黃明波

(中煤邯鄲設(shè)計工程有限責(zé)任公司，邯鄲 056031)

1 工程概述

河北省邯鄲市東方國際商務(wù)中心總建筑面積為114 458.3m2，為雙塔樓建筑，建筑功能主要為商務(wù)辦公、商業(yè)及餐飲。南北塔樓地上為22層，裙樓為4層，地下室為3層，主樓結(jié)構(gòu)高度為95.80m。在20,21,22層處設(shè)置鋼托架連接體和空腹桁架，連體部分底標(biāo)高為81.6m、頂標(biāo)高為95.20m，屬于高位連體結(jié)構(gòu)，連接體跨度為31.50m，連接體與南北塔樓主體結(jié)構(gòu)采用剛性連接。工程建筑效果、現(xiàn)場照片、建筑剖面圖及結(jié)構(gòu)平面布置圖分別如圖1～3所示。

圖1 建筑效果圖和現(xiàn)場照片

圖2 建筑剖面圖

圖3 結(jié)構(gòu)平面布置圖

該工程抗震設(shè)防基本烈度為7度，設(shè)計地震分組為第二組，設(shè)計基本地震加速度值為0.15g，場地類別為Ⅲ類，特征周期為0.55s，地面粗糙度類別為C類。工程設(shè)計使用年限為50年,安全等級為二級,抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類。

2 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)體系和主要構(gòu)件截面

南北塔樓主體結(jié)構(gòu)為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，框架抗震等級為二級，剪力墻抗震等級為二級，抗震構(gòu)造措施的抗震等級提高一級。典型柱網(wǎng)為9m×9m，框架柱截面尺寸主要為1 250×1 250～950×950，剪力墻厚度主要為200～500mm，剪力墻混凝土強度等級為C60～C45，梁板混凝土強度等級為C45～C30，型鋼均采用Q345B級鋼。塔樓采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓蓋，樓板厚度不小于120mm。連接體采用鋼結(jié)構(gòu)空間托架，與連接體相連的塔樓兩跨范圍內(nèi)的梁柱采用型鋼混凝土梁柱，樓蓋采用壓型鋼板上澆筑混凝土樓板，樓板厚度為150mm。

2.2 連接體

連接體位于19層頂至22層頂，結(jié)構(gòu)形式為鋼托架和空腹桁架，跨度為31.5m，跨中橫向最窄處為14.7m，兩側(cè)支座橫向最寬處為17.4m。為保證21，22層建筑功能的完整性，鋼托架占用第20層空間，高度為4m；21，22層為空腹桁架，每層層高均為4.5m。與連接體相鄰一跨的框架梁、框架柱為型鋼混凝土梁柱，連接體弦桿與其剛性連接，樓板水平方向設(shè)置交叉支撐。連體結(jié)構(gòu)部分的樓板采用150mm厚的鋼筋混凝土樓板(延伸至塔樓一跨)，混凝土強度等級為C30，雙層雙向配筋，加強連接體與南北兩塔樓的變形協(xié)調(diào)。連接體構(gòu)件均采用Q345B級焊接H型鋼，鋼托架上、下弦桿均選用H1 200×700×40×45，交叉斜腹桿采用H500×500×25×36，豎向方柱采用方管□600×600×32，其余弦桿采用H600×350×28×32，橫向水平支撐均采用H400×300×20×20；延伸塔樓一跨設(shè)置型鋼混凝土梁(內(nèi)設(shè)鋼骨H600×260×16×20)和型鋼混凝土柱(內(nèi)設(shè)十字鋼骨雙H800×500×20×20)。連接體立面如圖4所示。

圖4 連接體平面和立面布置

2.3 結(jié)構(gòu)超限情況和采取的相應(yīng)措施

該主體結(jié)構(gòu)主要超限類型為扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、樓板不連續(xù)、多塔和連體結(jié)構(gòu)復(fù)雜連接等，工程屬超限結(jié)構(gòu)。需針對上述情況，從整體結(jié)構(gòu)體系、設(shè)計內(nèi)力調(diào)整、增強重要構(gòu)件的延性等方面采取措施。具體如下：

