張樹林，梁子彪，胡志偉，周澤宇

(深圳市華陽國際工程設(shè)計股份有限公司廣州分公司，廣東 廣州 510000)

1 項目概況

本項目位于南寧市青秀區(qū)長虹路與廂竹大道交匯處，項目占地面積約1.73萬m2，建筑面積約13萬m2，用地性質(zhì)為商業(yè)、辦公、住宅。包含5層商業(yè)裙房，高度27.10 m；兩棟38層超高層住宅，高度為120.55 m；一棟16層辦公樓，高度為67.40 m，因建筑功能需求，未設(shè)置結(jié)構(gòu)分縫，各棟塔樓通過商業(yè)裙房連接為一體，形成大底盤多塔結(jié)構(gòu)。地下2層～3層，局部人防設(shè)置于地下2層。項目效果圖如圖1所示。

2 結(jié)構(gòu)布置及設(shè)計條件

結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50 a，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.0。

2.1 結(jié)構(gòu)布置

裙房結(jié)構(gòu)平面尺寸約154 m×81 m，框架剪力墻結(jié)構(gòu)，因建筑流線、影院功能需要，在商業(yè)2層～6層平面分布有若干個不同形狀的開洞，開洞尺寸約為15 m～25 m；大部分框架采用普通梁板結(jié)構(gòu)，針對部分跨度較大處，采用梁高1 000 mm～1 300 mm的密肋混凝土梁、型鋼混凝土梁等結(jié)構(gòu)形式實現(xiàn)荷載傳遞；裙房左下角入口處在4層～6層設(shè)置跨層懸挑桁架，并在桁架底部設(shè)置鋼骨吊柱，承擔(dān)三層樓面荷載[1]。典型裙房平面布置圖如圖2所示。

住宅塔樓平面尺寸約44 m×26 m，在5層樓頂設(shè)置轉(zhuǎn)換層，結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層以下框支框架與落地剪力墻形成框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換層以上為剪力墻結(jié)構(gòu)，共同構(gòu)成部分框支-剪力墻結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)平面布置如圖3所示。

辦公塔樓平面尺寸約36 m×41 m，呈L形狀布置，在五層樓頂設(shè)置轉(zhuǎn)換層，為部分框支-剪力墻結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)平面布置如圖4所示，結(jié)構(gòu)計算模型如圖5所示。

商業(yè)裙房為重點設(shè)防(乙類)，按8度采取抗震措施；其余部分為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防(丙類)，按7度采取抗震措施；因塔樓、裙樓間不設(shè)縫，各塔樓在裙房高度范圍內(nèi)均按乙類建筑設(shè)計，建筑立面及設(shè)防分類劃分如圖6所示。各棟塔樓的轉(zhuǎn)換層均設(shè)置于5層樓頂面，住宅塔樓底部加強(qiáng)部位取至轉(zhuǎn)換層以上三層，辦公樓底部加強(qiáng)部位取至轉(zhuǎn)換層以上二層。結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震等級如表1所示。

表1 構(gòu)件抗震等級

2.2 風(fēng)荷載計算參數(shù)

本項目50 a重現(xiàn)期基本風(fēng)壓為0.35 kN/m2，地面粗糙度類別為C類，風(fēng)荷載體型系數(shù)取1.4，結(jié)構(gòu)水平位移驗算時，風(fēng)荷載按基本風(fēng)壓取值；承載力計算時，按照基本風(fēng)壓的1.1倍取值。風(fēng)荷載作用下阻尼比為0.05，舒適度驗算時阻尼比為0.02。

2.3 地震荷載計算參數(shù)

根據(jù)GB 50011—2010(2016版)建筑抗震設(shè)計規(guī)范(簡稱抗規(guī))及項目地勘報告[2-4]，本工程抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度0.10g，設(shè)計地震分組為第三組，場地類別為Ⅱ類，特征周期0.35 s。地震作用計算參數(shù)如表2所示。

