賴艷芳

某大跨度連體超限高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

賴艷芳

（中元( 廈門(mén)) 工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，福建 廈門(mén) 361004）

本工程是存在6項(xiàng)不規(guī)則的超限高層連體建筑，東塔高91.45m，西塔高95.5m，在標(biāo)高75.0m以上，通過(guò)跨度42m的轉(zhuǎn)換桁架連接為一體。介紹了針對(duì)該結(jié)構(gòu)超限情況采取的設(shè)計(jì)措施與抗震性能要求，進(jìn)行了多遇地震下的彈性反應(yīng)譜分析、彈性時(shí)程分析和罕遇地震下的彈塑性分析，并開(kāi)展了中震下樓板應(yīng)力分析、轉(zhuǎn)換桁架有限元分析、躍層支撐及其相連框架柱等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)構(gòu)件分析，并討論了連接體的構(gòu)造加強(qiáng)措施。分析結(jié)果表明結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，能夠達(dá)到預(yù)期性能目標(biāo)。

高位大跨度連體；超限高層；框架—剪力墻結(jié)構(gòu)；抗震設(shè)計(jì)

1 工程概況

現(xiàn)代服務(wù)業(yè)基地（丙洲片區(qū)）統(tǒng)建區(qū)Ⅱ-4地塊工程位于廈門(mén)市同安區(qū)濱海西大道。本工程由1棟連體的高層辦公樓及4層附屬配套建筑組成，2層地下室?？偨ㄖ娣e10.99萬(wàn) m2，其中地上建筑面積8.822萬(wàn) m2，建筑面積2.168萬(wàn)m2。連體建筑的西塔23層，屋面結(jié)構(gòu)標(biāo)高95.500m；東塔22層，屋面結(jié)構(gòu)標(biāo)高91.450m，東西塔在標(biāo)高75.0m（第19層）以上連為一體，直到東塔屋面。主樓采用帶躍層斜撐的框架—剪力墻結(jié)構(gòu)[1]。圖1為建筑效果圖。

工程設(shè)計(jì)使用年限為50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)一級(jí)，建筑抗震設(shè)防類別為乙類。設(shè)防烈度為7度，基本地震加速度為0.15g，設(shè)計(jì)地震分組為第三組，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，特征周期為0.45s?；撅L(fēng)壓0.8kPa，地面粗糙度A類。

圖1 建筑效果圖

2 結(jié)構(gòu)體系

2.1 結(jié)構(gòu)體系概述

地上建筑在1層~5層連為整體，6層~18層分為東、西2個(gè)塔樓，19層~22層通過(guò)42m跨度鋼連廊剛性連接為一體，至東塔屋面。塔樓各層平面見(jiàn)圖2~圖4。東西塔樓為鋼筋砼框架—剪力墻結(jié)構(gòu)，受拉墻體內(nèi)設(shè)置鋼骨。由于剪力墻數(shù)量較少抗側(cè)剛度不足，建筑對(duì)辦公環(huán)境通透效果追求，外立面設(shè)有4道躍層斜撐，控制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)；躍層斜撐采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)，截面600×600~700，與之相連框架柱、框架梁也采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)。

圖2 4層建筑平面圖

圖3 6層~17層建筑平面圖

圖4 連體層（19F）結(jié)構(gòu)平面圖

通過(guò)多方對(duì)比，高位連體部分采用鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換桁架與兩個(gè)主塔樓剛連接。連體底層（19F）外側(cè)縱向設(shè)置兩榀主桁架，橫向設(shè)置2榀次桁架及2榀空腹桁架。桁架層跨度42m，層高4.2m，桁架高度單層略不足，雙層浪費(fèi)，在桁架上設(shè)斜拉桿，形成剛度較大的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。見(jiàn)圖5。