(1)南北塔樓主體結(jié)構(gòu)均采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，在滿足單塔整體指標(biāo)前提下，通過調(diào)整剪力墻布置，使兩塔樓的剛度接近，避免在地震作用下因振型不一致造成對連接體的不利影響；加強剛性連體整體剛度，協(xié)調(diào)兩塔樓在地震作用下的反應(yīng)。

(2)底部加強區(qū)1～5層剪力墻按抗震等級一級設(shè)置，墻內(nèi)暗柱設(shè)置型鋼；連接體區(qū)域17～22層剪力墻體按抗震等級一級設(shè)計。剪力墻加強部位延伸至裙房頂上一層，墻肢均設(shè)置約束邊緣構(gòu)件，并加強剪力墻配筋。

(3)連接體樓蓋采用壓型鋼板上澆筑混凝土樓板，樓板厚度為150mm，在鋼梁上設(shè)置剪力栓釘以有效傳遞剪力。樓板平面內(nèi)設(shè)置交叉支撐，可進(jìn)一步保證水平力的有效傳遞及平面內(nèi)的側(cè)向剛度，增強雙塔的協(xié)同工作性能，并減少樓板開裂。連接體樓板加厚范圍延伸至主樓內(nèi)各一跨，且此跨樓板平面內(nèi)也設(shè)置型鋼混凝土梁和型鋼混凝土柱，在此范圍內(nèi)上下樓板鋼筋全部拉通，以使連接體部分能更有效地抵抗板內(nèi)可能出現(xiàn)的拉應(yīng)力。

3 主體結(jié)構(gòu)計算分析結(jié)果

根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性，該工程結(jié)構(gòu)的抗震性能化目標(biāo)選為C級，關(guān)鍵構(gòu)件小震滿足水準(zhǔn)1，中震滿足水準(zhǔn)3，大震滿足水準(zhǔn)4[1]。在此主要論述關(guān)鍵構(gòu)件包括連接體、連接節(jié)點、支承連體結(jié)構(gòu)的豎向構(gòu)件、連接體相鄰構(gòu)件、連接體樓面支撐構(gòu)件和樓板的應(yīng)力等。采用SATWE(2011年版)和PMSAP(2011年版)兩種軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體計算分析設(shè)計和結(jié)果分析對比。考慮到工程的重要性及復(fù)雜性，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多遇地震作用、設(shè)防地震作用和罕遇地震作用下計算分析。

3.1 計算模型及主要參數(shù)

本結(jié)構(gòu)計算自振周期折減系數(shù)為0.80，考慮5%偶然偏心及雙向地震作用，振型組合方法為CQC法[1]。阻尼比統(tǒng)一按0.05考慮[2]。樓板假定：計算周期和位移等整體指標(biāo)時采用剛性樓板假定；計算桿件內(nèi)力和截面設(shè)計時采用真實反映樓板平面內(nèi)剛度的假定，即將較大洞口周圍及連體部分的樓板定義為彈性膜[3]。

3.2 反應(yīng)譜分析結(jié)果

采用兩種不同的有限元軟件進(jìn)行地震反應(yīng)譜分析,計算結(jié)果如表1所示。兩種軟件計算的主體結(jié)構(gòu)動力特征接近，兩塔樓前兩階振型均為同向平動，表明塔樓剪力墻設(shè)置合理，抗扭剛度較好。

多遇地震作用下反應(yīng)譜分析計算結(jié)果 表1

在多遇地震作用下，南北單塔、整體結(jié)構(gòu)底層外框架部分承受的地震傾覆力矩與結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的比值均約為25%，且單塔和整體結(jié)構(gòu)各樓層的比值情況相近，見圖5。

