周 冰, 馬敬友, 秦 樂, 張 晧, 梁振峰, 張 萌, 鞏向飛, 張 輝

(北京市建筑設(shè)計研究院有限公司，北京 100045)

1 工程概況

浪潮青島大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)園項目位于青島市市北區(qū),塔樓角部最高點建筑標(biāo)高為44.5m,平面輪廓呈200m×92m矩形,是以辦公為主,展覽、配套商業(yè)等為輔的大型公共建筑,地上、地下建筑面積分別為7.9萬、4.43萬m2,建成后實景效果如圖1所示。

圖1 建筑實景圖

本工程地上8層,首層層高5.5m,其余標(biāo)準(zhǔn)層層高4.2m,結(jié)構(gòu)屋面層從18.1m標(biāo)高(4層頂)至44.5m標(biāo)高基于“莫比烏斯環(huán)”形成整體坡屋面,并設(shè)置從室外地面至屋面的人行步道,呈現(xiàn)“互聯(lián)互通”的建筑效果。該項目塔樓體型較大,南北被切分為兩個建筑庭院,中部由16.8m跨連橋連為整體,根據(jù)建筑需求結(jié)構(gòu)不設(shè)永久縫;西南角、東北角建筑立面造型存在大切角(圖2),切角從室外地面延伸至3層頂導(dǎo)致13根邊框柱被切面截斷;首層南側(cè)入口大堂拔4根框架柱,實現(xiàn)大空間的功能需求。

圖2 切角部位人視效果圖

2 結(jié)構(gòu)體系及設(shè)計重點

2.1 結(jié)構(gòu)體系選型

本工程抗震設(shè)防類別為丙類,抗震設(shè)防烈度為7度,地震分組為第二組,場地類別為Ⅱ類。方案階段對可選取的鋼框架-混凝土剪力墻、混凝土框架-剪力墻、鋼框架-支撐方案進(jìn)行綜合比選(表1)。經(jīng)比較,鋼框架-混凝土剪力墻方案具有抗側(cè)剛度大、構(gòu)件截面小、施工速度較快、抗震性能強(qiáng)、裝配率較高、空間及景觀可視性好、經(jīng)濟(jì)性適中等優(yōu)點;并且相比純鋼結(jié)構(gòu),該體系能夠有效避免轉(zhuǎn)換層剛度及受剪承載力突變。

表1 結(jié)構(gòu)體系選型對比

同時,由于入口切角及大堂拔柱位于結(jié)構(gòu)下部樓層,需設(shè)置轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)滿足框柱豎向不連續(xù)的建筑需求。結(jié)構(gòu)最終采用如圖3所示帶轉(zhuǎn)換桁架的鋼框架-混凝土剪力墻體系,該體系主要由以下三部分組成:1)9組混凝土剪力墻樓電梯筒,承擔(dān)主要的水平荷載;2)圓鋼管柱+鋼梁框架體系,樓面采用鋼筋桁架混凝土板,主要承受豎向荷載;3)鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換桁架[1]及連橋部位邊桁架,實現(xiàn)建筑切角、拔柱及庭院間剛性連接的需求。

圖3 結(jié)構(gòu)體系示意圖

2.2 轉(zhuǎn)換桁架布置

本工程西南角切口長、短向邊長分別為58.2、17.9m,東北角切口長、短向邊長分別約為33.0、17.9m,切角斷柱導(dǎo)致不同樓層對應(yīng)位置存在9.5、12.6、17.9m單側(cè)懸挑轉(zhuǎn)換,同時大堂拔柱對應(yīng)上部存在16.8m大跨轉(zhuǎn)換。為避免逐層分散布置轉(zhuǎn)換桁架對建筑使用產(chǎn)生過多影響,設(shè)計中將整層通高轉(zhuǎn)換桁架集中布置于地上4層,通過上托下掛的形式解決框柱不連續(xù)問題,轉(zhuǎn)換層關(guān)鍵部位結(jié)構(gòu)布置如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)換層關(guān)鍵部位結(jié)構(gòu)布置示意

由于切口角部雙向斷柱,如設(shè)置雙向轉(zhuǎn)換桁架將對室內(nèi)使用空間影響巨大,經(jīng)與建筑師溝通協(xié)商,本項目轉(zhuǎn)換層主受力桁架均沿X向單向布置;在切口短向位置結(jié)合建筑斜切面外輪廓設(shè)置通高斜撐,斜撐與4層17.9m跨懸挑轉(zhuǎn)換桁架形成整體,共同解決切角短向懸挑受力過大問題。為增加桁架面外穩(wěn)定,協(xié)同各榀桁架間受力,保證結(jié)構(gòu)具有多重傳力路徑,在懸挑桁架端部設(shè)置封邊桁架。西南切角及大堂拔柱轉(zhuǎn)換示意如圖5所示。