圖5 轉(zhuǎn)換桁架三維圖

表1 轉(zhuǎn)換桁架主桿件截面

項(xiàng)目在東西塔采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板，鋼連廊部分采用鋼筋桁架樓承板。5F裙房屋面連接部分及相鄰2跨，23F連體屋面、19F、20F連體外延過(guò)渡區(qū)板厚取150㎜；19F、20F連體部分及外延2跨區(qū)域板厚180㎜，其余區(qū)域120㎜厚。由于主樓基礎(chǔ)為直徑1.2m的機(jī)械成孔灌注樁，持力層為⑩中風(fēng)化花崗巖，可認(rèn)為基礎(chǔ)基本沒(méi)有沉降，文內(nèi)不討論基礎(chǔ)沉降差異對(duì)連體結(jié)構(gòu)的影響[2]。

2.2 超限情況

本工程主要屋面結(jié)構(gòu)高度96m，同時(shí)具有所列6項(xiàng)不規(guī)則[2]：①由于最大扭轉(zhuǎn)位移比達(dá)1.3而扭轉(zhuǎn)不規(guī)則；②3層~5層與19層~23層平面內(nèi)凹達(dá)60%而凹凸不規(guī)則；③2層樓板開(kāi)洞后有效寬度最小處僅39%而樓板不連續(xù)；④19層以上連體導(dǎo)致剛度突變；⑤塔樓在3層、5層、19層都有較大尺度的平面收進(jìn)，導(dǎo)致尺寸突變；⑥因?yàn)檫B體的緣故，18層樓層受剪承載力不足0.8，導(dǎo)致構(gòu)件間斷和承載力突變共，還有躍層柱導(dǎo)致的局部不規(guī)則；屬于特別不規(guī)則的超限高層建筑結(jié)構(gòu)。見(jiàn)圖6。

圖6 結(jié)構(gòu)三維立面圖

3 結(jié)構(gòu)整體計(jì)算分析

本項(xiàng)目屬于高位、大跨度的連體結(jié)構(gòu)，塔樓的體型、平面布置差異較大，為調(diào)整東西塔樓動(dòng)力特性相近，減小結(jié)構(gòu)在水平工況下的耦連振動(dòng)[1]，計(jì)算模型包絡(luò)以下計(jì)算指標(biāo)：①東西2個(gè)單塔在不帶裙房及連體荷載的工況下，最大層間位移角控制在1/700~1/750左右，最大層間位移比控制在1.4以內(nèi)；②連體結(jié)構(gòu)整體計(jì)算時(shí)，按位移角1/800，位移比1.4控制。

由于塔樓在6層~18層分做2塔，計(jì)算結(jié)果在這些樓層均體現(xiàn)雙塔特性。

3.1 小震彈性分析

總的來(lái)說(shuō)，除底部裙房及連體層外，樓層質(zhì)量沿高度的分布比較均勻，無(wú)異常突變，見(jiàn)圖7；第18層為連體下層，X向及Y向與19層的受剪承載力之比分別為0.70、0.90，呈現(xiàn)為薄弱層，應(yīng)乘以放大系數(shù)1.25，見(jiàn)圖8。

前三周期T1=2.44s（Y向平動(dòng)），T2=2.24s（X向平動(dòng)），T3=2.04s（扭轉(zhuǎn)），T3/T1=0.83，滿足規(guī)范0.85的要求。

圖7 各層質(zhì)量分布圖

圖8 各層剛度比

單塔計(jì)算是塔樓的位移角指標(biāo)雖然在1/770左右，加上連體后，位移角指標(biāo)總體提高較多，見(jiàn)表2。體現(xiàn)連體部分增強(qiáng)塔樓的整體抗側(cè)剛度，協(xié)調(diào)東西塔的變形，共同抵抗側(cè)向荷載的能力，其本身的受力也必然復(fù)雜[3-5]。

