張 齊

（中國(guó)雄安集團(tuán)城市發(fā)展公司，河北 雄安 071700）

1 工程概況

本項(xiàng)目位于城市核心區(qū)，地上總建筑面積約21．76 萬(wàn)m2，包括一座商業(yè)裙樓和兩座塔樓。4 層的商業(yè)裙房建筑功能上連接T1 和T2 兩塔樓（見(jiàn)圖1） 。由于場(chǎng)地及上位規(guī)劃條件限制，商業(yè)裙房南北長(zhǎng)約140 m，東西寬約13 m ～43 m，整體呈長(zhǎng)條形，場(chǎng)地中間預(yù)留視覺(jué)通廊，形成對(duì)片區(qū)公園的視線穿透。由于視覺(jué)通廊存在，建筑物中間區(qū)域存在約25 m 長(zhǎng)連體區(qū)域，此區(qū)域平面逐層變化。

圖1 裙房建筑效果圖

裙房位于T1 和T2 塔樓之間，為避免其在地震作用下與兩塔樓發(fā)生相互作用，在圖2 所示處設(shè)置結(jié)構(gòu)抗震縫。

圖2 結(jié)構(gòu)分縫示意圖

2 大跨連體區(qū)域結(jié)構(gòu)方案初選

為實(shí)現(xiàn)視覺(jué)通廊效果，建筑師希望得到25 m 跨度無(wú)柱空間，且此視覺(jué)通廊區(qū)域平面逐層變化，2 層僅通過(guò)約12 m 寬樓板連接通廊南北兩側(cè)建筑。而3 層、4 層區(qū)域連接范圍較大，因而結(jié)構(gòu)方案不適合采用南北兩側(cè)獨(dú)立單體，中間連橋柔性連接的方案。

考慮到整體造價(jià)問(wèn)題，方案階段確定通廊南北兩側(cè)采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，視覺(jué)通廊上方連體區(qū)域采用鋼結(jié)構(gòu)，為滿足建筑效果的同時(shí)保證項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性，連體區(qū)域進(jìn)行了兩種結(jié)構(gòu)方案的比選工作，方案一為4 層結(jié)合建筑布局設(shè)置桁架，通過(guò)桁架下伸吊柱承托2 層及3 層結(jié)構(gòu)。方案二為與屋面飄帶造型呼應(yīng)，在視覺(jué)通廊設(shè)置異形柱，2 層以上異形柱轉(zhuǎn)換為常規(guī)柱，2 層～5 層結(jié)構(gòu)平面圖分別見(jiàn)圖3 ～圖6。

圖3 2 層結(jié)構(gòu)平面圖

圖4 3 層結(jié)構(gòu)平面圖

圖5 4 層結(jié)構(gòu)平面圖

圖6 5 層結(jié)構(gòu)平面圖

混凝土部分的樓板采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土剛性樓蓋，樓層樓板厚度一般為120 mm，鋼結(jié)構(gòu)部分的樓板采用壓型鋼板組合樓板，厚度為120 mm，有覆土的屋面板及洞口周邊樓板板厚為130 mm。

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)部分柱截面尺寸1 000 mm ×1 000 mm ～700 mm×700 mm，框架梁截面尺寸從400 mm×1 200 mm ～400 mm ×800 mm，樓面梁尺寸為300 mm ×700 mm； 屋面最大跨度達(dá)到18． 6 m，采用600 mm ×1 200 mm 的混凝土梁，擱置18．6 m 混凝土梁的框架梁采用600 mm×1 200 mm 型鋼混凝土梁，含鋼率約為4．2%。

