張大權

摘 要：本文基于筆者多年從事建筑結構設計的相關工作經(jīng)驗，以某高層寫字樓結構設計為研究對象，論文首先對多種斜交網(wǎng)格結構形式進行了對比分析，進行了斜交網(wǎng)格結構計算及抗震性能分析，為該類結構形式的運用提供了一定的參考。

關鍵詞：高層寫字樓 斜交框筒結構 性能設計 結構設計

中圖分類號：TU973 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）08（a）-0039-02

1 工程概況

總體效果圖見圖1，分南北兩個塔樓，之間設大跨報告廳連接，北塔為寫字樓，總高度為119.75 m，地上為27層；南塔為商業(yè)，地上為6層，建筑高度為32.600 m。由于場地條件限制，平面為一個北窄南寬的梯形平面。北塔層高：地下四層為4.2 m，地下三～一層為4.3 m，一、二層通高為9.25 m，三層以上均為4.25 m；南塔層高：地下同北塔，地上一層為6.0 m，其余各層為5.2 m。

由于工程地下室的使用功能需要大空間，同時也考慮防水構造容易處理的因素，地下室均不設永久縫，使地下室結構成為上部結構較理想的嵌固端。防空地下室為甲類，結構設計使用年限50年，建筑結構安全等級二級，地基基礎設計等級甲級?？拐鹪O防烈度7度，設計基本地震加速度值 0.10 g，設計地震分組第一組，建筑場地類別為Ⅲ類，特征周期0.45 s。（圖1）

2 結構設計與選型

2.1 結構單元的規(guī)則性

寫字樓與商業(yè)樓之間在±0.00以上完全脫開，建筑上采用連廊連接。連廊與兩樓之間在±0.00以上也設防震縫，各自形成獨立的結構單元，避免了連體結構。設置防震縫后寫字樓平面、豎向均較規(guī)則。

結構方案曾考慮利用避難層作為加強層，用以減小建筑物的側移，但會使上、下層剛度突變，鑒于建筑高度僅120 m左右，在滿足層間位移角限值的前提下，未采用加強層的結構形式。同時為了節(jié)省材料和減輕自重，根據(jù)剛度和承載力的要求，豎向構件由下至上斷面多次逐漸變小，且柱子與墻體的變斷面位置按不同樓層錯開?；炷翉姸鹊燃壱灿上轮辽戏謳状沃饾u降低，變化時也與豎向構件變斷面位置錯開樓層，使豎向結構剛度漸變。

2.2 結構方案設計

根據(jù)建筑造型要求，主體結構初步進行了以下三種方案的比選：（1）斜交矩形鋼管混凝土外框柱+混凝土核心筒（方案一）。（2）斜交鋼筋混凝土外框柱+混凝土核心筒（方案二）。（3）豎直落地的鋼筋混凝土外框柱（外包斜框架幕墻）+混凝土核心筒（方案三）。

對以上三種結構形式從頂點位移、層間最大位移、經(jīng)濟性、施工質(zhì)量等方面進行了分析對比：（1）方案一受力性能好，施工速度快，能滿足建筑師對立面的要求，但就目前120 m高度建筑而言，用鋼量大，經(jīng)濟性較差，成本高，只能作為替補方案。（2）方案二混凝土柱為壓彎構件，構件的延性較差，斜柱交叉節(jié)點的抗震性能差，鋼筋密，施工速度慢，但造價低，經(jīng)濟性優(yōu)，且能滿足建筑方案的立面和視覺效果。（3）方案三為成熟的設計、施工工藝，經(jīng)濟性及施工質(zhì)量均有保證，但對建筑方案的破壞性較大。結構整體模型見圖2。

通過以上分析，綜合考慮建筑效果、經(jīng)濟和安全等因素，最終確定采用方案二，但在方案二斜柱交叉節(jié)點處增加型鋼，加強其延性，提高其抗震性能。即采用斜交鋼筋混凝土外框柱（節(jié)點設置型鋼）+混凝土核心筒結構，梁和樓板采用普通鋼筋混凝土?？拐鸬燃墸盒敝翱蚣芏?，核心筒二級。平面布置見圖3。

3 結構超限分析及解決措施

3.1 超限類型

本工程結構總高度為119.0 m，未超過A級最大適用高度（150 m），平面寬度為26m，高寬比為4.6<7，滿足要求。辦公樓平面部分層為通高的花園，屬樓板不連續(xù)，平面不規(guī)則；局部斜柱不落地，豎向不規(guī)則，且外框柱為非常規(guī)的斜交網(wǎng)格柱，故對本工程進行超限抗震分析。

3.2 超限的解決措施

分別采用兩種不同力學模型的三維空間分析軟件，按考慮扭轉耦聯(lián)振動影響時振型分解反應譜法進行整體內(nèi)力及位移計算。并對整體結構進行多遇地震下彈性動力時程分析的補充計算。對整體結構分別進行罕遇地震時的彈塑性動力和靜力分析，以考察結構的抗震性能和結構薄弱層的彈塑性變形，對分析中發(fā)現(xiàn)的較弱部位采取加強措施。對整體結構進行中震彈性驗算并對少數(shù)構件的配筋進行加強。以上措施從計算的角度保證結構有足夠的整體剛度和抗震性能，以達到“小震不壞，中震可修，大震不倒”的要求。

