錢昆

(華東建筑設計研究院有限公司 上海200002）

1 工程概況

本項目位于合肥濱湖新區(qū)核心地塊， 地塊緊鄰巢湖， 西臨廬州大道， 北至云谷路， 南接南寧路、 東臨華山路， 整個地塊東西長約850m， 南北長約800m。 整個 CBD 項目為集辦公、 酒店、商業(yè)、 博物館和觀光為一體的綜合性建筑群體，包括7 棟超高層塔樓(A 座 ～ F 座）及裙房， 塔樓建筑高度從588m 到150m 到不等。 D 座塔樓地下5 層， 地上主要建筑功能為辦公， 層數(shù)70層， 建筑高度330m， 塔冠約高19m， 結(jié)構(gòu)大屋面高度311.4m， 平面尺寸約為 50m ×50m， 結(jié)構(gòu)高寬比約為6.3。 塔樓與裙房±0.000 以上設抗震縫分開， 基礎埋深約為28.5m， 地上部分建筑面積約為15.75 萬m2。 建筑效果及剖面如圖1所示。

圖1 D 座塔樓剖面示意Fig.1 Section of tower D

D 座塔樓采用型鋼混凝土框架-核心筒-環(huán)帶桁架結(jié)構(gòu)體系， 塔樓的設計使用年限為50 年，主要構(gòu)件耐久性設計使用年限為100 年； 重要構(gòu)件(底部加強區(qū)剪力墻及框架柱）安全等級為一級， 其余構(gòu)件為二級； 抗震設防類別為重點設防類。 本工程抗震設防烈度為7 度， 設計地震分組為第一組， 場地類別II 類， 按規(guī)范的設計基本地震加速度為0.10g。

本文以D 座塔樓為研究對象， 通過多遇地震、 設防地震及罕遇地震作用下整體結(jié)構(gòu)計算分析， 全面考察了結(jié)構(gòu)在不同荷載工況作用下的受力性能， 重點闡述以下幾個問題:

(1）D 座塔樓的動力特性及整體性能， 指出本項目剛度由剪重比控制；

(2）概述罕遇地震彈塑性分析總體評價， 重點論述其對長墻、 加強層樓板等結(jié)構(gòu)設計的改進建議；

(3）由于斜墻的存在， 論述塔樓在重力荷載作用下出現(xiàn)水平位移， 分析其影響并提出解決辦法；

(4）從經(jīng)濟、 安全和建筑功能等幾方面考慮，對加強層的數(shù)量和位置進行討論， 指出最合理的加強層設置方案；

(5）對斜墻相關(guān)樓層樓板、 斜墻腹墻、 對應連梁進行分析驗算， 確保結(jié)構(gòu)安全。

2 地基基礎設計

擬建場地在深度約41.1m ～51.6m 以上范圍為第四系覆蓋層， 表層為新近填土， 下部為沖洪積的粘土、 粉質(zhì)粘土及粉砂等沉積物， 約41.1m ～51.6m 以下為古近紀定遠組砂質(zhì)泥巖，局部為泥巖、 泥質(zhì)砂巖(夾薄層花崗巖）， 土層力學性質(zhì)見表1。 本項目±0.000 的絕對標高為15.00m， 地下室底板頂相對標高 -25.30m， 絕對標高-10.30m， 基礎埋深約為 -28.80m。 塔樓地下室底板主要位于第③層粘土或第④層粉質(zhì)粘土， 經(jīng)計算此兩層土無法滿足塔樓基礎對地基承載力和變形限值的要求， 需采用樁筏基礎。

表1 土層力學性質(zhì)Tab.1 Mechanical properties of soil layer

塔樓鉆孔灌注樁樁徑為1200mm， 有效樁長35m， 以第⑥2層中風化泥質(zhì)砂巖為樁端持力層，樁端進持力層10m 左右， 采用樁端后注漿工藝提高單樁抗壓承載力， 單樁抗壓承載力特征值為15000kN。 由于樁端深入非壓縮土層第⑥2層中風化泥質(zhì)砂巖， 基礎最大沉降(包括樁基壓縮變形）為22mm 左右， 大部分變形為樁身壓縮變形， 基礎整體變形趨勢為漸變。

