某高層建筑高位連體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

陳學(xué)偉， 黃漢華

(WSP科進(jìn)顧問有限公司， 香港 999077)

1 工程概況

大連某酒店項(xiàng)目是一個(gè)集酒店、公建式公寓、會(huì)所及餐廳為一體的綜合建筑[1]。項(xiàng)目設(shè)4層地下室，地上由6部分組成，分別是酒店T塔樓(結(jié)構(gòu)高度299.5m)、A1塔樓(結(jié)構(gòu)高度123.9m)、A2塔樓(結(jié)構(gòu)高度78.75m)、B和C塔樓(結(jié)構(gòu)高度187.25m)、D塔樓(結(jié)構(gòu)高度91.1m)，如圖1所示。每個(gè)部分通過結(jié)構(gòu)設(shè)縫分開。其中T，B，C，A1塔樓屬于超限高層建筑結(jié)構(gòu)，需要進(jìn)行超限審查，尤其是B塔樓具有高度超限、連體結(jié)構(gòu)、大高寬比等問題，成為設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。本文重點(diǎn)介紹B塔樓的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖1 大連某酒店建筑效果圖

項(xiàng)目位于大連市東港區(qū)人民路的東南側(cè)，靠近港灣廣場，根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2001)(2008年版)[2](簡稱荷載規(guī)范)，基本風(fēng)壓為0.65kPa，地面粗糙度為A類(北側(cè)為海邊)，風(fēng)荷載體型系數(shù)取1.4。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限50年，結(jié)構(gòu)安全等級二級。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2001)(2008年版)[3]及《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2002)[4]，抗震設(shè)防類別為乙類，設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g。根據(jù)場地安評報(bào)告，多遇地震下水平地震影響系數(shù)最大值為0.135(阻尼比為5%)，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場地土類別為Ⅱ類，特征周期為0.45s。

原B和C塔樓的設(shè)計(jì)為一個(gè)單體，但是考慮到結(jié)構(gòu)超長，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)問題嚴(yán)重，在地震作用下會(huì)引起剪力墻墻肢嚴(yán)重的局部破環(huán)(底部剪肢在地震作用下剪力超出截面最大抗剪承載力要求)，再加上超長結(jié)構(gòu)在樓板施工上存在問題，最終采用結(jié)構(gòu)設(shè)縫的方法將塔樓分為B塔樓與C塔樓，如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)設(shè)縫示意圖

2 結(jié)構(gòu)體系與布置

B塔樓結(jié)構(gòu)高度187.25m，共計(jì)59層，有4層地下室。塔樓體型屬長方形，長約為51m，寬約為21m，結(jié)構(gòu)Y向的高寬比為8.9。根據(jù)工程特點(diǎn)，從建筑功能、結(jié)構(gòu)抗震性能、工程造價(jià)及施工進(jìn)度等多方面綜合考慮，塔樓采用鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)，部分框架柱采用型鋼混凝土柱進(jìn)行加強(qiáng)。底部加強(qiáng)區(qū)及中部加強(qiáng)區(qū)的剪力墻中配置部分鋼骨。結(jié)構(gòu)低區(qū)(27層以下))及高區(qū)(29～59層)的結(jié)構(gòu)平面布置圖如圖3所示，結(jié)構(gòu)立面圖如圖4所示。

圖3 低區(qū)和高區(qū)結(jié)構(gòu)平面布置圖

圖4 結(jié)構(gòu)立面圖

底部框架柱采用型鋼混凝土柱，33層以上采用純鋼筋混凝土柱，框架柱截面尺寸從底部的1.3m×2.0m逐步減小至頂部的0.9m×1.5m，框架柱混凝土強(qiáng)度等級均采用C60。塔樓兩側(cè)設(shè)置帶巨型端柱的剪力墻，剪力墻厚度由底部的800mm逐步減小至頂部的400mm。底部框架柱及剪力墻的暗柱采用型鋼混凝土柱，采用雙十字鋼骨，如圖5所示，最大鋼板厚度采用45mm，鋼材料用Q345GJ。

圖5 雙十字鋼骨柱大樣圖

塔樓內(nèi)部為雙核心筒，核心筒尺寸為8.8m×12.0m，核心筒外墻厚度由底部的1 000mm逐步減小至頂部的400mm。核心筒四個(gè)角部墻肢設(shè)置鋼骨。