2．1 吊桁架結(jié)構(gòu)方案

吊桁架結(jié)構(gòu)方案裙房為帶少量支撐的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，主要通過(guò)框架承擔(dān)水平側(cè)向力作用，但因其平面尺寸較大且布置不規(guī)則，結(jié)構(gòu)抗扭剛度較弱，故在首層到3 層設(shè)置了少量斜撐，增加裙房整體抗扭剛度。同時(shí)，吊桁架位于結(jié)構(gòu)頂層，造成頂層的側(cè)向剛度明顯大于下部3 層，所以通過(guò)調(diào)整斜撐的布置還起到了使結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度分布更均勻的作用（見(jiàn)圖7） 。

圖7 吊桁架方案結(jié)構(gòu)示意圖

桁架上弦為大屋面，下弦為4 層，桁架高度6．2 m。桁架斜腹桿及豎桿采用鉸接，桁架上下弦桿采用剛接。桁架下方設(shè)置吊柱懸掛3 層及2 層樓面（如圖8 所示） 。

圖8 桁架示意圖

2．2 異形柱方案

異形樁方案在視覺(jué)通廊處共布置4 根V 型鋼柱，柱子造型與建筑屋面元素呼應(yīng)，截面尺寸為850 mm ×850 mm ×40 mm，伸至3 層后轉(zhuǎn)化為常規(guī)鋼柱（如圖9 所示） 。

圖9 異形柱方案結(jié)構(gòu)示意圖

3 結(jié)構(gòu)彈性分析

3．1 靜力指標(biāo)分析

兩方案靜力分析主要計(jì)算指標(biāo)詳見(jiàn)表1。

表1 結(jié)構(gòu)方案主要彈性分析計(jì)算指標(biāo)對(duì)比表

從上述計(jì)算指標(biāo)可以看出，對(duì)于異形柱方案，結(jié)構(gòu)層剛度、質(zhì)量分布均勻，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)比較小； 結(jié)構(gòu)剛度分布合理，變化均勻，結(jié)構(gòu)抗剪承載力分布均勻，未出現(xiàn)薄弱層及軟弱層。結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載及小震作用下的位移指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。而對(duì)于吊桁架方案計(jì)算結(jié)果顯示： 結(jié)構(gòu)層剛度、質(zhì)量分布均勻，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)比較小； 結(jié)構(gòu)剛度分布合理，變化均勻，結(jié)構(gòu)抗剪承載力分布均勻，但是因?yàn)樯喜胯旒艽嬖?，在裙房? 層、3 層形成薄弱層，結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載及小震作用下的位移指標(biāo)均滿足規(guī)范要求［1］。

3．2 大跨連體區(qū)域關(guān)鍵構(gòu)件驗(yàn)算

3．2．1吊桁架方案連體區(qū)域關(guān)鍵構(gòu)件驗(yàn)算

此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為地震作用控制?，F(xiàn)有設(shè)計(jì)按照預(yù)定的性能要求目標(biāo)，采取適當(dāng)?shù)拇胧?，各?gòu)件均可滿足在多遇地震作用下彈性驗(yàn)算的要求［2］。為進(jìn)一步保證結(jié)構(gòu)整體安全性，對(duì)于大跨連體區(qū)域關(guān)鍵構(gòu)件驗(yàn)算結(jié)果進(jìn)行單獨(dú)分析。各桁架位置及編號(hào)見(jiàn)圖10，對(duì)于各桁架進(jìn)行了考慮樓板作用及不考慮樓板作用下的構(gòu)件應(yīng)力分析，從驗(yàn)算結(jié)果可以看出，小震作用下桁架桿件應(yīng)力能滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求［3］。

圖10 典型桁架應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果

3．2．2異形柱方案連體區(qū)域關(guān)鍵構(gòu)件驗(yàn)算

對(duì)于異形柱方案而言，底層異形柱為關(guān)鍵構(gòu)件，因而除常規(guī)設(shè)計(jì)軟件模擬之外，對(duì)此構(gòu)件節(jié)點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行三維有限元模擬［4］。

