對(duì)比，從滿足建筑功能和經(jīng)濟(jì)合理的目標(biāo)出發(fā)，選用以下形式：核心筒外墻1層采用鋼板混凝土剪力墻；2～14層采用型鋼混凝土剪力墻；15～16層為過(guò)渡層(分析詳見(jiàn)3.1節(jié))，逐步減少型鋼數(shù)量；其余樓層采用鋼筋混凝土剪力墻?？蚣苤?～36層采用組合柱；37～39層為過(guò)渡層，逐層減少組合柱數(shù)量并使用鋼筋混凝土芯柱過(guò)渡；40層及以上樓層采用鋼筋混凝土柱。

3 結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 2～14層核心筒型鋼混凝土剪力墻分析

本項(xiàng)目為進(jìn)一步減小核心筒截面尺寸，在2～14層核心筒剪力墻中部布置型鋼，減小墻厚，并使軸壓比滿足規(guī)范要求，但并未考慮型鋼對(duì)抗彎和抗剪承載力的影響。文獻(xiàn)[3]指出，與不配置型鋼的剪力墻相比，中間均勻配置型鋼的剪力墻耗能能力更強(qiáng),具有更好的延性,剪力墻配置型鋼后抗震性能明顯提高。由于現(xiàn)行《組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JGJ 138—2016)中沒(méi)有符合該類型鋼剪力墻的抗剪承載力公式，本文利用文獻(xiàn)[4]中公式(式(1))計(jì)算剪力墻中配置型鋼后所增加的抗剪承載力，以研究剪力墻中配置型鋼對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。

(1)

式中：Vw為剪力墻斜截面抗剪承載力；λ為剪跨比，λ=M/Vh0，當(dāng)λ<1.5時(shí)，取λ=1.5，當(dāng)λ>2.2時(shí)，取λ=2.2；ft為混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；b為剪力墻截面寬度；h0為剪力墻截面有效高度；N為考慮地震作用組合的剪力墻的軸向壓力設(shè)計(jì)值，當(dāng)N>fcbh時(shí)，取N=0.2fcbh；A為剪力墻的截面面積，當(dāng)有翼緣時(shí)，取考慮翼緣后的有效面積；Aw為T(mén)形、工字形截面剪力墻腹板的截面面積，對(duì)矩形截面剪力墻，取A=Aw;fyv為橫向鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；Ash為配置在同一水平截面內(nèi)的水平分布鋼筋的全部截面面積；s為水平分布鋼筋的豎向間距；fa為型鋼抗拉、抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；Aa1為剪力墻一端暗柱中型鋼截面面積；Aa2為剪力墻截面中部型鋼截面面積；na為所有截面中部型鋼的截面面積和與兩端型鋼的截面面積和的比值，當(dāng)na>0.5時(shí)取na=0.5。

將計(jì)算得到的型鋼混凝土核心筒的抗剪承載力與不配置型鋼的鋼筋混凝土核心筒外墻的抗剪承載力進(jìn)行對(duì)比，如圖5所示。

圖5 樓層抗剪承載力及樓層剪力對(duì)比

從圖5可以看出，2～14層核心筒外墻配置型鋼后，X向、Y向樓層抗剪承載力明顯提高，剪力墻亦能滿足上下樓層抗剪承載力比的要求，但14層與15層抗剪承載力突變，雖然能滿足小震彈性的要求，但是否能保證大震下墻肢的安全，還未可知。通過(guò)大震彈塑性時(shí)程分析能夠發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的薄弱部位和薄弱構(gòu)件，從而有針對(duì)性地采取結(jié)構(gòu)調(diào)整方案和加強(qiáng)措施[5]。為了判斷2～14層核心筒外墻配置型鋼對(duì)結(jié)構(gòu)大震下抗震性能的影響，利用SAUSAGE軟件對(duì)核心筒外墻考慮型鋼的結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析，分析結(jié)果表明，在結(jié)構(gòu)15層、16層，墻肢出現(xiàn)明顯的破壞，如圖6所示。說(shuō)明剪力墻抗剪承載力明顯不足，不能保證結(jié)構(gòu)在大震作用下的安全。因此將14層部分型鋼繼續(xù)上升至15層、16層，并提高兩樓層墻身鋼筋配筋率，從而達(dá)到逐層降低結(jié)構(gòu)抗剪承載力的目的，計(jì)算結(jié)果表明型鋼上延后結(jié)果體系未出現(xiàn)明顯損傷。有效的加強(qiáng)措施保證了結(jié)構(gòu)體系在大震作用下良好的抗震性能，實(shí)現(xiàn)了大震不倒的抗震設(shè)防目標(biāo)。