塔樓樓面采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu)，局部樓板(如27層、28層)采用鋼梁壓型鋼板組合樓板。外框梁采用600mm高的混凝土梁，由于Y向的剛度需求大，局部連接核心筒與外框柱的框架梁采用截面較大的混凝土梁，截面尺寸為800×1 650及1 000×800等，該梁可以提高結(jié)構(gòu)的整體剛度。

轉(zhuǎn)換桁架設(shè)置在30層，采用轉(zhuǎn)換桁架承受所有上部樓層的重量。27～28層采用下掛鋼框架，兩層重力荷載通過吊桿傳遞給轉(zhuǎn)換桁架。轉(zhuǎn)換桁架的平面圖如圖6(a)所示，三維示意圖如圖6(b)所示。桁架的高度為5.5m，中榀桁架(2)的上弦截面為工900×1 500×100×70(兩榀),下弦截面為工900×800×100×70(兩榀)；邊榀桁架(1)，(3)的上弦截面為□1 400×1 400×70×70，下弦截面為□800×900×50×70。

圖6 轉(zhuǎn)換桁架的平面與三維圖

3 抗震性能目標(biāo)及抗震加強(qiáng)措施

3.1 超限內(nèi)容

塔樓超限內(nèi)容[5]為：1)塔樓結(jié)構(gòu)高度為187.25m，超過高度限值140m；2)樓板不連續(xù)；3)由于轉(zhuǎn)換桁架，結(jié)構(gòu)剛度突變；4)構(gòu)件間斷，1～26層為雙塔結(jié)構(gòu)，29層以上為連體結(jié)構(gòu)；5)高位轉(zhuǎn)換，30層為轉(zhuǎn)換桁架。

3.2 抗震性能目標(biāo)

根據(jù)超限情況，確定塔樓抗震性能目標(biāo)如下：1)小震與風(fēng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)滿足性能要求；根據(jù)框架與剪力墻的彎矩分配比例，結(jié)構(gòu)X向定性為框架-剪力墻(核心筒)結(jié)構(gòu)，而Y向定性為剪力墻結(jié)構(gòu)，因此層間位移角限值有所不同。2)中震作用下，底部加強(qiáng)區(qū)及中部加強(qiáng)區(qū)的框架柱、剪力墻墻肢不屈服。3)大震作用下，底部加強(qiáng)區(qū)的剪力墻與框架柱滿足抗拉的要求，最大層間位移角不超過1/100，結(jié)構(gòu)不倒塌。具體性能目標(biāo)如表1所示。

不同地震水準(zhǔn)下結(jié)構(gòu)與構(gòu)件性能目標(biāo) 表1

3.3 抗震構(gòu)造加強(qiáng)措施

根據(jù)塔樓的超限內(nèi)容及計(jì)算分析結(jié)果，采取如下的抗震構(gòu)造加強(qiáng)措施：1)全樓抗震等級按特一級采用，適當(dāng)提高中部加強(qiáng)區(qū)(桁架及上下各一層)及底部加強(qiáng)區(qū)(底部6層)核心筒的分布筋配筋率。2)底部區(qū)核心筒內(nèi)設(shè)置鋼骨，提高核心筒的抗震性能。3)加強(qiáng)層上下樓板均加厚至150mm，并采用雙層雙向配筋；為保證桁架有效傳力至核心筒，桁架的鋼柱上下延伸1層，并往核心筒內(nèi)延伸1跨，如圖7所示。4)對兩端一字墻進(jìn)行結(jié)構(gòu)開洞，提高一字墻在大震作用下的耗能。

圖7 轉(zhuǎn)換桁架與墻體內(nèi)置鋼骨分布(29層)

3.4 超限專家關(guān)于塔樓的主要意見與解決方案

超限專家關(guān)于本項(xiàng)目提出的設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)如下：1)塔樓底部加強(qiáng)部位的墻肢應(yīng)按中震彈性進(jìn)行驗(yàn)算，墻肢拉應(yīng)力與配筋是驗(yàn)算的重點(diǎn)；2)B塔樓轉(zhuǎn)換桁架按豎向地震作用與雙向水平地震作用的內(nèi)力組合進(jìn)行驗(yàn)算；3)采取措施減少轉(zhuǎn)換、懸挑部位，從而減小Y向轉(zhuǎn)換、懸挑部位的剛度突變；4)改進(jìn)邊梁與角柱的連接；5)搭接柱根部增設(shè)樓蓋平面的加強(qiáng)措施；6)轉(zhuǎn)換桁架宜采用靜載下不考慮桁架上部框架及桁架共同作用的手算復(fù)核。

