魏 忠， 馮中偉， 鄧世斌， 雷 云

(中國建筑西南設(shè)計(jì)研究院有限公司， 成都 610042)

0 引言

框架-核心筒結(jié)構(gòu)通過外圍框架和內(nèi)部筒體的協(xié)調(diào)受力，具有良好的抗震性能，廣泛應(yīng)用于超高層建筑中。多數(shù)情況下，核心筒外周剪力墻與框架柱軸線不能對(duì)齊，一般設(shè)置斜向框架梁連接邊柱與核心筒角部剪力墻[1-3]。當(dāng)建筑功能不允許設(shè)置斜向框架梁時(shí)，常規(guī)的處理方式是增設(shè)內(nèi)柱[4-5]，或采用半框架梁間接傳力到核心筒上[6-7]。增設(shè)內(nèi)柱將大大減小核心筒角部墻肢分擔(dān)的豎向荷載，導(dǎo)致墻肢出現(xiàn)拉應(yīng)力的程度更大，影響核心筒的抗剪和抗傾覆能力，對(duì)結(jié)構(gòu)不利。半框架梁傳力路徑較長，梁截面不易控制，且梁與核心筒外周墻肢面外剛接，剪力墻將受到較大的面外彎矩。采用了Y形框架梁連接核心筒角部剪力墻與兩根外框柱的樓蓋梁布置方式，可以更好地滿足建筑功能要求和結(jié)構(gòu)受力需要。

1 工程概況

某工程位于四川省成都市，地上由2棟超高層塔樓和7層的商業(yè)裙房組成，地下4層，局部地下3層，1號(hào)樓、2號(hào)樓和商業(yè)裙房共用一個(gè)地下室，建筑效果圖如圖1所示?！?.000m以上用防震縫將1號(hào)樓、2號(hào)樓和裙樓分開，使各棟塔樓單體都形成平面和豎向均較規(guī)則的結(jié)構(gòu)單元。其中1號(hào)樓高度179.65m，地上50層，平面呈長方形，長邊長48.2m，短邊長32.6m；核心筒尺寸X向?yàn)?1.9m，Y向?yàn)?5.15m。結(jié)構(gòu)體系采用鋼筋混凝土柱(中下部設(shè)置型鋼)-鋼筋混凝土梁-鋼筋混凝土核心筒組成的框架-核心筒結(jié)構(gòu)。典型的建筑和結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層平面布置圖如圖2，3所示。

圖1 建筑效果圖

該工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期及設(shè)計(jì)使用年限均為50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)。建筑抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.10g，地震分組第三組，場地類別屬Ⅱ類建筑場地，特征周期0.45s?；撅L(fēng)壓0.30kN/m2，地面粗糙度為B類。

塔樓基礎(chǔ)采用筏板基礎(chǔ)，以中風(fēng)化泥巖為基礎(chǔ)持力層。

圖2 建筑標(biāo)準(zhǔn)層平面布置圖

圖3 結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層平面布置圖

2 角部樓蓋梁布置方式分析

本工程靠近角柱的八個(gè)邊柱與核心筒外周剪力墻未對(duì)齊，若直接在邊柱和核心筒角部之間設(shè)框架梁，如圖4(a)所示，則角部的室內(nèi)將出現(xiàn)斜梁，建筑功能不允許如此布置。解決方案之一是增設(shè)內(nèi)柱，如圖4(b)所示。通過分析發(fā)現(xiàn)，內(nèi)柱承擔(dān)了角部的大部分豎向荷載，導(dǎo)致核心筒角部剪力墻的壓重大大減小，抗剪能力降低，如表1所示為有無內(nèi)柱時(shí)核心筒角部剪力墻的重力荷載代表值，可見減小幅度至少12%。增設(shè)內(nèi)柱還影響建筑使用面積，尤其不利于底部商業(yè)區(qū)域的使用。解決方案之二是采用半框架梁與核心筒外周剪力墻連接，如圖4(c)所示，此方案傳力途徑較長且不直接，剪力墻會(huì)受到較大的面外彎矩，且半框架梁截面尺寸太大，影響建筑使用，結(jié)構(gòu)整體剛度也有所減小。