圖6 15層核心筒外墻受壓損傷圖

3.2 核心筒剪力墻角部開(kāi)洞分析

本工程由于建筑功能的需求，在Y向核心筒角部開(kāi)設(shè)入戶門(mén)洞，洞口邊到筒角內(nèi)壁最小距離為100mm，而高規(guī)[1]規(guī)定，筒角內(nèi)壁至洞口的距離不應(yīng)小于500mm和開(kāi)洞墻截面厚度的較大值。為了研究核心筒角部開(kāi)洞的影響，增加了三個(gè)對(duì)比模型進(jìn)行分析。三個(gè)模型分別為：模型Ⅰ，核心筒角部洞口到筒角內(nèi)壁最小距離取開(kāi)洞墻截面厚度800mm；模型Ⅱ，核心筒角部洞口邊貼筒角內(nèi)壁；模型Ⅲ，核心筒角部洞口邊貼筒角內(nèi)壁，且向外延伸剪力墻，伸出長(zhǎng)度為距角筒外壁1倍X向剪力墻截面厚度，為800mm。三個(gè)模型的核心筒示意詳見(jiàn)圖7，在多遇地震下主要參數(shù)詳見(jiàn)表7。

圖7 三個(gè)對(duì)比模型核心筒平面圖

三個(gè)對(duì)比模型在多遇地震下主要指標(biāo)對(duì)比 表7

從表7中可以看出：模型Ⅰ、模型Ⅱ結(jié)果較為接近；模型Ⅲ因?yàn)橄蛲庋由靁向剪力墻，Y向剪力墻剛度得到提高，另外剪力墻縮短了與框架柱的間距，框架梁的線剛度增加，伸臂作用加強(qiáng)，從而提高了該榀框架的抗側(cè)能力[6]，所以與模型Ⅰ、模型Ⅱ相比，模型Ⅲ的第一階振型由Y向的平動(dòng)變?yōu)閄向的平動(dòng)，第二階振型變?yōu)閅向的平動(dòng)。模型Ⅲ因Y向形成有效的連梁使核心筒具有較好的整體剛度，同時(shí)有效地加強(qiáng)了X向抗側(cè)能力，使結(jié)構(gòu)周期、層間位移角以及最大位移均比前兩者模型小。采用SAUSAGE軟件對(duì)三個(gè)對(duì)比模型進(jìn)行大震作用下的動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析，分析結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8 大震下對(duì)比模型的樓層剪力、樓層位移以及層間位移角曲線

圖9 大震下對(duì)比模型核心筒剪力墻局部受壓損傷圖

經(jīng)對(duì)比，模型Ⅰ～Ⅲ大震作用下的基底剪力約為小震作用下基底剪力的4.5倍左右。圖8、圖9結(jié)果表明：模型Ⅲ剛度較大，大震作用下，樓層位移、層間位移角及核心筒角部損傷范圍比模型Ⅰ、模型Ⅱ稍大，模型Ⅰ、模型Ⅱ大震下的反應(yīng)接近；模型Ⅲ的層間位移角曲線較為光滑，說(shuō)明結(jié)構(gòu)承載力與剛度較為均勻，模型Ⅰ與模型Ⅲ通過(guò)在核心筒角部配置型鋼并提高邊緣構(gòu)件縱筋配筋率，使其角部損傷得到明顯改善，三個(gè)模型均能夠達(dá)到大震下性能目標(biāo)C[1]要求。說(shuō)明當(dāng)核心筒角部洞口到筒角內(nèi)壁最小距離較小時(shí)，向筒外加長(zhǎng)墻肢的措施是有效的，能提高結(jié)構(gòu)體系的整體抗側(cè)剛度和抗震能力。