（1）地方建設(shè)主管行政部門，作為對工程建設(shè)招投標(biāo)活動(dòng)的行政管理部門，本應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)法，按規(guī)定程序辦事。但由于種種原因，有些地方大搞地方和部門保護(hù)主義，設(shè)置各種障礙。有些部門仍然習(xí)慣于行政審批，對項(xiàng)目招投標(biāo)活動(dòng)的監(jiān)管、指導(dǎo)和服務(wù)明顯不夠，害了建設(shè)單位的招標(biāo)自主權(quán)。有些部門和地方行政領(lǐng)導(dǎo)通過打招呼、遞條子等方式，嚴(yán)重干擾了正常的招投標(biāo)活動(dòng)。

針對以上意見的解決方案如下：通過與建筑專業(yè)的配合減少了部分構(gòu)件的懸臂與轉(zhuǎn)換的情況；通過局部加強(qiáng)措施，保證了角柱與梁的連接及加強(qiáng)了搭接柱周邊的構(gòu)造；轉(zhuǎn)換桁架的設(shè)計(jì)不考慮上部結(jié)構(gòu)的共同作用，按該原則對桁架進(jìn)行電算與手算復(fù)核，并進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)。

4 結(jié)構(gòu)性能分析

4.1 小震與風(fēng)荷載分析

采用SATWE及ETABS軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行小震及風(fēng)荷載分析。結(jié)構(gòu)小震反應(yīng)譜采用安評譜；風(fēng)荷載采用荷載規(guī)范中的風(fēng)荷載的同時(shí)，也采用風(fēng)洞試驗(yàn)風(fēng)荷載，并進(jìn)行對比。風(fēng)洞試驗(yàn)由BMT公司進(jìn)行，風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D8所示。荷載規(guī)范中風(fēng)荷載采用較大的體型系數(shù)且考慮A類場地，由于建筑除了北面鄰海外，其他三面均有建筑物進(jìn)行遮檔，實(shí)際粗糙度介于A與B類之間，因此風(fēng)洞試驗(yàn)所得結(jié)果略小于荷載規(guī)范中風(fēng)荷載。

圖8 塔樓風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

結(jié)構(gòu)在小震及風(fēng)荷載作用下的分析結(jié)果見表2，從表中可以看出，兩種軟件的計(jì)算結(jié)果比較吻合，各項(xiàng)指標(biāo)均符合規(guī)范的要求；因?yàn)閳龅仄渌ㄖ趽跣?yīng)，Y向風(fēng)荷載下，采用風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算的層間位移角大于采用荷載規(guī)范的。

小震和風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)性能分析主要結(jié)果 表2

由模態(tài)分析結(jié)果可知，周期比為0.514，遠(yuǎn)小于規(guī)范限值0.85，證明在B，C塔樓之間設(shè)置結(jié)構(gòu)縫后，B塔的平面變得對稱，從而解決了結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)問題。結(jié)構(gòu)最大扭轉(zhuǎn)位移比為1.1，小于規(guī)范限值1.2，滿足規(guī)范對扭轉(zhuǎn)的要求。

結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度與抗剪承載力沿樓層的分布如圖9所示。29層為轉(zhuǎn)換桁架所在位置，剛度發(fā)生突變，剛度比最大值為1.98。由于X向設(shè)置了轉(zhuǎn)換桁架，桁架巨大的斜向拉壓力并入抗剪承載力計(jì)算，因此抗剪承載力突變較大，最大比值為2.34。相應(yīng)的加強(qiáng)措施是對轉(zhuǎn)換層及其下一層的構(gòu)件進(jìn)行抗剪加強(qiáng)，以防止地震作用下的剪力突變效應(yīng)。薄弱層為轉(zhuǎn)換層及上下各一層。

圖9 樓層側(cè)向剛度與抗剪承載力分布圖

SATWE軟件計(jì)算的層間位移角曲線如圖10所示。轉(zhuǎn)換桁架層層間位移角存在明顯突變，X向接近框架-核心筒的變形限值，層間位移角值在頂部有回縮，而Y向?qū)娱g位移角明顯呈現(xiàn)出純剪力墻結(jié)構(gòu)的變形特征，頂部為發(fā)散狀。根據(jù)結(jié)構(gòu)高度計(jì)算得到X向?qū)娱g位移角限值為1/836，Y向?qū)娱g位移角限值為1/760。