表2 地震及風(fēng)荷載作用下的最大層間位移角

3.2 風(fēng)洞結(jié)果采用

因體型復(fù)雜，項(xiàng)目做了風(fēng)洞試驗(yàn)。風(fēng)氣候分析得到的基本風(fēng)壓值W50=0.78kPa略低于規(guī)范值0.8kPa，整體樓層剪力小于規(guī)范風(fēng)荷載下樓層剪力。但左塔Y向5F~17F風(fēng)洞風(fēng)荷載下的樓層剪力明顯大于規(guī)范風(fēng)荷載下的樓層剪力，究其原因還是建筑自身塔樓及周邊高層建筑對(duì)來(lái)流風(fēng)具有一定的遮擋效應(yīng)，施工圖強(qiáng)度計(jì)算中給予包絡(luò)設(shè)計(jì)。為了保證結(jié)構(gòu)的安全，本工程實(shí)際采用規(guī)范值W50進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算[3]，同時(shí)應(yīng)包絡(luò)風(fēng)氣候分析的風(fēng)荷載。

3.3 彈性時(shí)程分析

本項(xiàng)目進(jìn)行彈性時(shí)程分析作為反應(yīng)譜分析的補(bǔ)充計(jì)算。時(shí)程分析7組波的平均剪力值大于振型分解反應(yīng)譜法的80%，各條波分別作用下的底部剪力值均大于振型分解反應(yīng)譜法的65%，滿足規(guī)范GB50011-2010的規(guī)定。時(shí)程分析樓層剪力和位移平均結(jié)果與規(guī)范反應(yīng)譜結(jié)果規(guī)律基本吻合，證明反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果合理。在小震構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)，多條波平均值與CQC法計(jì)算比較后，需要放大的主要為16層及以上樓層，放大系數(shù)最大值為1.16。

圖9 彈性時(shí)程分析與反應(yīng)譜分析各樓層位移角

3.4 豎向地震對(duì)結(jié)構(gòu)的影響

《高規(guī)》[1]明確規(guī)定連體部分考慮豎向地震作用的影響，強(qiáng)度進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)?？紤]施工次序及地震下樓板剛度退化，轉(zhuǎn)換桁架桿件內(nèi)力計(jì)算采用樓板厚度為“0”工況復(fù)核。從表3可以看出，桿件內(nèi)力由平時(shí)使用工況控制，地震作用不起控制作用。

表3 轉(zhuǎn)換桁架桿件最大內(nèi)力

豎向地震下連體結(jié)構(gòu)豎向振動(dòng)頻率為3.5Hz，滿足規(guī)范不小于3Hz的豎向振動(dòng)舒適度要求。

3.5 溫度作用對(duì)結(jié)構(gòu)的影響

因平面功能及立面特點(diǎn)，從裙房到塔樓均未設(shè)置結(jié)構(gòu)伸縮縫。裙房最大平面尺寸15.08×60.18，連體部分最大平面尺寸109.34×57.78，考慮溫度作用對(duì)結(jié)構(gòu)影響，由于施工階段都設(shè)有溫度后澆帶，大多數(shù)構(gòu)件都是室內(nèi)構(gòu)件，在超長(zhǎng)樓層2F~5F及19F~23F層計(jì)算使用階段溫度作用。計(jì)算中考慮使用階段的溫度變化為升溫15℃，降溫15℃，設(shè)計(jì)中按包絡(luò)結(jié)果配筋。對(duì)樓板采用以下加強(qiáng)措施：①轉(zhuǎn)換層上下樓板平面內(nèi)增加水平支撐；②提高樓板的配筋率，采用雙層雙向通長(zhǎng)配筋；③主體支撐柱周邊應(yīng)力集中應(yīng)加強(qiáng)配筋率。

3.6 結(jié)構(gòu)舒適性驗(yàn)算

結(jié)構(gòu)舒適性驗(yàn)算取10年一遇的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值0.5kN/m2，阻尼比取0.02。風(fēng)致結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)加速度在Y向?yàn)?.096m/s2，滿足規(guī)范辦公類建筑不大于0.25m/s2的舒適度限值。