為了進(jìn)一步減小核心筒角部開(kāi)洞對(duì)結(jié)構(gòu)體系的影響，增強(qiáng)墻肢整體性，降低因開(kāi)洞帶來(lái)核心筒角部的剪力滯后效應(yīng)，使核心筒在中、大震下能保持良好的抗震性能。對(duì)核心筒四角開(kāi)洞處連梁進(jìn)行性能設(shè)計(jì)，其性能目標(biāo)為：多遇地震，彈性(不進(jìn)行剛度折減)；設(shè)防地震，抗剪、抗彎彈性；罕遇地震，抗剪、抗彎不屈服。同時(shí)嚴(yán)格控制開(kāi)洞處連梁跨高比l/hb在1.5以內(nèi)，確保形成聯(lián)肢墻，提高Y向墻的整體性。針對(duì)局部樓層核心筒角部連梁在小震及中震下剪壓比超限問(wèn)題，通過(guò)在連梁內(nèi)設(shè)置型鋼來(lái)滿足抗震性能目標(biāo)的要求。

3.3 組合柱正截面承載力力學(xué)性能分析

框架柱承受較大的重力荷載，大震下框架柱承擔(dān)的傾覆力矩增加，底部框架柱承受較大的軸力和彎矩。本工程部分樓層的柱采用組合柱，在成柱過(guò)程中,通過(guò)“強(qiáng)化、組合、約束、疊合”等增強(qiáng)手段的綜合應(yīng)用,將各種建筑材料實(shí)行優(yōu)化配置，生成抗壓、抗剪、抗扭強(qiáng)度大,抗震性能好的高性能結(jié)構(gòu)柱[7]。為驗(yàn)算組合柱在大震下的正截面承載力，采用XTRACT軟件，繪制軸力-彎矩(N-M)曲線進(jìn)行驗(yàn)證?？蚣苤笳饘?duì)應(yīng)的正截面性能目標(biāo)為抗彎不屈服。

分析利用YJK軟件，采用振型分解反應(yīng)譜法，對(duì)底部加強(qiáng)區(qū)框架柱的正截面進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)，分析時(shí)材料強(qiáng)度取標(biāo)準(zhǔn)值，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果配筋，N-M曲線即是按此配筋結(jié)果計(jì)算得到的。

正截面承載力分析結(jié)果表明，每個(gè)框架柱所承受的軸力及彎矩均落在N-M能力曲線內(nèi)，證明底部加強(qiáng)區(qū)框架柱能滿足抗震性能目標(biāo)要求。圖10僅列其中一個(gè)框架柱KZa在大震下的性能曲線，KZa的位置詳見(jiàn)圖2(b)。

圖10 框架柱KZa正截面承載力大震不屈服性能曲線

4 結(jié)論

(1)與剪力墻結(jié)構(gòu)相比，超過(guò)200m的高層住宅采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)具有更好的抗震性能，并能更好地滿足建筑對(duì)空間的需求；核心筒外墻、框架柱在合適的區(qū)段分別采用型鋼混凝土墻和組合柱能夠更加合理地控制截面尺寸，帶來(lái)更好的綜合效益。

(2)對(duì)于因上、下樓層層高差異形成的薄弱層，可視情況采取增加剪力墻截面、提高水平筋配筋率、剪力墻內(nèi)配置鋼板等方式提高該層剪力墻受剪承載力，使其滿足規(guī)范要求并具有合理的經(jīng)濟(jì)性。

(3)在滿足軸壓比要求的情況下，在剪力墻內(nèi)配置型鋼是一種切實(shí)可行的減小核心筒外墻厚度的方法。大震彈塑性分析結(jié)果表明，過(guò)渡層(由型鋼混凝土剪力墻變?yōu)殇摻罨炷良袅Φ臉菍?墻體損傷嚴(yán)重，可通過(guò)將型鋼上延兩到三層且逐步減少型鋼用量，并適當(dāng)提高墻身鋼筋配筋率，可保證結(jié)構(gòu)在大震下的安全性能。

(4)對(duì)于核心筒角部開(kāi)洞的框架-核心筒結(jié)構(gòu)，可以采取向核心筒外延長(zhǎng)開(kāi)洞墻肢的方式，延長(zhǎng)長(zhǎng)度可為垂直于該方向核心筒外墻的厚度，并對(duì)角部連梁設(shè)置相應(yīng)的性能目標(biāo)，以提高核心筒整體性。

(5)對(duì)核心筒外延的墻肢，宜在低區(qū)部分樓層配置型鋼，以改善其大震下的抗震性能。