圖10 結(jié)構(gòu)在小震與風(fēng)荷載作用下的層間位移角

4.2 中震性能分析

采用SATWE軟件進(jìn)行中震下構(gòu)件的性能分析。底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻滿足中震抗剪彈性性能要求，非加強(qiáng)區(qū)剪力墻滿足中震不屈服要求。在中震作用下，底部部分剪力墻墻肢滿足中震抗拉性能要求，局部墻肢(W7，W14，W4B，W11B)拉應(yīng)力不滿足1.0ftk(2.85MPa)的限值要求，如表3所示。底部剪力墻出現(xiàn)拉力的墻肢位置如圖11所示。

底部剪力墻墻肢中震彈性下的受拉驗(yàn)算 表3

圖11 底部剪力墻出現(xiàn)拉力的墻肢分布

4.3 轉(zhuǎn)換桁架分析

本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的1個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)在于轉(zhuǎn)換桁架的設(shè)計(jì)。由于轉(zhuǎn)換桁架需要承受較多樓層的荷載，所需的桁架高度大于普通層高的3.15m，因此選擇機(jī)電層(29層)5.5m層高設(shè)置轉(zhuǎn)換桁架，為了減少剛度較大的桁架對27層與28層的影響，27層與28層設(shè)計(jì)成鉸接框架的形式，荷載通過吊桿傳遞給上部的轉(zhuǎn)換桁架。上部30層的荷載通過中柱傳給桁架，桁架的內(nèi)部力流如圖12所示。較大內(nèi)力的斜桿全部為拉桿，避免了壓屈效應(yīng)，使構(gòu)件的截面利用率達(dá)到最大。

圖12 轉(zhuǎn)換桁架的內(nèi)力傳遞

重力荷載計(jì)算過程中，采用逐層加載的施工模擬方法，保證桁架的受力情況與實(shí)際情況相符，由于28層的吊桿為后施工，在施工模擬的最后階段采用附加荷載作用于上部轉(zhuǎn)換桁架來進(jìn)行模擬。

與轉(zhuǎn)換桁架相接的支承柱的中震內(nèi)力組合，考慮雙向地震及豎向地震組合，以保證支承柱構(gòu)件中震不屈服，經(jīng)過構(gòu)件正截面承載力分析[6]，支承柱滿足承載力要求。對轉(zhuǎn)換桁架的鋼構(gòu)件進(jìn)行大震不屈服驗(yàn)算，邊榀桁架(1)，(3)最大應(yīng)力比值為0.84(上弦桿)，中榀桁架(2)最大應(yīng)力比值為0.88(上弦桿)。在重力荷載作用下，轉(zhuǎn)換桁架上部混凝土梁對轉(zhuǎn)換桁架有利，為了不考慮上部梁的有利影響，對上部混凝土梁進(jìn)行鉸接處理(圖13)后，再對桁架鋼構(gòu)件進(jìn)行重力荷載分析。分析所得構(gòu)件最大應(yīng)力比為0.84(上弦桿)，滿足承載力要求，并存在一定富余量。

圖13 轉(zhuǎn)換桁架上部框架梁的鉸接處理

5 大震彈塑性分析

采用PERFORM-3D程序進(jìn)行結(jié)構(gòu)的動(dòng)力彈塑性分析。本工程采用的3條地震波(GM1，GM2，GM3)，分別以X,Y向?yàn)橹鞣较蜻M(jìn)行雙向彈塑性時(shí)程分析，并以結(jié)果最大值進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震性能評估。地震波的反應(yīng)譜分析結(jié)果如圖14所示。

圖14 反應(yīng)譜曲線與規(guī)范譜對比

經(jīng)過小震彈性時(shí)程分析，3條地震波的基底剪力與反應(yīng)譜基底剪力的比值：最大值為98.5%，最小值為90.5%，滿足規(guī)范選波的要求。