圖5 外框架承擔(dān)的傾覆力矩比例

3.3 地震作用下彈性時程分析結(jié)果

本文選取了5條天然波(WAV55-1～WAV55-5分別對應(yīng)NGA3023 HWA036，NGA 718，NGA 744 BVW，NGA 1605，NGA 169)和兩條人工波(WAV55-6～WAV55-7)，采用PMSAP軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性時程分析[1]。地震波持續(xù)時間一般為結(jié)構(gòu)基本周期的5～10倍，多遇地震加速度各分量(主分量方向、次分量方向、豎向分量方向)的取值為55，46.75，35.75cm/s2，各方向分量取值比為1∶0.85∶0.65。計算得到的樓層剪力如圖6所示。由圖6可知，每條地震波作用下計算所得結(jié)構(gòu)基底剪力與CQC法計算結(jié)果比值處于68%～113%之間，7條地震波計算所得結(jié)構(gòu)基底剪力的平均值與CQC法計算結(jié)果較為接近，且不小于CQC法計算結(jié)果的80%。時程分析計算得到的X，Y兩個方向的最大層間位移角平均值分別為1/1 184，1/820。

圖6 樓層剪力分布圖

3.4 罕遇地震作用下彈塑性分析結(jié)果

采用PUSH&EPDA軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了罕遇地震下的彈塑性Pushover分析[3-4]，X向推覆性能點的最大層間位移角為1/137，Y向推覆性能點的最大層間位移角為1/129，均小于規(guī)范限值1/100[1]，滿足規(guī)范要求。多遇地震作用、設(shè)防地震作用和罕遇地震作用下性能點基底剪力、位移響應(yīng)等對比見表2，可見三個地震水準(zhǔn)作用下，結(jié)構(gòu)響應(yīng)較為合理[5-6]。

三個地震水準(zhǔn)作用下分析計算結(jié)果 表2

3.5 溫度荷載作用計算

由于結(jié)構(gòu)超長且未設(shè)置伸縮縫，溫度對結(jié)構(gòu)的內(nèi)力影響不可忽視，考慮到結(jié)構(gòu)的實際情況，工程設(shè)計中溫度及荷載取值為[7]：升溫30℃，降溫30℃，荷載分項系數(shù)為1.2，組合系數(shù)為0.8，考慮徐變應(yīng)力松弛系數(shù)為0.3，梁柱混凝土構(gòu)件截面彈性剛度折減系數(shù)為0.85。鋼結(jié)構(gòu)不折減，樓板全部定義為彈性膜，采用PMSAP軟件進(jìn)行溫度應(yīng)力計算。梁配筋計算時，考慮溫度荷載的不利組合，計算結(jié)果表明梁縱筋配筋量較未考慮溫度荷載組合時有所增加，設(shè)計時按包絡(luò)結(jié)果配筋。

4 連接體計算分析

南北塔樓平面為缺角四邊形，且中心部位的剪力墻布置不相同，因此調(diào)整兩塔樓豎向構(gòu)件尤其是剪力墻的布置，確保兩塔樓地震響應(yīng)保持基本一致，將對連接體受力產(chǎn)生關(guān)鍵的影響。而連接體的設(shè)置反過來也帶來了扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯、連接部位受力復(fù)雜等問題[8]。

4.1 連接體對塔樓動力特征的影響

整體模型、南北單塔模型的動力特征如表3所示。整體模型前3階周期均小于單塔模型的前3階周期，表明連接體增加了結(jié)構(gòu)的整體剛度。單塔第1階振型為Y向平動，而整體模型由于連接體作用變?yōu)閄向平動。表明連接體可有效協(xié)調(diào)雙塔共同工作，使整體抗側(cè)剛度增大，在設(shè)計中需注重對連接體樓層面內(nèi)剛度的加強。

不同塔樓模型的動力特征對比 表3

4.2 連接體對塔樓側(cè)向變形和相連框架柱的影響

整體模型、單塔模型的最大層間位移角如表4所示。多遇地震作用下，單塔模型最大層間位移角計算結(jié)果比整體模型中對應(yīng)塔樓的大，所在樓層位置整體模型比單塔模型高，可見連接體能協(xié)調(diào)雙塔共同抵抗側(cè)向地震作用。

不同塔樓模型的最大層間位移角對比 表4

與連接體相連框架柱(選取位置A，B柱見圖3)軸壓比和柱頂位移情況見圖7，柱頂位移分別為X向地震和Y向地震作用下對應(yīng)的位移。其中軸壓比在18層以上因設(shè)置型鋼而突然減小，但設(shè)置型鋼對柱頂位移影響不大。