表2 地震作用參數(shù)取值

3 基礎(chǔ)設(shè)計

地塊周圍無地質(zhì)災(zāi)害、構(gòu)造斷裂等不良地質(zhì)條件，場地穩(wěn)定，較適宜新建項目。場地從上至下依次為素填土、淤泥、粉土、圓礫、強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖、中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖。本項目地基基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)等級均為甲級。根據(jù)項目地質(zhì)勘查報告，結(jié)合周邊項目實際情況，擬采用灌注樁基礎(chǔ)，樁身混凝土強(qiáng)度等級C35，其中塔樓及裙房區(qū)抗壓均采用墻/柱下布置抗壓鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，持力層為中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖，樁徑為800 mm～1 600 mm，樁端進(jìn)入持力層約為6 m～18 m，單樁抗壓承載力約4 300 kN～17 000 kN，承載力均為樁身控制；純地下室區(qū)域均采用柱下抗壓兼抗拔鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁徑為800 mm～1 000 mm，樁端進(jìn)入持力層約6 m～10 m，單樁抗壓承載力特征值為4 300 kN～6 700 kN，單樁抗拔承載力特征值為700 kN～2 500 kN。

4 結(jié)構(gòu)超限判別及性能目標(biāo)

4.1 結(jié)構(gòu)超限判別

本工程為部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)，塔樓結(jié)構(gòu)高度120.55 m，包含扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、偏心布置、凹凸不規(guī)則、組合平面、樓板不連續(xù)、構(gòu)件間斷、塔樓偏置等不規(guī)則項，屬于超B級高度的特別不規(guī)則抗震超限高層建筑工程。

4.2 結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)

綜合考慮抗震設(shè)防類別、設(shè)防烈度及場地、建筑結(jié)構(gòu)功能、土建成本和修復(fù)難易程度等因素，結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)定為C級[5]，對應(yīng)抗震性能水準(zhǔn)及設(shè)計控制指標(biāo)細(xì)化如表3所示。

5 結(jié)構(gòu)計算分析

5.1 小震彈性計算

分別針對住宅單塔、辦公單塔、裙房+塔樓多塔模型，采用YJK,ETABS兩種軟件進(jìn)行彈性計算分析，計算結(jié)果表明，兩種軟件的主要計算結(jié)果比較接近，整體差異不大?，F(xiàn)選取住宅單塔整體指標(biāo)匯總?cè)绫?所示。

表3 構(gòu)件抗震性能水準(zhǔn)及指標(biāo)

表4 單塔整體指標(biāo)

計算結(jié)果表明，兩種軟件主要指標(biāo)計算結(jié)果接近，主要結(jié)構(gòu)指標(biāo)均為地震力控制。

5.2 小震彈性時程分析

采用彈性時程分析方法進(jìn)行多遇地震下的補(bǔ)充計算。選取5條天然波及兩條人工波加速度時程曲線，考慮雙向地震作用按照主、次波方式輸入。將地震加速度峰值調(diào)整為35 cm/s2，地震波振型阻尼比ξ=0.05，地震波的時間間隔0.02 s。

計算結(jié)果顯示：每條時程波計算所得基底剪力均在反應(yīng)譜計算結(jié)果的65%和135%之間；7條時程波計算所得基底剪力的平均值在振型分解反應(yīng)譜計算結(jié)果的80%和120%之間，時程分析地震波選取符合規(guī)范要求；小震設(shè)計時需對反應(yīng)譜法和時程分析法結(jié)果取包絡(luò)值，除Y向底部部分樓層外，反應(yīng)譜法中多數(shù)樓層剪力需要進(jìn)行放大，最大放大系數(shù)為1.287。

5.3 中震計算分析

中震作用的結(jié)構(gòu)基底剪力約為小震基底剪力的2.7倍，根據(jù)設(shè)防烈度地震作用下的抗震性能目標(biāo)，采用ETABS和YJK軟件按照中震彈性和中震不屈服對剪力墻、框架柱及框架梁、框支構(gòu)件等分別進(jìn)行驗算。結(jié)果顯示：剪力墻滿足中震受彎不屈服、受剪彈性；框支柱滿足中震受彎、受剪彈性的性能目標(biāo)；框架梁滿足中震部分受彎屈服、受剪不屈服的性能目標(biāo)。底部和頂部局部墻肢出現(xiàn)拉應(yīng)力，名義拉應(yīng)力小于2倍混凝土抗拉強(qiáng)度。出現(xiàn)偏心受拉的雙肢剪力墻，另一墻肢的彎矩設(shè)計值和剪力設(shè)計值應(yīng)乘以增大系數(shù)1.25；大偏心受拉墻肢邊緣構(gòu)件配筋率提高至1.4%。