筆者開發(fā)了PERFORM-3D[7]復(fù)雜結(jié)構(gòu)建模前處理程序ETP[8]，該程序不但能夠讀取ETABS程序的幾何模型、構(gòu)件截面及彈性材料信息，還能夠提供圖形界面，實(shí)現(xiàn)很方便地輸入梁、柱及剪力墻的截面配筋與材料非線性參數(shù)，再通過數(shù)據(jù)處理導(dǎo)入PERFORM-3D程序中，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)的非線性模型的建模。彈塑性模型如圖15所示。

圖15 結(jié)構(gòu)模型

結(jié)構(gòu)非線性模型中柱與剪力墻均采用纖維模型[9]，而梁采用塑性鉸模型[10]，轉(zhuǎn)換層及其上下兩層不采用剛性樓板假定，轉(zhuǎn)換桁架的全部鋼構(gòu)件均采用纖維單元，考慮壓彎耦合效應(yīng)。非線性計(jì)算分析及假定在文獻(xiàn)[6]中有詳細(xì)的描述。經(jīng)過彈塑性分析所得結(jié)構(gòu)層間位移角曲線見圖16。最大層間位移角為1/193，滿足小于限值1/100的要求。

圖16 結(jié)構(gòu)大震層間位移角圖

大震作用下X向基底剪力為69 895kN,Y向基底剪力為75 284kN(圖17)。大震與小震地震加速度峰值比為4.07，而大震與小震基底剪力的比值為3.59(X向)與3.62(Y向)，表明大震作用下結(jié)構(gòu)能夠有效耗能。

圖17 結(jié)構(gòu)大震樓層剪力分布圖

如圖18所示，從能量耗散曲線可知，結(jié)構(gòu)的框架與連梁給結(jié)構(gòu)帶來的耗能占總耗能的21.7%；結(jié)構(gòu)最大非線性耗能比例為26.11%。

圖18 結(jié)構(gòu)在大震下的能量分布

大震作用下結(jié)構(gòu)具有較好的耗能能力，這是由于大部分的框架梁與連梁進(jìn)入了屈服狀態(tài)，如圖19所示。特別是X向的主框架梁，因間距合理使其達(dá)到較好延性。高區(qū)兩個(gè)剛度較大的核心筒通過長框架梁相接，耗能情況比普通的單一框筒結(jié)構(gòu)好。同時(shí)，中上部(23層以下)山墻開洞的連梁及筒體的連梁也是主要耗能構(gòu)件。

圖19 結(jié)構(gòu)梁構(gòu)件在大震下的性能分布圖

通過大震彈塑性分析，對柱墻及轉(zhuǎn)換桁架的支撐進(jìn)行彈塑性評估，其塑性鉸的分布如圖20所示?？梢?，柱大部分處于未屈服狀態(tài)，在頂部樓層層高突變區(qū)，柱有部分進(jìn)入塑性但未發(fā)生破環(huán)，全部剪力墻未發(fā)生屈服破壞。外側(cè)轉(zhuǎn)換桁架的斜腹桿處于彈性狀態(tài)，中榀桁架有一斜桿進(jìn)入塑性狀態(tài)但未破壞，滿足“控制塑性變形”的要求，表明關(guān)鍵構(gòu)件在大震作用下滿足性能目標(biāo)的要求。另外，由于對薄弱區(qū)的豎向構(gòu)件及桁架構(gòu)件進(jìn)行了配筋及型鋼的加強(qiáng)，除個(gè)別情況外，在大震分析中薄弱區(qū)的豎向構(gòu)件及桁架構(gòu)件未出現(xiàn)屈服情況，達(dá)到預(yù)設(shè)的性能目標(biāo)要求。

圖20 柱與支撐、剪力墻在大震下的塑性鉸的分布

6 結(jié)語

本項(xiàng)目主要超限為高位連體及Y向高寬比值大，需采用合理和經(jīng)濟(jì)的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，方能保證在實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)安全的前提下，達(dá)到美觀、經(jīng)濟(jì)和實(shí)用的統(tǒng)一。對本工程進(jìn)行了小震、中震下的彈性分析，大震下對關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行不屈服及彈性驗(yàn)算，以及采用PERFORM-3D軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)彈塑性分析，完成基于性能的抗震分析。在大量分析的基礎(chǔ)上，對結(jié)構(gòu)提出了相應(yīng)的超限加強(qiáng)措施。該工程已通過超限審查，已竣工并投入使用。本項(xiàng)目從抗震性能分析，X向?qū)儆诳蚣荏w系，Y向?qū)儆诳蚣趔w系。