4 主要構(gòu)件設(shè)計(jì)驗(yàn)算

4.1 關(guān)鍵構(gòu)件抗震性能化設(shè)計(jì)

針對(duì)本工程結(jié)構(gòu)超限的情況，綜合考慮抗震設(shè)防類別、設(shè)防烈度、場(chǎng)地條件、結(jié)構(gòu)的特殊性、造價(jià)等因素，本工程結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行抗震性能化設(shè)計(jì)，見(jiàn)表4。

4.2 中震下樓板應(yīng)力分析

19層、20層為連體轉(zhuǎn)換桁架層樓板，板厚為180mm，應(yīng)保證中震下不屈服的性能目標(biāo)。樓板按膜單元模擬。樓板配筋按“恒+活”計(jì)算受彎鋼筋外，疊加中震不屈服計(jì)算所得平面內(nèi)受力鋼筋配置雙層雙向通長(zhǎng)配筋。中震下各加強(qiáng)層樓板應(yīng)力水平約為2～4MPa，基本滿足抗剪截面剪壓比要求。由中震下樓板面內(nèi)軸力分布圖可知，樓板大多數(shù)部位軸向應(yīng)力分布較均勻，少數(shù)部位軸向應(yīng)力較大，需要特別加強(qiáng)。樓板絕大多數(shù)部位面內(nèi)軸力為600kN/m，上下表面各需增加計(jì)算配筋值為750㎜2/m（實(shí)配14@150，1026㎜2）。

關(guān)鍵構(gòu)件抗震性能化設(shè)計(jì) 表4

地震水準(zhǔn)多遇地震設(shè)防地震罕遇地震 性能水準(zhǔn)134 關(guān)鍵構(gòu)件底部加強(qiáng)區(qū)（1F~4F）剪力墻、連體轉(zhuǎn)換桁架及其上下個(gè)一層（18F~20F）剪力墻、躍層支撐體系彈性正截面不屈服，斜截面彈性抗剪截面不屈服 與連體轉(zhuǎn)換桁架層及上下各一層（18F~21F）相連的框架柱（往主樓平面內(nèi)延伸1跨）、東側(cè)支撐桁架的17F~18F的躍層柱 連體轉(zhuǎn)換桁架層及上下各一層（18F~21F）的剪力墻 與型鋼混凝土巨撐相連的框架柱及框架梁 連體范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)換桁架及與其相連的往主樓平面內(nèi)延伸1跨的框架梁彈性彈性正截面不屈服，抗剪截面不屈服

4.3 轉(zhuǎn)換桁架

4.3.1整體地震分析

轉(zhuǎn)換桁架作為關(guān)鍵構(gòu)件，其主桁架計(jì)算對(duì)比分析5種工況：小震（彈性膜）、小震（零板）、中震（彈性膜）、中震（零板）、大震（零板）等多種情況下構(gòu)件的受力情況如表9.3所示，中震下連體桁架各構(gòu)件均能夠滿足“中震彈性”、“大震不屈服”的性能目標(biāo)，考慮施工次序及地震下樓板剛度退化的可能性，進(jìn)行取消樓板厚度，進(jìn)行“零板”工況復(fù)核，桁架腹桿內(nèi)力有所減小，弦桿內(nèi)力增大較為顯著，但未進(jìn)入屈服狀態(tài)，強(qiáng)度滿足中震彈性及大震不屈服的性能目標(biāo)[4]。

4.3.2轉(zhuǎn)換桁架復(fù)雜節(jié)點(diǎn)有限元分析

為了保證節(jié)點(diǎn)在地震作用下傳力的可靠性，達(dá)到“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的抗震設(shè)計(jì)原則，同時(shí)考慮與節(jié)點(diǎn)相連的構(gòu)件性能目標(biāo)，采用abaqus軟件對(duì)節(jié)點(diǎn)域大震下彈塑性性能進(jìn)行模擬分析。節(jié)點(diǎn)在轉(zhuǎn)換桁架的位置見(jiàn)圖5中節(jié)點(diǎn)1。