分析采用ABAQUS 有限元軟件對(duì)該節(jié)點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行建模，節(jié)點(diǎn)裝配結(jié)果如圖11 所示，V 型鋼節(jié)點(diǎn)構(gòu)件、預(yù)埋型鋼件采用C3D10 單元，混凝土采用C3D8R 單元模擬，鋼筋采用T3D2 單元模擬。縱筋和箍筋按實(shí)際配筋建立后，合并為鋼筋籠整體，并與預(yù)埋型鋼件一并嵌入混凝土構(gòu)件中；鋼管與預(yù)埋型鋼件建立綁定約束，用于模擬兩者之間的焊接關(guān)系。本構(gòu)件為關(guān)鍵構(gòu)件，設(shè)定的抗震性能目標(biāo)為大震不屈服，依據(jù)YJK 軟件計(jì)算結(jié)果在加載點(diǎn)1、加載點(diǎn)2 施加軸力彎矩及剪力。節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖12。

圖11 節(jié)點(diǎn)裝配圖

圖12 節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格劃分圖

經(jīng)分析，該節(jié)點(diǎn)中V 型鋼管構(gòu)件與預(yù)埋型鋼件應(yīng)力未超過(guò)屈服應(yīng)力，保持彈性狀態(tài)。型鋼柱混凝土最大應(yīng)力為10．25 MPa，鋼筋應(yīng)力最大為36．6 MPa，由此可見(jiàn)該節(jié)點(diǎn)能夠滿足大震不屈服的抗震目標(biāo)，安全儲(chǔ)備較高。

3．3 樓板應(yīng)力分析

本結(jié)構(gòu)為長(zhǎng)條形布局，由于商業(yè)空間需求存在較多的樓板開(kāi)洞，且連體區(qū)域樓板連接范圍逐層變化，因而有必要對(duì)于樓板應(yīng)力進(jìn)行專項(xiàng)分析及針對(duì)加強(qiáng)。主要考慮中震CQC 組合工況下樓板應(yīng)力分布，判斷水平力的傳遞途徑。同時(shí)通過(guò)樓板的應(yīng)力大小，找到應(yīng)力相對(duì)集中的區(qū)域，并根據(jù)樓板應(yīng)力大小進(jìn)行配筋（見(jiàn)圖13） 。

圖13 節(jié)點(diǎn)Mises 應(yīng)力分析結(jié)果

本結(jié)構(gòu)使用YJK 軟件進(jìn)行分析，樓板采用彈性板6。本樓板受壓承載力上限為C35 混凝土的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（fck=23．4 MPa） ，樓板抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk=2．2 MPa，當(dāng)樓板應(yīng)力低于C35 混凝土抗拉強(qiáng)度，認(rèn)為樓板未開(kāi)裂，混凝土承擔(dān)全部水平拉力，樓板內(nèi)的水平鋼筋作為安全儲(chǔ)備，樓板配筋無(wú)需加強(qiáng)。當(dāng)樓板應(yīng)力高于混凝土開(kāi)拉應(yīng)力，認(rèn)為混凝土開(kāi)裂退出工作，水平拉力全部由鋼筋承擔(dān)，樓板應(yīng)根據(jù)應(yīng)力大小加強(qiáng)配筋。

從圖14 中可以看出，中震作用下，樓板壓應(yīng)力均不超過(guò)fck，不會(huì)出現(xiàn)壓潰的情況。中震作用下，沿樓板開(kāi)洞及陰角區(qū)域有較大的應(yīng)力集中，但拉應(yīng)力整體不超過(guò)ftk，局部應(yīng)力集中區(qū)域超過(guò)ftk，需進(jìn)行配筋加強(qiáng)。裙房樓板在中震下整體具有足夠安全度，個(gè)別拉應(yīng)力集中區(qū)域可以通過(guò)加強(qiáng)配筋解決。

圖14 典型樓層樓板應(yīng)力分布圖

4 結(jié)構(gòu)彈塑性分析

為保障結(jié)構(gòu)地震作用下的安全性，對(duì)于裙房結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性分析，結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)選取D 級(jí)，設(shè)防地震采用性能水準(zhǔn)4，罕遇地震采用性能水準(zhǔn)5。結(jié)構(gòu)的最大層間位移角限值取1/50。