圖7 與連體相連框架柱軸壓比和位移情況

4.3 連接體對塔樓樓層抗剪承載力的影響

南北塔樓的樓層抗剪承載力沿高度方向變化均勻，無明顯突變。增設(shè)連接體后，由于連接體剛度較大，連接體所在樓層的抗剪承載力顯著提高，因而在連接體上下的過渡層抗剪承載力產(chǎn)生突變，連接體下層與連接體首層的抗剪承載力比值為0.73。設(shè)計時放大連接體下部三層的地震剪力，并通過在連接體下部的三層的豎向構(gòu)件中設(shè)置型鋼柱、加大剪力墻配筋量等措施調(diào)整加強。

5 連接體構(gòu)件內(nèi)力分析

5.1 連接體構(gòu)件承載力驗算

連接體需滿足中震彈性的性能目標(biāo)[9]，按7度(0.15g)進(jìn)行設(shè)防地震作用計算，多遇地震水平地震影響系數(shù)最大值取0.12，設(shè)防地震水平地震影響系數(shù)最大值取0.34[1]，并考慮豎向地震作用，阻尼比取0.025[2]，周期不折減，考慮多種組合作用，承載力計算起控制作用的工況組合為：1.2×(1.0恒載+0.5活載)+1.3×1.0水平地震+0.5×1.0豎向地震。

選取20層處鋼托架下層關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行分析，位置見圖8，構(gòu)件應(yīng)力比情況見表5。計算結(jié)果表明，鋼托架在考慮多遇地震組合作用下各桿件應(yīng)力比普遍較小，一般不超過0.6，桿件承載力有較大富余，最大內(nèi)力位于鋼托架端部弦桿；考慮設(shè)防地震作用組合下，各桿件應(yīng)力比一般不超過0.80，應(yīng)力比最大值為0.83，產(chǎn)生于鋼托架下弦與主樓連接處，但鋼托架整體仍處于彈性狀態(tài)。

圖8 鋼托架下層桿件位置示意

5.2 連接體施工過程驗算

鋼托架長度約31.5m，需分段運輸進(jìn)行現(xiàn)場拼接。設(shè)計施工順序為：1)將19，20層鋼托架在地面進(jìn)行拼裝并連接橫向支撐形成空間整體；2)將拼裝完成的鋼托架整體吊裝至安裝位置并與主樓節(jié)點進(jìn)行連接，合攏溫度暫定邯鄲市年平均氣溫18℃；3)逐層施工21，22層的空腹桁架及橫向支撐；4)鋪裝19～22層頂?shù)臉前搴臀菝姘濉?/p>

連體部位桿件承載力驗算下應(yīng)力比 表5

考慮到施工過程中存在由20層鋼托架承受施工堆載的可能性，故需要對其進(jìn)行施工堆載驗算?，F(xiàn)將21，22層的所有鋼構(gòu)件及樓板材料自重等荷載施加于20層頂。鋼構(gòu)件應(yīng)力情況如表6所示(選取驗算位置同圖8)。由表6可知：在考慮施工堆載工況下，構(gòu)件最大應(yīng)力比為0.43，絕大多數(shù)構(gòu)件應(yīng)力比均在0.25以下，施工堆載工況下結(jié)構(gòu)安全可靠。

鋼托架施工過程中桿件承載力驗算下應(yīng)力比 表6

5.3 連接體樓板應(yīng)力分析

多遇地震作用下鋼托架所在樓層20層頂樓板應(yīng)力分布如圖9，10所示，可見最大拉應(yīng)力均不超過混凝土抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值(C30，ftk=2.01MPa)。

圖9 X向地震作用下樓板正應(yīng)力Sx等值線/kPa

圖10 Y向地震作用下樓板正應(yīng)力Sy等值線/kPa

5.4 連接體構(gòu)件節(jié)點驗算

通過連體結(jié)構(gòu)整體計算，可得到節(jié)點區(qū)桿件的最大組合內(nèi)力，進(jìn)而得到實體節(jié)點中桿件端部的內(nèi)力，按照此內(nèi)力采用MIDAS Gen軟件進(jìn)行彈塑性有限元計算，單元類型選取四邊形厚板單元(DKMQ)，并以三角形厚板單元(DKMT)進(jìn)行輔助,有限元模型中不考慮焊縫的影響。