有無內(nèi)柱時(shí)核心筒角部剪力墻的重力荷載代表值 表1

經(jīng)以上分析，本工程決定采用Y形框架梁布置方式，如圖4(d)所示，該方案能夠滿足室內(nèi)不露斜梁的建筑功能要求，也能直接將角部房間的豎向荷載傳遞至核心筒，有利于核心筒抗剪能力的發(fā)揮。

3 Y形框架梁布置方式優(yōu)化

通過分析發(fā)現(xiàn)，圖4(d)的Y形框架梁與內(nèi)筒相連的斜梁在豎向荷載和地震作用下，由于兩根直段梁端的不平衡彎矩使得其承受扭矩，此扭矩極大地影響Y形框架梁的抗震性能，為此采取以下兩種布置方式減小扭矩影響：其一是通過增設(shè)次梁及調(diào)整各次梁的相對(duì)截面的方式調(diào)整豎向荷載的傳遞路徑，使得兩直段梁對(duì)斜寬梁產(chǎn)生的扭矩最小；其二是增加兩直段梁的延伸段，止于另一根框架梁，這樣Y形框架梁交點(diǎn)和延伸段端點(diǎn)形成的兩支點(diǎn)將提供一個(gè)反向力偶，可大大減小斜寬梁的扭矩,如圖5所示。

圖4 角部樓蓋梁布置方式

圖5 增設(shè)次梁+兩肢直段梁貫通

圖6 豎向荷載下的梁扭矩/(kN·m)

計(jì)算結(jié)果表明，在豎向荷載作用下，Y形框架梁各肢扭矩均較小，最大僅為25.7kN·m，如圖6所示。采取優(yōu)化布置前后Y形框架梁各肢支座處恒載+活載下的剪力和扭矩標(biāo)準(zhǔn)值如表2所示，斜梁段的扭矩降低幅度達(dá)80%，說明樓蓋梁布置合理，有效減小了扭矩。

對(duì)比計(jì)算的結(jié)果表明，采用圖4(d)Y形框架梁和圖4(a)斜向框架梁兩種布置方式的周期、位移、基底剪力、剪重比、剛度比等指標(biāo)均非常接近，初步判斷Y形框架梁方案可行。

優(yōu)化布置前后Y形框架梁各肢支座處的剪力和扭矩表2

4 Y形框架梁性能水準(zhǔn)及結(jié)構(gòu)整體分析結(jié)果

7度設(shè)防時(shí)鋼筋混凝土框架-鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)高度限值為130m，本工程總高179.650m，超出較多，接近《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)[8](簡稱《高規(guī)》)B級(jí)高度限值180m，屬于超限高層建筑工程。其他關(guān)于超限高層判別的指標(biāo)如平面規(guī)則性、剛度比等均不超限。

綜合考慮抗震設(shè)防類別、設(shè)防烈度、場地條件、建造費(fèi)用、震后損失等因素，本工程的性能目標(biāo)定為D。Y形框架梁作為非常規(guī)及較重要的構(gòu)件，將其定為關(guān)鍵構(gòu)件提高其性能水準(zhǔn)，達(dá)到性能目標(biāo)C對(duì)應(yīng)的性能水準(zhǔn)，見表3。