大震下節(jié)點(diǎn)域的Von mises應(yīng)力除下弦桿截面角點(diǎn)處接近屈服外，其余均小于鋼材的屈服強(qiáng)度。節(jié)點(diǎn)區(qū)的鋼板應(yīng)力小于桿件端部鋼板的應(yīng)力。節(jié)點(diǎn)域鋼筋最大應(yīng)力303.4 MPa未達(dá)到屈服。節(jié)點(diǎn)域混凝土受壓進(jìn)入塑性，塑性應(yīng)變-0.000075～-0.00090，塑性程度輕微。節(jié)點(diǎn)域在大震作用下可以達(dá)到大震不屈服的性能目標(biāo)[5]。節(jié)點(diǎn)域的應(yīng)力水平小于連接桿件的應(yīng)力水平，可以滿足強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱桿件的設(shè)計(jì)要求。

圖10-1 節(jié)點(diǎn)三維模型 10-2 混凝土受壓塑性應(yīng)變圖

圖10-3 鋼骨Von mises應(yīng)力圖 圖10-4鋼筋應(yīng)力云圖

4.4 躍層支撐及其相連框架柱

躍層支撐實(shí)際是一個(gè)立面上的“巨型桁架”：以框架柱為弦桿，水平框架梁為腹桿，支撐為斜桿，各桿件均采用鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)；在水平力作用下，躍層支撐在樓轉(zhuǎn)折處桿件內(nèi)力基本是自平衡的，是以桁架的方式工作。作為塔樓結(jié)構(gòu)的第二道防線，其不承擔(dān)塔樓的豎向荷載，這就要求每道斜撐鋼骨在其中一個(gè)樓層距地1.2m高度預(yù)留后連接位置，斜撐待主體完工后再進(jìn)行焊接及澆筑。躍層斜撐在底部彎矩應(yīng)由地下室墻體等構(gòu)件予以平衡或斜撐也可落到地下室。

5 施工模擬

參照已有類似高位連體轉(zhuǎn)換工程項(xiàng)目，本項(xiàng)目擬采用連體轉(zhuǎn)換桁架整體后吊的施工順序。采用ETABS軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了“恒+活”工況下的施工順序加載分析。

加載次序?yàn)椋褐饘邮┕ぷ笥覂伤?，待塔樓施工完成后，開(kāi)始施工19~20層的連體轉(zhuǎn)換桁架，待轉(zhuǎn)換桁架施工完成后，開(kāi)始逐層施工轉(zhuǎn)換桁架以上樓層。

考慮施工順序加載與一次性自重加載相比，轉(zhuǎn)換桁架下弦軸力和彎矩分別增加了83.9%、35.8%；上弦軸力增加了36.6%，跨中彎矩略有降低；軸力增大16.9%。

6 動(dòng)力彈塑性分析結(jié)果

本項(xiàng)目采用SAUSAGE軟件選用2條天然波和1條人工波進(jìn)行動(dòng)力彈塑性分析，在7度0.15g罕遇地震(峰值加速度310cm/s2）下，抗震性能能夠滿足規(guī)范規(guī)定的彈塑性性能要求：

1、結(jié)構(gòu)最大層間位移角，X方向?yàn)?/103（17層），Y 方向?yàn)?/100（19層），滿足“大震不倒”1/100限值的要求。

2、大部分框架梁中部混凝土損傷系數(shù)在0.14以下，端部混凝土損傷系數(shù)在0.2以下，出現(xiàn)輕度損壞至中度損壞；框架梁端部鋼筋出現(xiàn)屈服，型鋼混凝土框架梁中少數(shù)型鋼出現(xiàn)屈服，出現(xiàn)輕微損壞。