以內(nèi)力最大的節(jié)點1為例(位置見圖8)，其網(wǎng)格劃分及控制工況下von Mises 應(yīng)力云圖如圖11，12所示。分析結(jié)果表明，7度設(shè)防地震作用下(水平地震影響系數(shù)最大值αmax=0.34)，節(jié)點域最大的von Mises應(yīng)力圖中大部分范圍為0～265MPa；挖空區(qū)域表示有效應(yīng)力大于265MPa，但小于鋼材的屈服強度最小值325MPa。產(chǎn)生此取值范圍的原因為翼緣板邊施加荷載的部位由于點荷載失真而產(chǎn)生應(yīng)力集中。腹板部位出現(xiàn)應(yīng)力集中，但其高應(yīng)力區(qū)域范圍很小且并未明顯大于許用應(yīng)力。由于混凝土的參與作用，混凝土柱內(nèi)的鋼骨板件隨著鋼構(gòu)件向柱中心的深入，鋼構(gòu)件內(nèi)應(yīng)力迅速擴散，至柱形心附近處，鋼構(gòu)件的有效應(yīng)力降至較低的水平(約50MPa)。此處翼緣板設(shè)計時采取單獨加厚并在應(yīng)力集中處增設(shè)加勁板的措施。整體來看,節(jié)點域大部分區(qū)域的應(yīng)力為20～265MPa，小于鋼材的鋼材強度設(shè)計值265MPa[10]；從位移角度分析，節(jié)點域連接板的最大位移僅為1～3mm。可以認(rèn)為，局部加強處理后，鋼托架節(jié)點有足夠的安全儲備，完全可以滿足7度設(shè)防地震作用下構(gòu)件承載力中震彈性要求。

圖11 節(jié)點1網(wǎng)格劃分

圖12 節(jié)點1應(yīng)力云圖/MPa

6 結(jié)論

(1)本工程兩側(cè)塔樓建筑平面布置差別較大，為減少雙塔間不協(xié)調(diào)的扭轉(zhuǎn)對連接體造成的不利影響，調(diào)整兩側(cè)塔樓結(jié)構(gòu)布置使其振動特性相近，并適當(dāng)增加塔樓的抗側(cè)剛度。

(2)本工程采用連接體與塔樓剛性連接形式，設(shè)計時充分考慮其受力與構(gòu)造特點，增加連接體剛度，使其與兩側(cè)塔樓連為整體，協(xié)調(diào)兩側(cè)塔樓在外力作用下共同工作。

(3)對于復(fù)雜連體超限結(jié)構(gòu)，應(yīng)采取多種有限元軟件進(jìn)行多遇地震作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析，并采用彈性時程分析作補充，本工程以上分析對比結(jié)果較為接近。對結(jié)構(gòu)還進(jìn)行設(shè)防地震、罕遇地震作用下反應(yīng)譜分析及靜力推覆分析，研究三個地震水準(zhǔn)作用下結(jié)構(gòu)抗震性能，考察重要部位抗震性能并加強。

(4)兩側(cè)塔樓與連接體的連接形式是連體結(jié)構(gòu)設(shè)計中的關(guān)鍵問題，應(yīng)對連接體、連接節(jié)點、支承連接體的豎向構(gòu)件、連接體相鄰構(gòu)件、連接體樓面支撐構(gòu)件和樓板應(yīng)力等進(jìn)行必要的分析。本文還對連接節(jié)點進(jìn)行關(guān)鍵節(jié)點精細(xì)化有限元實體建模，重點考察其受力和變形特點，并采取必要構(gòu)造措施確保其受力合理。

綜上所述，本工程主體結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，能達(dá)到設(shè)定的抗震性能目標(biāo)。該工程于2013年12月順利通過了河北省超限專家審查，2020年竣工驗收投入使用。

致謝：參與本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計和研究分析的工程師還有王克峰、王彬等，特此表示感謝！