圖5 西南角轉(zhuǎn)換桁架示意

2.3 連橋布置

南北庭院在中部位置設(shè)有33.5m寬(占主體有效寬度的50%)連橋(圖3、4),在結(jié)構(gòu)2層頂、3層頂及坡屋面標(biāo)高與兩側(cè)庭院整體連接互通。設(shè)計時綜合考慮連橋平面寬度大、跨度相對較小的特點,以及建筑要求不設(shè)結(jié)構(gòu)縫的效果需求,將連橋與南北庭院整體剛性連接。

連橋兩側(cè)設(shè)置通高邊桁架,桁架斜腹桿結(jié)合建筑需求順屋面傾斜方向布置;連橋上、中、下3層樓面鋼梁沿16.8m短向布置,與連橋范圍混凝土樓板、板下水平鋼支撐形成平面內(nèi)水平桁架體系,該3層水平桁架與兩側(cè)邊桁架共同構(gòu)成了一個空間桁架體系,有效地增加了連橋抗側(cè)剛度和抗扭剛度。連橋布置示意如圖6所示。

圖6 連橋布置示意

2.4 整體坡屋面設(shè)計策略

為減小整體坡屋面錯層收進(jìn)對結(jié)構(gòu)層間受力的不利影響,避免屋面與下部標(biāo)準(zhǔn)樓層連接時出現(xiàn)凈高過低的無效建筑空間,設(shè)計時與建筑協(xié)商一致,將坡屋面與下部各層樓板均斷開設(shè)置(圖7)。計算中將整個屋面指定為一個樓層進(jìn)行內(nèi)力、變形分析及指標(biāo)統(tǒng)計,坡屋面樓層位移及位移角根據(jù)圖8所示角點變形手工統(tǒng)計;同時考慮到南北庭院樓層數(shù)相差較多,扭轉(zhuǎn)位移比按南北兩個庭院分塊統(tǒng)計。

圖7 坡屋面與下部樓層關(guān)系及塔樓分塊示意

圖8 坡屋面層結(jié)構(gòu)透視圖

3 抗震設(shè)計思路及措施

本工程平面存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、偏心布置、細(xì)腰形、樓板不連續(xù)、尺寸突變、轉(zhuǎn)換層、錯層、連體共計7項結(jié)構(gòu)不規(guī)則,設(shè)計中從以下幾方面采取有針對性的加強(qiáng)措施以保證結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全、合理。

3.1 通用措施

采取如下通用加強(qiáng)措施:1)混凝土剪力墻根據(jù)質(zhì)量分布分散布置于庭院角部,提高結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)及扭轉(zhuǎn)剛度。2)對關(guān)鍵構(gòu)件采取性能化抗震設(shè)計[2-3],提高其安全儲備。3)提高二道防線鋼框架的抗側(cè)能力,框架剪力按0.25V0和1.8Vf,max(V0、Vf,max分別為各分段底層地震總剪力標(biāo)準(zhǔn)值、分段各層框架承擔(dān)總剪力標(biāo)準(zhǔn)值中的最大值)的較小值進(jìn)行調(diào)整[4]。3)薄弱連接、轉(zhuǎn)換桁架范圍樓板,坡屋面及層間人行步道斜板采用“彈性膜”單元,真實考慮其面內(nèi)剛度及變形。4)進(jìn)行施工模擬分析,真實考慮樓層及構(gòu)件施工先后順序?qū)Y(jié)構(gòu)變形及內(nèi)力的影響。5)采用多個不同力學(xué)模型的結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行整體計算,確保其結(jié)果合理、有效。6)進(jìn)行多遇地震下彈性時程分析,罕遇地震下動力彈塑性時程分析,考察結(jié)構(gòu)構(gòu)件大震下塑性發(fā)展及損傷情況。

3.2 剪力墻加強(qiáng)措施

混凝土剪力墻樓電梯筒是整個結(jié)構(gòu)最重要的第一道抗震防線,其承載及變形能力關(guān)系到整個結(jié)構(gòu)的安危,為提高其抗震延性,采取以下措施:1)剪力墻底部加強(qiáng)區(qū)范圍延伸到轉(zhuǎn)換層以上兩層,并全樓設(shè)置約束邊緣構(gòu)件。2)底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻抗震構(gòu)造等級提高為特一級,筒體角部設(shè)置型鋼;中震雙向水平地震作用下,墻肢全截面名義拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk時增設(shè)型鋼承擔(dān)全部拉力,并控制墻肢平均名義拉應(yīng)力<2ftk[5]。3)連梁跨高比小于2.5時,布置交叉斜筋或?qū)切苯钜蕴岣咂淇辜舫休d力。