該裙房結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件類別為梁、柱、斜撐和樓板，分析中采用如下有限元模型：

梁、柱、斜撐桿件：采用B32 纖維束單元，該單元基于Timoshenko 梁理論，可以考慮剪切變形剛度，而且計(jì)算過(guò)程中單元?jiǎng)偠仍诮孛鎯?nèi)和長(zhǎng)度方向兩次動(dòng)態(tài)積分得到；樓板：采用四邊形或三角形縮減積分殼單元模擬。

在對(duì)該裙房結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性分析過(guò)程中，考慮了以下非線性因素：

幾何非線性：結(jié)構(gòu)的平衡方程建立在結(jié)構(gòu)變形后的幾何狀態(tài)上，重力二階效應(yīng)、非線性屈曲效應(yīng)、大變形效應(yīng)等都得到了全面考慮。

材料非線性：直接采用材料非線性“應(yīng)力－應(yīng)變”本構(gòu)關(guān)系，模擬混凝土、鋼筋以及鋼材等材料彈塑性特性，可有效模擬構(gòu)件的彈塑性發(fā)生、發(fā)展以及破壞的全過(guò)程。

上述非線性因素在計(jì)算分析起始步即被考慮，且貫穿整個(gè)分析的全過(guò)程。

本工程中主要有兩類基本材料，即鋼材和混凝土。計(jì)算中采用的本構(gòu)模型依次為：

鋼材采用雙線性隨動(dòng)硬化模型。在循環(huán)往復(fù)加載過(guò)程中，無(wú)剛度退化并考慮了包辛格效應(yīng)。計(jì)算分析中，設(shè)定鋼材的強(qiáng)屈比為1．2，極限應(yīng)變?yōu)?．025。

模擬混凝土材料的本構(gòu)力學(xué)特性時(shí)，采用了彈塑性損傷模型（Concrete Damaged Plastic 模型，簡(jiǎn)稱CDP模型） 。該模型能夠考慮混凝土材料拉壓強(qiáng)度差異、剛度及強(qiáng)度退化以及拉壓循環(huán)裂縫閉合呈現(xiàn)的剛度恢復(fù)等性質(zhì)。計(jì)算中，混凝土材料軸心抗壓和軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》表4． 1． 3 取值。需要指出的是，偏保守考慮，計(jì)算中混凝土均不考慮截面內(nèi)橫向箍筋的約束增強(qiáng)效應(yīng)，僅采用規(guī)范中建議的素混凝土參數(shù)。其中，當(dāng)荷載從受拉變?yōu)槭軌簳r(shí)，混凝土材料的裂縫閉合，抗壓剛度恢復(fù)至原有的抗壓剛度； 當(dāng)荷載從受壓變?yōu)槭芾瓡r(shí)，混凝土材料的抗拉剛度不恢復(fù)。

為確保達(dá)到大震不屈服的抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)，除應(yīng)保證結(jié)構(gòu)最大彈塑性層間位移角滿足規(guī)范要求外，尚應(yīng)確保以結(jié)構(gòu)構(gòu)件的彈塑性變形和強(qiáng)度退化來(lái)衡量的構(gòu)件損傷程度也應(yīng)限制在可接受限值范圍內(nèi)，以保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件在地震過(guò)程中仍有能力承受地震力和重力荷載，并確保在地震后仍有能力承受作用在結(jié)構(gòu)上的重力荷載。構(gòu)件的損壞主要以混凝土的受壓損傷因子及鋼材的應(yīng)變程度作為評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，混凝土在達(dá)到極限強(qiáng)度后會(huì)出現(xiàn)剛度退化和承載力下降，其程度通過(guò)受壓損傷因子Dc來(lái)描述，Dc的物理意義為混凝土的剛度退化率，如受壓損傷因子Dc達(dá)到0．3，則表示抗壓彈性模量已退化30%。同時(shí)Dc還與混凝土的剩余承載力相對(duì)應(yīng)，Dc越大，則混凝土剩余承載力越小?？紤]到應(yīng)力集中的影響，我們將混凝土受壓損傷為0．3 ～0．5 設(shè)為中度損傷，0．5 ～0．7 則認(rèn)為損傷較為嚴(yán)重，大于0．7 則認(rèn)為混凝土材料壓潰失效。