3 結(jié)構(gòu)體系

塔樓采用型鋼混凝土框架-核心筒-環(huán)帶桁架結(jié)構(gòu)體系， 抗側(cè)力構(gòu)件為型鋼混凝土外框柱、鋼框梁、 鋼環(huán)帶桁架、 鋼筋混凝土核心筒， 核心筒外采用鋼梁和壓型鋼板混凝土組合樓板， 核心筒內(nèi)采用鋼筋混凝土梁板。 上部結(jié)構(gòu)典型樓層平面如圖2 所示。 為提高結(jié)構(gòu)剛度， 在27 層、 38層、 49 層、 60 層布置了四道環(huán)帶桁架。

鋼筋混凝土核心筒底部尺寸為27.6m ×25.2m， 高寬比約12.4。 核心筒尺寸沿結(jié)構(gòu)高度有兩次收進: 50 層～55 層核心筒南側(cè)立面收進2.3m， 斜率為 1∶9.13； 61 層 ～ 66 層核心筒北側(cè)立面收進2.3m， 斜率為1∶9.13。

塔樓結(jié)構(gòu)大屋面高度311.4m， 核心筒頂部高度為323.5m， 塔冠頂最高約為330.15m。 結(jié)構(gòu)設計時， 將延伸至塔冠頂部外框柱通過橫向支撐支撐于內(nèi)部的核心筒， 以減小塔冠頂部懸臂高度(圖3）。 結(jié)構(gòu)設計中塔冠重量及其引起的風荷載及地震力均在計算模型中予以考慮。

圖2 典型結(jié)構(gòu)平面Fig.2 Typical structure plan

圖3 塔冠剖面示意Fig.3 Schematic diagram of tower crown section

4 結(jié)構(gòu)超限情況及性能化設計原則

4.1 超限情況

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ3-2010）， 型鋼混凝土框架-鋼筋混凝土筒體結(jié)構(gòu)在7 度區(qū)的最大適用高度為190m， D 座塔樓地上建筑總高度330m(主體結(jié)構(gòu)高度311.4m），超過限值190m， 屬于高度超限結(jié)構(gòu)； 2 層樓板缺失， 開洞面積為本層面積的42%， 大于30%；26 層、 37 層設置了環(huán)帶桁架， 按照抗規(guī)[1]不存在剛度突變， 按照高規(guī)[2]比值為0.88， 存在剛度突變； 26 層、 37 層、 48 層、 59 層布置了環(huán)帶桁架， 形成加強層； 本工程X、Y向最小受剪承載力比為0.68， 小于0.8， 是環(huán)帶桁架層下一層59層與環(huán)帶桁架層60 層的受剪承載力比值。

綜上所述， D 座塔樓存在高度超限、 樓板不連續(xù)、 剛度突變、 含加強層、 抗剪承載力突變共5 項超限， 其中后面三項均為加強層引起的不規(guī)則。

4.2 抗震性能目標

鑒于本工程的超限水平和結(jié)構(gòu)特點， 將對抗側(cè)構(gòu)件實施全面的性能化設計， 結(jié)構(gòu)的抗震性能目標定為C 級: (1）多遇地震作用下結(jié)構(gòu)滿足彈性設計要求； (2）設防地震作用下底部加強區(qū)的核心筒剪力墻、 外框柱滿足正截面抗彎、 抗剪彈性， 其他區(qū)域樓層核心筒剪力墻、 外框柱滿足正截面抗彎不屈服、 抗剪彈性， 環(huán)帶桁架滿足正截面抗彎不屈服， 抗剪彈性； (3）罕遇地震作用下核心筒剪力墻及外框柱滿足抗剪截面控制條件，最大彈塑性層間位移角滿足1/100。

5 結(jié)構(gòu)分析與計算

5.1 整體結(jié)構(gòu)分析

塔樓彈性分析使用Etabs 和 YJK(1.8.2）進行， 建立模型來對比檢驗分析結(jié)果。 兩種軟件計算的模態(tài)周期見表2。 分析結(jié)果表明， 結(jié)構(gòu)的第1 階和第2 階振型為平動振型， 第3 階振型為扭轉(zhuǎn)振型， 周期比均小于0.85。

表2 結(jié)構(gòu)前3 階振型Tab.2 First three modes of structure

結(jié)構(gòu)整體彈性指標見表3。 塔樓X向、Y向的層間位移角均小于1/500， 兩個方向的剛重比均大于1.4， 但是小于2.7， 結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形分析中需要考慮P-Δ效應的影響。 剪重比分析時，特征周期取 0.35s， D 座塔樓基本周期約為7.19s， 按照《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術(shù)要點》計算， 樓層的最小地震剪力系數(shù)值為 0.8 ×0.012 =0.0096。 經(jīng)計算， 整個結(jié)構(gòu)X方向的剪重比為 0.996%，Y方向的剪重比為0.964%， 符合《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術(shù)要點》的要求， 故只需按規(guī)范要求對各樓層剪力進行放大調(diào)整。