Y形框架梁的性能水準(zhǔn) 表3

本工程采用SATWE，YJK，MIDAS-Building軟件進(jìn)行小震彈性反應(yīng)譜的計(jì)算比較，并進(jìn)行了小震彈性時(shí)程補(bǔ)充分析，各項(xiàng)控制指標(biāo)均滿足規(guī)范要求；采用SATWE進(jìn)行中震等效彈性和不屈服計(jì)算，并采用EPDA進(jìn)行中震動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析，各項(xiàng)控制指標(biāo)均滿足設(shè)定的性能目標(biāo)；采用SATWE進(jìn)行了大震不屈服計(jì)算，并采用SAUSAGE和ABAQUS進(jìn)行大震動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析，各結(jié)構(gòu)構(gòu)件及整體結(jié)構(gòu)能滿足大震作用下預(yù)設(shè)的性能目標(biāo)要求。表4和表5列出了結(jié)構(gòu)自振周期及小震彈性反應(yīng)譜分析的結(jié)果，其余具體的分析過程和結(jié)果不再贅述。

結(jié)構(gòu)自振周期 表4

水平荷載作用下結(jié)構(gòu)主要指標(biāo) 表5

5 Y形框架梁的受力特點(diǎn)和性能

Y形框架梁承擔(dān)了角部的大部分豎向荷載，且作為抗側(cè)力體系的組成部分，對(duì)抵抗地震作用發(fā)揮了一定的作用，因此需要對(duì)其受力性能重點(diǎn)關(guān)注。

通過調(diào)整樓蓋梁布置方式，盡量使Y形框架梁兩肢承擔(dān)的豎向荷載接近，減小不平衡彎矩從而減小Y形框架梁各肢中產(chǎn)生的扭矩。但在水平地震作用下，由于Y形框架梁的彎折，斜寬梁還將產(chǎn)生一定的扭矩，這是和常規(guī)直框架梁的不同之處。

計(jì)算表明，小震作用下Y形框架梁處于彈性，在彎、剪、扭共同作用下的承載力滿足要求。

在中、大震作用下，梁鉸開始出現(xiàn)，逐漸明顯增多，結(jié)構(gòu)塑性進(jìn)一步發(fā)展，大震下結(jié)構(gòu)典型標(biāo)準(zhǔn)層梁鉸狀態(tài)如圖7所示。

圖7 大震下最大層間位移角時(shí)刻的第8層構(gòu)件形態(tài)

可見，Y形框架梁的塑性鉸均出現(xiàn)在梁的兩端，Y形框架梁的交叉處均未出現(xiàn)塑性鉸，計(jì)算結(jié)果表明交叉處單元損傷也較小，因此Y形框架梁的出鉸模式和常規(guī)框架梁是相同的。

以第8層左上角Y形框架梁為例，罕遇地震彈塑性時(shí)程分析中的出鉸順序如圖8所示。

圖8 Y形框架梁在罕遇地震時(shí)程分析時(shí)的出鉸順序

從圖8中可知，本層該處Y形框架梁的出鉸順序?yàn)椋菏紫仍赮向直段梁支座出鉸，其次為斜寬梁支座出鉸，最后為X向直段梁支座出鉸。時(shí)程分析完成時(shí)，交叉處未出鉸，單元損傷仍較小，表明Y形框架梁在地震作用下的薄弱部位并非在交叉處，其出鉸形式與常規(guī)的框架梁是相似的。

6 Y形框架梁的截面設(shè)計(jì)

6.1 Y形框架梁的剪、扭驗(yàn)算

Y形框架梁與結(jié)構(gòu)主要抗側(cè)力體系斜交，與常規(guī)框架梁相比，會(huì)受到較大的扭矩作用，其在彎、剪、扭復(fù)合作用下的安全性需重點(diǎn)關(guān)注。進(jìn)行小震彈性計(jì)算時(shí)，常規(guī)的鋼筋混凝土梁的扭矩折減系數(shù)為0.4，Y形框架梁分肢段扭矩折減系數(shù)可偏安全取為0.6～1.0，交叉后與筒體相連的斜寬梁較為重要，扭矩折減系數(shù)取為1.0。

計(jì)算結(jié)果表明，小震作用下，扭矩不折減，Y形框架梁截面滿足剪扭截面控制條件；中震等效彈性計(jì)算時(shí)，扭矩折減系數(shù)取0.86時(shí)滿足剪扭截面控制條件；大震等效彈性計(jì)算時(shí)，扭矩折減系數(shù)取0.27時(shí)滿足剪扭截面控制條件。