兩種結(jié)構(gòu)方案大震下結(jié)構(gòu)層間位移角見(jiàn)表2，關(guān)鍵構(gòu)件損傷見(jiàn)圖15 ～圖17。

表2 大震作用下最大層間位移角匯總表

圖15 吊桁架關(guān)鍵桁架大震下X 方向及Y 方向損失分布

圖16 異形柱大震作用下X 方向損傷

圖17 異形柱大震作用下Y 方向損傷

從以上分析結(jié)果可以看出兩個(gè)方向?qū)娱g位移角均滿足1/50 的性能化目標(biāo)，能夠滿足規(guī)范的“大震不倒”要求。該結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下，大跨連接區(qū)域鋼結(jié)構(gòu)桁架和異形柱在重力和豎向地震作用下，桿件均未出現(xiàn)屈服。整體來(lái)看，結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的彈塑性反應(yīng)和破壞機(jī)制，符合結(jié)構(gòu)抗震工程的概念設(shè)計(jì)要求，抗震性能可達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)。

5 大跨連體區(qū)域結(jié)構(gòu)方案經(jīng)濟(jì)性比選與建筑效果分析

對(duì)于此兩種方案的土建成本進(jìn)行分析（見(jiàn)表3） ，可以看出連體區(qū)域外部分土建造價(jià)基本相當(dāng)，對(duì)于連體區(qū)域而言，為了滿足大跨無(wú)柱空間的方案?jìng)髁Σ蝗绠愋沃桨钢苯?，因而土建成本具有較大的差異，因而需綜合考慮建筑效果及項(xiàng)目造價(jià)綜合判斷決策。異形柱方案雖然對(duì)于視覺(jué)通廊有一定影響，但通過(guò)柱子造型異化可以與建筑整體建筑語(yǔ)言一致，同時(shí)可以保證3 層、4 層靈活的建筑空間布局，最大限度實(shí)現(xiàn)臨窗區(qū)域的商業(yè)價(jià)值，同時(shí)結(jié)構(gòu)造價(jià)較吊桁架方案低，且施工難度也比吊桁架方案低，綜合考慮本項(xiàng)目最終采用異形柱方案。

表3 兩方案造價(jià)比選

6 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)彈性整體分析及彈塑性整體分析，以及對(duì)于關(guān)鍵區(qū)域的特殊分析，兩種結(jié)構(gòu)方案均可保證結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備，可滿足現(xiàn)行規(guī)范需求。

從建筑效果而言，吊桁架方案可以滿足首層大跨無(wú)柱空間的實(shí)現(xiàn)，與周邊環(huán)境及上位規(guī)劃完美契合，但是對(duì)于桁架層而言，建筑空間布置具有較大的局限性。而對(duì)于異形柱方案而言，2 層以上建筑空間布置具有一定靈活性，首層雖然對(duì)于視覺(jué)通廊有一定遮擋，但是通過(guò)對(duì)柱子造型的異化可以與建筑整體建筑語(yǔ)言一致，可以保證較好的建筑美學(xué)實(shí)現(xiàn)。

從造價(jià)而言，異形柱方案由于傳力直接，整體造價(jià)比吊桁架方案有較大優(yōu)化。

項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)需綜合考慮多方面因素，從而得到較優(yōu)解，本項(xiàng)目最終綜合考慮建筑效果及造價(jià)選用了異形柱方案。