表3 整體結(jié)構(gòu)性能指標Tab.3 Performance index of overall structure

由以上分析可知， 300m 左右超高層在7 度設防地區(qū)的結(jié)構(gòu)特點為: (1）兩個方向地震作用下、 風荷載下位移角最大為1/842， 遠遠小于1/500， 不起控制作用； (2）剛重比均大于 1.4，但是小于2.7， 結(jié)構(gòu)設計中需要考慮二階效應；(3）合肥地區(qū)50 年一遇基本風壓為0.35kN/m2，本項目地震作用下基底剪力略大于風荷載作用下基底剪力， 地震作用起控制作用； (4）剪重比最小為 0.964%， 略大于《審查要點》 最低標準0.960%， 說明D 座塔樓剛度由剪重比控制， 結(jié)構(gòu)設計中通過減輕上部剪力墻自重、 適當加大加強層剛度來調(diào)整剪重比。

5.2 罕遇地震彈塑性時程分析

對D 座塔樓進行罕遇地震作用下動力彈塑性時程分析， 共計算7 組地震波， 并對結(jié)構(gòu)性能進行評價， 總體結(jié)論如下: (1）結(jié)構(gòu)的最大層間位移角平均值X向為 1/182，Y向為 1/176， 均滿足規(guī)范1/100 的要求； (2）彈塑性罕遇地震的剪重比平均值X向為4.14%，Y向為3.94%， 約為彈性罕遇地震的0.70 ～0.73 倍。 彈塑性剪重比相當于多遇地震剪重比(0.96% ～0.98%）的4.1倍， 表明結(jié)構(gòu)有一定的耗能能力； (3）從損傷情況來看， 結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塑性鉸的位置符合設計預期，主要出現(xiàn)在核心筒連梁及核心筒內(nèi)混凝土框架梁。 外框和核心筒之間鋼梁由于設計為兩端鉸接次梁， 不參與抗側(cè)和耗能。

核心筒內(nèi)墻NQ2、 NQ4 長度11m， 在底部出現(xiàn)較嚴重受壓損傷， 損傷因子0.75， 損傷寬度20%。 根據(jù)罕遇地震分析結(jié)果， 結(jié)構(gòu)設計中考慮在墻中部開設構(gòu)造洞: 層高≤4m 時， 洞口大小為1.5m ×2m； 層高 ＞4m 時， 洞口大小為 1.5m×3m。 圖4 為NQ4 底部剪力墻開洞和不開洞兩種情況下在罕遇地震作用時受壓損傷情況對比，開洞后連梁發(fā)揮耗能作用， 保護了墻肢。 分析表明， 兩片內(nèi)墻(NQ2、 NQ4）開洞后墻肢均未出現(xiàn)明顯的受壓損傷。

圖4 NQ4 底部墻體受壓損傷對比Fig.4 Comparison of pressure damage of NQ4 bottom wall

考察環(huán)帶桁架樓層樓板在罕遇地震下的性能水平， 如圖5 所示。 由圖可知， 環(huán)桁架位置出現(xiàn)中度受壓損傷， 在后續(xù)施工圖設計中， 在環(huán)桁架寬度1m 內(nèi)的板帶， 加強與環(huán)桁架同方向的板筋。

綜上所述， 根據(jù)罕遇地震彈塑性分析結(jié)果對結(jié)構(gòu)采取相應加強措施后， 結(jié)構(gòu)變形、 混凝土損傷、 鋼筋和鋼材塑性應變等各項指標均滿足所設定的性能目標。

圖5 38 層樓板受壓損傷Fig.5 Pressure damage of 38th floor slab

6 結(jié)構(gòu)設計關(guān)鍵問題

6.1 施工模擬及非荷載效應作用下水平變形分析

根據(jù)變形的性質(zhì)不同， 豎向構(gòu)件在豎向荷載作用下的變形主要由兩部分構(gòu)成: 一部分是由重力荷載、 溫度和基礎沉降產(chǎn)生的彈性變形， 另一部分是由混凝土收縮和徐變產(chǎn)生的非彈性變形。 非荷載作用就是指混凝土收縮和徐變產(chǎn)生的效應。