協(xié)調(diào)扭轉(zhuǎn)構(gòu)件開裂后扭轉(zhuǎn)剛度降低較大，扭矩明顯減小，一些國外規(guī)范[9-10]通常采用零剛度設(shè)計(jì)法，即取扭轉(zhuǎn)剛度為零，忽略扭矩，但按構(gòu)造配置不少于開裂扭矩所需的受扭縱筋和箍筋?！陡咭?guī)》性能設(shè)計(jì)時(shí)中、大震下的截面控制條件同樣未考慮扭矩的影響。此外等效彈性計(jì)算明顯高估了構(gòu)件受到的內(nèi)力，因此上述驗(yàn)算的結(jié)果表明，Y形框架梁能滿足剪扭驗(yàn)算的要求。

6.2 Y形框架梁的截面構(gòu)造

Y形框架梁交叉處受彎、剪、扭綜合作用，受力較復(fù)雜，鋼筋較密集，為減小應(yīng)力集中，交叉處進(jìn)行了加腋。綜合考慮Y形框架梁的受力要求和施工方便，其具體構(gòu)造見圖9。

圖9 Y形框架梁配筋構(gòu)造詳圖

7 Y形框架梁局部結(jié)構(gòu)地震作用擬靜力試驗(yàn)研究

為了研究Y形框架梁在小震、中震及大震時(shí)受彎、剪、扭共同作用下的性能,驗(yàn)證理論分析的可靠性，進(jìn)行了1∶3縮尺模型試驗(yàn)[4]。模型截取如圖10所示。

圖10 模型截取平面圖示

由于試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪菑恼w模型中選取出來的一部分，邊界條件等發(fā)生了改變，難以同時(shí)保證各截面的內(nèi)力均與整體模型分析的結(jié)果一致。為解決上述問題，在優(yōu)先保證A截面(圖11)的彎矩和扭矩相等的情況下，盡量調(diào)整其他幾個(gè)截面的內(nèi)力接近。為了便于結(jié)構(gòu)試驗(yàn)時(shí)加載，施加水平力的方式如圖11所示。采用SAP2000軟件建立局部結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行小震計(jì)算，求得保證A截面的彎矩和扭矩相等時(shí)所需的水平力H1和H2。

圖11 施加水平力的方式

圖12 局部模型加載示意圖

經(jīng)過計(jì)算分析，局部模型按圖12作用水平力時(shí)，求得的各截面內(nèi)力與整體模型最為接近，內(nèi)力比較如表6所示。

根據(jù)相似比，取圖12作用水平力的1/9(即H1=35.88kN，H2=42.11kN)施加于1∶3的縮尺模型上，SAP2000計(jì)算得到的各截面內(nèi)力與按相似比求得的內(nèi)力如表7所示?？梢?，按此相似比得到的各控制截面內(nèi)力基本一致。

整體和局部模型各截面內(nèi)力比較 表6

不同方法計(jì)算得到的各截面內(nèi)力比較 表7

圖13 結(jié)構(gòu)試驗(yàn)裝置

縮尺模型的配筋按相似比進(jìn)行等效，以保證構(gòu)件的承載力和原結(jié)構(gòu)等效。由于鋼筋直徑模數(shù)的影響，配筋率略有差異。

試驗(yàn)裝置如圖13所示，柱下部采用球鉸支座。試驗(yàn)時(shí)H1，H2采用水平千斤頂施加荷載，H1與H2的比例保持35.88/42.11≈0.85不變，加載至結(jié)構(gòu)出鉸破壞。加載結(jié)束時(shí)H2為259.6kN，是小震時(shí)的6.2倍，遠(yuǎn)大于大震下Y形框架梁的內(nèi)力。