3、大部分框架柱受壓損傷系數(shù)在0.2以下，；框架柱中鋼筋的塑性應(yīng)變大部分在0.001以下，絕大多數(shù)為無(wú)損壞~輕度損壞；在結(jié)構(gòu)中部樓層部位少數(shù)部位鋼筋塑性應(yīng)變達(dá)0.006~0.008，中部樓層少數(shù)框架柱出現(xiàn)中度~重度損壞。

4、大部分剪力墻混凝土損傷較小，下部樓層混凝土變墻厚區(qū)域出現(xiàn)較大損傷。第5層裙房屋面頂分塔后，5層屋面成為上部塔樓的嵌固端造成第4層墻體損傷嚴(yán)重，采取了加強(qiáng)措施；大部分連梁端部發(fā)生受壓損傷破壞，在罕遇地震作用下連梁形成了鉸機(jī)制，符合屈服耗能的抗震工程學(xué)概念。連梁均出現(xiàn)了中度~重度損壞，剪力墻墻肢為輕度~中度損壞，少數(shù)區(qū)域出現(xiàn)重度損壞。

5、大震作用下，轉(zhuǎn)換桁架最大應(yīng)力為250MPa左右，尚未屈服，滿足大震不屈服性能目標(biāo)。

6、巨型斜撐混凝土損傷系數(shù)都在0.25以下，鋼筋塑性應(yīng)變較小，不足屈服應(yīng)變的5%，巨型斜撐為輕微損壞~輕度損壞。

7 結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施

針對(duì)結(jié)構(gòu)存在的6項(xiàng)超限情況，除達(dá)到性能化目標(biāo)外，還相應(yīng)采取了構(gòu)造加強(qiáng)措施：

1、針對(duì)連體結(jié)構(gòu)安全性，對(duì)與連體相連的框架柱采用型鋼砼結(jié)構(gòu)，在連體高度范圍及其上、下層（18F~21F）抗震構(gòu)造措施提高至特一級(jí)；箍筋全柱段加密配置，軸壓比限值從嚴(yán)按0.6控制。

2、連體高度范圍及其上、下層（18F~屋面層）的剪力墻抗震構(gòu)造措施提高至特一級(jí)；

3、與連結(jié)體相連的剪力墻在連結(jié)體高度范圍及其上、下層（18F~屋面層）設(shè)置約束邊緣構(gòu)件。

與巨型支撐相連框的架柱抗震構(gòu)造措施提高至特一級(jí)；

4、轉(zhuǎn)換桁架上下樓層厚度提高至180mm，連體屋面板厚提高至150mm；裙房屋面樓板厚度提高至150mm；對(duì)以上樓板均采用雙層雙向配筋，每層每方向的配筋率不小于0.25%；轉(zhuǎn)換桁架樓板中增加鋼支撐，外延塔樓區(qū)域增加構(gòu)造鋼筋帶。

5、從嚴(yán)控制主要抗側(cè)構(gòu)件延性指標(biāo)，底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻軸壓比控制在0.45以內(nèi)，其它部位剪力墻軸壓比控制在0.50以內(nèi)；底部加強(qiáng)區(qū)框架柱軸壓比控制在0.7以內(nèi)，其余部位框架柱控制在0.75以內(nèi)。

8 結(jié)論

本工程設(shè)計(jì)時(shí)針對(duì)結(jié)構(gòu)自身的不規(guī)則情況，設(shè)定抗震性能化設(shè)計(jì)目標(biāo),采用了多種計(jì)算軟件對(duì)模型進(jìn)行了彈性及彈塑性分析，綜上結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠達(dá)到預(yù)定的性能目標(biāo)要求。

[1]高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程:JGJ3—2010[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2011.

[2]超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn):建質(zhì)[2015]67號(hào)[S].北京:中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部,2015.

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賴艷芳（1973.6- ），女，漢，籍貫：福建福州人，職稱：高級(jí)工程師，學(xué)歷：碩士研究生，單位：中元( 廈門(mén)) 工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)。

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