3.3 轉(zhuǎn)換層及角部斜撐加強(qiáng)措施

轉(zhuǎn)換層及角部斜撐采取如下加強(qiáng)措施:1)懸挑桁架向內(nèi)延伸一跨,轉(zhuǎn)換桁架、斜撐、連橋邊桁架、與桁架相連框柱、吊柱抗震等級提高一級。2)轉(zhuǎn)換層頂、底板厚提高至150mm,并按小震混凝土不裂、中震樓板鋼筋受拉保持彈性設(shè)計。3)轉(zhuǎn)換桁架及相鄰過渡部位板下設(shè)置水平交叉鋼支撐,并驗算樓板退出工作后桁架上下弦桿承載力。4)對轉(zhuǎn)換、大懸挑范圍進(jìn)行豎向地震、舒適度、復(fù)雜節(jié)點、防連續(xù)倒塌專項分析研究[6-7]。5)將角部斜撐延伸入地下鋼筋混凝土剪力墻中,通過屈曲分析確保斜撐及框支穿層柱的穩(wěn)定性。

3.4 連體加強(qiáng)措施

連體部位采取如下加強(qiáng)措施:1)優(yōu)化剪力墻布置,使兩側(cè)庭院單體(無連橋)平動周期盡量接近;考慮連橋退出工作后,對兩側(cè)庭院單體進(jìn)行抗震承載力包絡(luò)設(shè)計。2)連橋邊桁架弦桿向主體內(nèi)延伸一跨,桁架及相連框柱抗震等級提高一級。3)連橋及相鄰一跨范圍板厚提高至150mm,并按小震混凝土不裂、中震樓板鋼筋受拉保持彈性設(shè)計。4)待兩側(cè)庭院主體施工完畢后進(jìn)行連橋范圍結(jié)構(gòu)合攏,減小混凝土收縮及溫度作用影響。

3.5 斜屋面加強(qiáng)措施

斜屋面采取如下加強(qiáng)措施:1)屋面板厚加強(qiáng)至130mm(剪力墻筒體內(nèi)部板厚150mm),雙層雙向配筋,并按小震混凝土不裂、中震樓板鋼筋受拉保持彈性設(shè)計。2)根據(jù)溫度工況下樓板應(yīng)力分析結(jié)果加強(qiáng)配筋。3)鋼梁上翼緣平行斜板布置,適當(dāng)加密鋼梁栓釘排布,保證內(nèi)力的有效傳遞。

3.6 抗震性能目標(biāo)

綜合考慮結(jié)構(gòu)超限情況和經(jīng)濟(jì)性,本工程性能目標(biāo)接近C級,結(jié)構(gòu)及構(gòu)件抗震性能目標(biāo)見表2。

表2 結(jié)構(gòu)及構(gòu)件抗震性能目標(biāo)

4 主要計算結(jié)果

4.1 整體彈性分析

本工程采用PKPM-Spas、BIAD-Paco、MIDAS Gen進(jìn)行進(jìn)小震彈性分析,主要計算結(jié)果對比見表3,各軟件計算結(jié)果基本一致,均滿足規(guī)范要求。同時采用PKPM-Spas對結(jié)構(gòu)進(jìn)行中大震反應(yīng)譜等效彈性設(shè)計,確保關(guān)鍵構(gòu)件滿足預(yù)設(shè)性能目標(biāo)。

表3 小震彈性計算結(jié)果對比

樓層分塊扭轉(zhuǎn)位移比及無連橋作用下單體平動周期結(jié)果見表4,屋面以下樓層分塊扭轉(zhuǎn)位移比大于1.2且不超過1.4(屋面層扭轉(zhuǎn)位移比結(jié)果僅為示意),兩側(cè)庭院單體平動周期差距小于10%,剛度分布較為合理。

表4 分塊扭轉(zhuǎn)位移比及單體平動周期

4.2 大震彈塑性分析

采用SAUSAGE進(jìn)行罕遇地震下結(jié)構(gòu)彈塑性動力時程分析。計算結(jié)果顯示,結(jié)構(gòu)X向、Y向最大層間位移角分別為1/141、1/131,無明顯的薄弱樓層;大部分鋼筋混凝土連梁進(jìn)入塑性狀態(tài),形成了鉸機(jī)制,有效地耗散了地震能量,墻肢基本處于無損壞到輕度損壞之間,僅3.4%超輕度損壞(圖9);連橋、角部斜撐、轉(zhuǎn)換桁架及相連框柱、吊柱均無損壞,普通鋼框架僅個別構(gòu)件進(jìn)入輕微破壞;連橋、桁架范圍樓板及屋面斜板處于無損壞或輕微損壞,僅局部進(jìn)入輕度損壞。結(jié)構(gòu)體系滿足“大震不倒”的設(shè)計要求,且有一定的安全儲備。