Y形框架梁與筒體相連的斜梁段在整個(gè)加載過程中出現(xiàn)的裂縫很少，加載至H1=84kN(約為小震的2.3倍)時(shí)，斜梁上部出現(xiàn)0.08mm寬的受彎裂縫；繼續(xù)加載至H1=108kN(相當(dāng)于中震)時(shí)，裂縫發(fā)展至寬0.11mm，但無新增裂縫；加載至H1=130kN時(shí)，斜梁側(cè)面新增兩條斜裂縫，此后直至加載結(jié)束，不再出現(xiàn)新的裂縫。斜梁上下部縱筋、抗扭腰筋及箍筋的應(yīng)變均未達(dá)到屈服值，整體看Y形框架梁具有很高的可靠性，與理論分析的結(jié)果基本一致。加載結(jié)束后的裂縫情況如圖14所示。

圖14 Y形框架梁斜梁段的裂縫情況

Y形框架梁斜梁段的扭轉(zhuǎn)與水平力H2的關(guān)系曲線如圖15所示，可見斜梁在大震前的扭轉(zhuǎn)較小且變化不大，最大扭轉(zhuǎn)角度約0.1°。加載超過大震后由于Y形框架梁直梁段的端部出現(xiàn)塑性鉸，樓板開裂，抗扭能力下降，斜梁扭轉(zhuǎn)增加較大，但直至加載破壞其扭轉(zhuǎn)角度最大僅為0.6°。

圖15 Y形梁斜梁段的扭轉(zhuǎn)角度與水平力H2關(guān)系曲線

通過試驗(yàn)現(xiàn)象及鋼筋應(yīng)變數(shù)據(jù)分析，試驗(yàn)中Y形框架梁的F端下部鋼筋在水平力達(dá)到2.7倍小震作用水平時(shí)首先屈服，隨后G端下部鋼筋在水平力達(dá)到4.4倍小震作用水平時(shí)屈服，出鉸順序符合預(yù)期設(shè)想。Y形框架梁交叉處的鋼筋直至加載結(jié)束均未屈服，斜梁在加載過程中鋼筋均未屈服。水平力超過大震作用水平，直至加載結(jié)束時(shí)，Y形框架斜梁上的裂縫數(shù)量較少、寬度較小，說明在彎、剪、扭共同作用下Y形框架梁斜梁是安全可靠的，Y形框架梁能達(dá)到預(yù)設(shè)的性能目標(biāo)。

8 施工現(xiàn)狀

Y形框架梁的施工現(xiàn)場鋼筋綁扎如圖16(a)所示。對(duì)Y形框架梁的鋼筋進(jìn)行施工圖放樣后，施工現(xiàn)場根據(jù)放樣圖綁扎的鋼筋間距合理，構(gòu)造簡單，具有良好的可施工性?；炷翝仓瓿珊蟮腨形框架梁如圖16(b)所示，表明Y形框架梁混凝土成型質(zhì)量良好。

圖16 Y形框架梁現(xiàn)場施工狀況

9 結(jié)語

本工程的整體結(jié)構(gòu)分析、Y形框架梁構(gòu)件分析及試驗(yàn)結(jié)果表明，Y形框架梁與常規(guī)框架梁的性能基本相同，帶Y形框架梁的框架-核心筒結(jié)構(gòu)與常規(guī)框架-核心筒結(jié)構(gòu)的屈服機(jī)制和單元損傷情況等類似，其抗震性能也基本一致，能滿足現(xiàn)行規(guī)范及預(yù)設(shè)的性能目標(biāo)要求。

本項(xiàng)目中Y形框架梁的應(yīng)用既能滿足建筑功能要求，對(duì)結(jié)構(gòu)整體受力也更為合理和有利，在類似的結(jié)構(gòu)體系中可以根據(jù)需要加以采用。

致謝：重慶大學(xué)土木工程學(xué)院張川教授和清華大學(xué)土木工程系錢稼茹教授對(duì)結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)做了重要指導(dǎo)工作，特此致謝。