3.2.1 多遇地震的計算分析

分別采用兩種不同力學模型的三維空間分析軟件SATWE和midas building計算。在分析位移和周期等指標時，采用剛性樓板假定。反應譜分析時結構的有效質(zhì)量系數(shù)均超過90%，滿足規(guī)范要求，由SATWE和building分析得到的第一扭轉周期與第一平動周期之比Tt/T1分別為0.87及0.86，均滿足規(guī)范小于0.9的要求，且周期及整體質(zhì)量接近，計算結果滿足規(guī)范1/800層間位移角限值要求，說明結構布置與結構計算模型選擇合理。

3.2.2 彈性動力時程分析法

采用SATWE彈性動力時程分析軟件進行多遇地震下的補充計算。主要采用的地震波為：安評人工波USER1，TH2TG035（天然波），TH3TG035（天然波）。主方向峰值加速度為35cm/s2，次方向為29.75cm/s2。特征周期0.45 s。

由SATWE彈性時程分析結果（以下均指三條波的平均值）可知，彈性時程分析得到的x，y向?qū)娱g位移角分別為1/3884，1/4003，遠小于《高規(guī)》要求的1/800。x，y向的樓層位移及層間位移角的變化趨勢均與反應譜分析（CQC法）得到的結果一致，且均小于CQC法結果。每條時程曲線所得的結構底部剪力不小于振型分解反應譜法求得的底部剪力的65%，三條時程曲線所得的結構底部剪力的平均值不小于振型分解反應譜法求得的底部剪力的80%。x，y向樓層剪力及樓層底部彎矩值的變化趨勢與CQC法得到的結果基本一致，其中CQC法得到的樓層底部彎矩均大于彈性時程分析結果，設計時結構地震作用取CQC法計算結果。

3.2.3 彈塑性靜力分析（Pushover分析）

為考察結構在罕遇地震時的抗震性能和驗算結構薄弱層的彈塑性變形，采用彈塑性分析軟件EPDA&PUSH分別對結構進行彈塑性靜力、動力分析。計算主方向的罕遇地震時，最大地震加速度取220cm/s2。由于彈塑性靜力分析數(shù)據(jù)變化趨勢與彈塑性動力分析數(shù)據(jù)基本一致，僅列出X方向靜力彈塑性分析數(shù)據(jù)。圖4為工程地震設防烈度為7度、Ⅲ類場地土等條件時，彈塑性靜力分析的結構需求譜曲線和周期-加速度曲線（能力曲線）以及周期-最大層間位移角曲線。圖中性能點基底剪力為40742.9 kN，位移523.6 mm，地震影響系數(shù)最大值Amax=0.500，性能點附加阻尼比為0.056，能力譜曲線與需求譜曲線的交點坐標（T，A）=4.041 s，0.087；性能點最大層間位移角1/191。（圖4）

根據(jù)EPDA&PUSH的分析結果可見，結構豎向剛度比較均勻，無明顯的薄弱層；x向結構最大彈塑性位移為1/191，小于1/100，滿足規(guī)范要求。塑性鉸分布圖表明，在罕遇地震過程中結構達到性能點時，框架柱均未出現(xiàn)塑性鉸，大部分塑性鉸出現(xiàn)在框架梁、次梁及連梁的兩端，框架柱具有足夠的強度儲備，能滿足“大震不倒”的性能要求。從結構最大彈塑性位移值及中震彈性驗算等數(shù)據(jù)分析，寫字樓符合大震中等破壞或接近大震部分構件中等破壞。

由于靜力分析法采用的是第一基本振型，且在計算過程中假定形狀向量不變，因此僅適用于較規(guī)則的結構，在工程的15個振型中，前幾個基本振型為主振型，高振型均為次要振型，彈塑性分析結果中靜力曲線與動力曲線的數(shù)據(jù)變化趨勢基本一致，說明結構比較規(guī)則，工程采用的彈塑性分析方法較為合理，這說明工程具有較好的抗震性能和潛力。

3.2.4 中震彈性驗算

為了考查結構在中震時的抗震性能，用SATWE軟件對結構進行了中震彈性驗算，計算時將“多遇地震影響系數(shù)最大值”設定為0.23，“框架抗震等級”和“核心筒抗震等級”都設定為四級，這樣可以使結構在中震狀態(tài)下的計算數(shù)據(jù)更加符合實際情況。計算結果表明，除核心筒內(nèi)剪力墻的少數(shù)小墻肢、暗柱及連梁外，大部分構件都能滿足中震彈性承載力的設計要求。對以上強度不足的構件采取諸如加大配筋、改用型鋼混凝土等加強措施后，整體結構均能達到中震彈性的目標。

4 重要部位的概念設計驗算及加強措施

層2樓面開有較大洞口，設計除了采取將層2樓面板厚加厚至180 mm外，還將底層大空間的上空層3樓板加厚為150 mm，并雙層雙向配筋，針對斜柱交點及梁柱斜交的節(jié)點抗震性能差的情況，在該處柱內(nèi)設置工字型截面的型鋼，以提高其延性，增強其抗震性能。

5 結語

本工程以全新的理念和獨特的結構形式，既滿足了建筑效果，同時也在滿足抗震要求的前提下最大程度地節(jié)省了工程造價，該設計方案初步得到了深圳市超限委員會專家組的認可，這充分說明了該結構設計方案對本工程是最優(yōu)選擇。

參考文獻

[1] 黃思凝，郭訊，劉紅彪.高層鋼筋混凝土斜交網(wǎng)格結構振動臺試驗研究[J].振動與沖擊，2012（11）.

[2] 建質(zhì)[2010]109號超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點[S].2010.