圖9 墻肢包絡(luò)性能水平評價

4.3 豎向地震分析

本工程懸挑及大跨轉(zhuǎn)換桁架部位對豎向地震作用較為敏感,分別采用反應(yīng)譜法、彈性時程法對其豎向地震下構(gòu)件內(nèi)力進(jìn)行對比[8]。計算結(jié)果顯示,除16.8m大跨轉(zhuǎn)換桁架斜腹桿外,兩種方法計算結(jié)果較為接近,反應(yīng)譜承載力設(shè)計時按表5中放大系數(shù)調(diào)整相應(yīng)桿件豎向地震下的內(nèi)力。

表5 豎向地震下桿件最大軸力對比

4.4 舒適度分析

模態(tài)分析顯示,西南切角桁架上部4.2m懸挑部位豎向剛度最小,其豎向自振頻率為2.61 Hz。當(dāng)在懸挑端部施加如圖10所示多人同時連續(xù)行走激勵時[9],樓板峰值加速度為3.63cm/s2,小于規(guī)范限值5.0cm/s2,舒適度滿足要求。

圖10 人行荷載布置圖

4.5 防倒塌分析

轉(zhuǎn)換桁架的破壞容易引起大面積倒塌的連鎖反應(yīng),按《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)[2]、《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 99—2015)[10]推薦的拆除構(gòu)件法,分別拆除西南切角如圖11所示懸挑轉(zhuǎn)換桁架斜腹桿(抽桿位置1)、大堂轉(zhuǎn)換桁架斜腹桿(抽桿位置2)、角部斜撐(抽桿位置3),對應(yīng)桁架剩余構(gòu)件最大應(yīng)力比分別為0.67、0.58、0.82,滿足防連續(xù)倒塌的性能要求。

圖11 西南切角桁架拆除及節(jié)點分析部位示意

4.6 復(fù)雜節(jié)點分析

采用ANSYS對圖11中懸挑桁架端節(jié)點1、大堂拔柱轉(zhuǎn)換桁架節(jié)點2、角部斜撐與4層桁架連接節(jié)點3進(jìn)行罕遇地震控制工況作用下實體有限元分析。計算結(jié)果如圖12所示,可以看出罕遇地震控制工況作用下節(jié)點大部分范圍等效應(yīng)力較小,處于彈性狀態(tài);僅局部板件相交邊界處略微進(jìn)入塑性,且成點狀,節(jié)點均滿足大震不屈服的性能要求。

圖12 節(jié)點分析應(yīng)力云圖/(N/mm2)

4.7 屈曲穩(wěn)定性分析

與轉(zhuǎn)換桁架相連框支穿層柱、角部斜撐等躍層構(gòu)件的穩(wěn)定性對整體結(jié)構(gòu)的安全至關(guān)重要,設(shè)計中采用SAP2000對其進(jìn)行彈性屈曲分析。分析結(jié)果顯示,西南切角框支穿層柱、西南切角通高斜撐、東北切角框支穿層柱、東北切角通高斜撐屈曲模態(tài)臨界荷載系數(shù)分別為23.6、27.9、35.9、24.2(圖13),均具有較大的安全度,設(shè)計中根據(jù)歐拉公式驗算躍層構(gòu)件計算長度系數(shù)取值。

圖13 構(gòu)件屈曲模態(tài)

5 結(jié)語

浪潮青島大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)園項目結(jié)構(gòu)復(fù)雜,造型獨特,結(jié)構(gòu)設(shè)計與建筑緊密結(jié)合,通過9組混凝土剪力墻樓電梯筒承擔(dān)主要的水平荷載,集中設(shè)置于4層的轉(zhuǎn)換桁架采用上托下掛的形式實現(xiàn)建筑立面大切角、首層大堂拔柱的功能與效果需求。設(shè)計中將斜屋面與下部各層樓板斷開設(shè)置,有效減小了整體坡屋面錯層收進(jìn)對結(jié)構(gòu)層間受力的不利影響;并在細(xì)腰連橋部位設(shè)置空間桁架體系,有效地增加了鋼連橋抗側(cè)剛度和抗扭剛度。最終通過多程序、多模型計算分析,抗震性能化設(shè)計以及特殊部位的專項研究等,對關(guān)鍵部位及結(jié)構(gòu)不規(guī)則項提出了詳細(xì)的技術(shù)措施,保證了結(jié)構(gòu)的安全性、合理性及可實施性。