D 座塔樓南面核心筒在50 ～55 層為斜墻，北面核心筒在61 ～66 層為斜墻， 斜墻的斜率為1∶9.13。斜墻單面收進使整體結(jié)構(gòu)在自重作用下存在偏心， 引起附加彎矩， 從而在自重作用下產(chǎn)生水平位移。 考慮非荷載效應后， 結(jié)構(gòu)在施工封頂后、 施工完成10 年后的水平位移最大值分別為 38mm 和 48mm， 如圖 6 所示。

圖6 核心筒水平變形分析Fig.6 Horizontal deformation analysis of core tube

重力荷載下產(chǎn)生的水平位移將會影響超高層高速電梯的正常使用， 同時會影響樓屋面的水平度， 對幕墻、 隔墻、 機電管道和電梯等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件也會產(chǎn)生影響。 在后續(xù)施工圖設計及施工過程中均需采取相應的措施: (1）采用高強混凝土， 兼顧混凝土強度、 耐久性、 體積穩(wěn)定性、 工作性、環(huán)保性和經(jīng)濟性的綜合要求， 減小收縮和徐變變形； (2）采用具有好的彈性和韌性的填充材料與結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行連接； (3）在核心筒重心偏向的一方，適當多布置一些樁基， 通過調(diào)整基礎沉降來平衡重力偏心引起的豎向位移差異； (4）建筑施工期間， 根據(jù)計算結(jié)果， 在不同樓層預留相應的變形量， 保證后期電梯等設備的正常使用； (5）在施工和使用期間， 建立一套完善的變形監(jiān)測系統(tǒng)， 并在施工期間根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)隨時調(diào)整后期的預留量。

6.2 環(huán)帶桁架敏感性分析

建筑沿塔樓高度設置了6 個避難層， 其中上面5 個避難層高度比例分別為0.23(位置1）、0.38(位置2）、 0.54(位置 3）、 0.70(位置 4）和0.85(位置5）。 考慮在位置 1 -3 -5、 位置 2 -3-4、 位置 2 -3 -5、 位置 2 -4 -5、 位置 3 -4 -5 處分別布置三道環(huán)帶桁架。 對其環(huán)帶桁架位置敏感性進行對比分析， 可知設置三道環(huán)帶桁架模型， 底層剪重比很難滿足0.960%的審查要求，如果采取三道環(huán)帶的方案， 需加大環(huán)帶桁架剛度、 增加墻厚以及框架截面， 經(jīng)濟性不好。 三道環(huán)帶總體指標見表4。 考慮在位置1 -2 -3 -4、位置1 -2 -3 -5、 位置 1 -2 -4 -5、 位置 1 -3-4 -5、 位置2 -3 -4 -5 處分別布置四道環(huán)帶桁架。 可知除環(huán)帶桁架設置在2 -3 -4 -5 位置之外， 其余模型底層剪重比不滿足要求， 且差距較大。 四道環(huán)帶總體指標見表5。

表4 三道環(huán)帶總體指標Tab.4 Overall indicators of three ring roads

表5 四道環(huán)帶總體指標Tab.5 Overall indicators of four ring roads

6.3 斜墻受力分析

核心筒尺寸沿結(jié)構(gòu)高度有兩次收進: 50 ～55層， 南面核心筒開始內(nèi)收， 形成斜墻； 61 ～66層， 北面核心筒開始內(nèi)收， 形成斜墻。 經(jīng)初步分析50 ～55 層的斜墻位于建筑的下部， 其墻肢軸力較61 ～66 層大， 綜合考慮斜墻斜率相同的因素， 50 ～55 層斜墻造成的水平分力大于61 ～66層斜墻造成的水平分力， 本節(jié)選取50 層～55 層的斜墻墻體進行分析， 斜墻編號如圖7 所示。

圖7 50 ～55 層斜墻編號Fig.7 Inclined wall number of floors 50 ～55

地震組合分項系數(shù)按抗震規(guī)范取值如下， 其中水平地震作用考慮雙向地震:

設防地震彈性組合1:

設防地震彈性組合2:

式中:SGE為重力荷載代表值的效應；SEhk水平地震作用標準值的效應；SEvk為豎向地震作用標準值的效應。

各工況及組合在斜墻內(nèi)產(chǎn)生的軸力見表6。

表6 51 層斜墻軸力(單位： kN)Tab.6 Axial force of 51 story inclined wall (unit: kN）

表6 分析表明對于斜墻墻肢軸力以重力荷載為主， 水平地震引起墻肢軸力次之， 豎向地震引起的墻肢軸力較小， 墻肢軸力控制工況為以水平地震為主的組合工況。

斜墻轉(zhuǎn)折處(50 層樓面及55 層樓面）將會對樓板形成較大的推力， 需對轉(zhuǎn)折處的樓板進行面內(nèi)應力分析， 圖8 顯示了50 層及55 層重力荷載代表值(D+0.5L，D為恒載作用下的效應，L為活載作用下的效應）下的樓板平面內(nèi)內(nèi)力圖。 為了略去重力荷載下樓板的平面外應力， 僅保留樓板平面內(nèi)應力， 圖8 中F11、F22表示單位長度的樓板面內(nèi)軸力， 其值除以樓板厚度就為樓板面內(nèi)應力。 結(jié)構(gòu)設計中將斜墻轉(zhuǎn)折處50 層和55 層的樓板加厚至 200mm， 51、 52、 53 層樓板厚度增厚至150mm。 由圖8 可知， 重力作用下由于斜墻軸力分力引起的樓板拉應力50 層為300(kN/m）/200(mm） =1.5MPa、 55 層為240(kN/m）/200(mm） =1.2MPa， 由表6 可知， 設防地震水平地震引起的墻肢軸力約為重力作用下墻肢軸力的0.80 倍，可知1.2SGE+1.3SEhk組合下墻肢軸力水平分力引起的樓板拉應力約為3.36MPa(50 層）、 2.70MPa(55 層）。 結(jié)構(gòu)設計中根據(jù)計算結(jié)果對該樓層的樓板配筋進行加強， 并雙向雙層通長配筋。

圖8 樓板軸力(單位： kN/m)Fig.8 Axial diagram of floor (unit: kN/m）

核心筒內(nèi)墻肢WQ5、 WQ6 對斜墻平面外起較大的約束作用， 應對WQ5、 WQ6 進行水平向拉力驗算。 由圖9 可知， WQ6 在設防地震彈性組合下墻肢最大水平拉應力約為1440(kN/m）/350(mm） =4.11N/mm2， 結(jié)構(gòu)設計中應對該區(qū)域附近的墻肢水平分布鋼筋進行加強(水平分布鋼筋配筋率約為1.0%）。

圖9 內(nèi)墻肢WQ6 軸力F11方向(單位： kN/m)Fig.9 Axial diagram of internal wall limb WQ6(F11direction， unit: kN/m）

斜墻轉(zhuǎn)折處(50 層及55 層樓面）， 將會對斜墻鄰近的連梁形成較大的軸力， 如連梁L -1 及L-2。 因此結(jié)構(gòu)設計中將這些連梁的抗震性能提高為設防地震彈性， 結(jié)構(gòu)設計中在相應連梁內(nèi)埋置型鋼， 并按拉彎或壓彎桿件對這些連梁進行設計。

7 結(jié)論

1.D 座塔樓結(jié)構(gòu)采用型鋼混凝土框架-核心筒體系， 對其進行多遇地震彈性、 設防地震彈性及罕遇地震彈塑性時程分析， 結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)體系可以滿足抗震(風）多道設防的要求。 分析表明， D 座塔樓的剛度由剪重比控制， 設計中應重視減輕減薄上部墻體自重； 對于長度11m 的剪力墻中部開設構(gòu)造洞口， 減輕其在罕遇地震下的損傷。

2.由于有斜墻的存在， 塔樓在重力荷載作用下會產(chǎn)生附加彎矩， 從而產(chǎn)生水平位移， 對其進行考慮非荷載效應的施工模擬分析， 得出塔樓在施工完成十年后的水平位移值為48mm， 考慮其對高速電梯、 機電管道等的影響， 提出合理化建議。

3.對環(huán)帶桁架進行敏感性分析， 考慮經(jīng)濟性和對建筑功能的影響， 得出環(huán)帶桁架的合理設置位置。

4.斜墻、 對應樓層的樓板、 支撐斜墻的腹墻以及對應的連梁組成一個受力平衡體系， 對這個體系進行分析， 結(jié)果表明斜墻墻肢軸力以重力荷載為主， 水平地震引起墻肢軸力次之， 豎向地震引起的墻肢軸力較小。 墻肢配筋中對斜墻外側(cè)豎向分布鋼筋配筋率適當加強， 以抵抗斜墻平面外彎矩； 結(jié)構(gòu)設計中對斜墻對應樓層的樓板配筋進行加強； 對支撐斜墻的腹墻水平鋼筋進行加強，用以抵抗產(chǎn)生的拉力； 在斜墻對應的連梁內(nèi)埋置型鋼。