5.4 大震彈塑性時程分析

針對項目特點，采用SAUSAGE軟件進(jìn)行彈塑性時程分析，以考察結(jié)構(gòu)在大震作用下進(jìn)入彈塑性階段后的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。選取兩組天然波、一組人工波，地震動水平雙向輸入時，主次方向分別按100%和85%幅值施加。經(jīng)計算分析(見圖7～圖9)，大震作用下各層的塑性位移角最大值為1/175，小于1/120，可實現(xiàn)大震不倒的抗震性能目標(biāo)。

罕遇地震動力分析表明：彈塑性分析基底剪力約為彈性分析基底剪力的62%～98%之間，彈塑性剪重比在7.5%左右，地震能量在彈塑性過程中得到有效耗散。剪力墻受壓損壞主要集中在連梁及交接處；其次，由于轉(zhuǎn)換層剛度突變，轉(zhuǎn)換層上一層局部剪力墻出現(xiàn)一定損傷；其余樓層墻肢基本未出現(xiàn)受壓損壞?？蚣芰夯炷脸霈F(xiàn)比較明顯的受壓損傷，多數(shù)混凝土梁端部鋼筋屈服，可以有效地作為耗能構(gòu)件耗能；樓板未出現(xiàn)較嚴(yán)重的受壓損傷；轉(zhuǎn)換層轉(zhuǎn)換柱和轉(zhuǎn)換梁混凝土未出現(xiàn)比較明顯的受壓損傷，基本處于彈性工作狀態(tài)。

5.5 大底盤多塔計算

多塔結(jié)構(gòu)底盤上一層上部結(jié)構(gòu)突然縮進(jìn)，屬于豎向不規(guī)則，塔樓與底盤的結(jié)合部位結(jié)構(gòu)豎向剛度發(fā)生突變，容易形成薄弱部位。同時，多個塔樓的相互作用，使結(jié)構(gòu)振型復(fù)雜，會產(chǎn)生復(fù)雜的扭轉(zhuǎn)振動，如果結(jié)構(gòu)布置不當(dāng)，扭轉(zhuǎn)振動反應(yīng)及高階振型疊加影響會加劇。大量的震害實例表明，塔樓與大底盤結(jié)合部位及其上下各一層的構(gòu)件在地震中破壞最為嚴(yán)重，為確保本工程多塔結(jié)構(gòu)設(shè)計安全可靠，對多塔大底盤進(jìn)行了專項分析與研究(見圖10，圖11)。

多塔計算結(jié)果表明，多塔模型與單塔模型的振型基本一致，多塔模型平動周期與單塔平動周期較為接近，扭轉(zhuǎn)周期稍大于單塔模型，表明各塔樓間有一定的相互作用，大底盤對平動提供一定的側(cè)向剛度，而質(zhì)量與剛度的分散增加了扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。多塔模型中塔樓的層間位移角小于單塔模型中的層間位移角，表明多塔模型各塔樓之間有一定的約束效應(yīng)。多塔模型下各棟塔樓的振動特性與單塔模型基本一致，各項整體指標(biāo)較為吻合，多塔模型整體配筋量略大于單塔模型，因此為保證結(jié)構(gòu)安全度，施工圖中可采用多塔模型與單塔模型的計算包絡(luò)值作為設(shè)計依據(jù)。

5.6 型鋼混凝土梁剪扭分析

裙房較多樓層采用型鋼混凝土梁，而目前規(guī)范并未給出型鋼混凝土梁的抗扭計算原則，針對特殊位置中型鋼混凝土梁存在的彎、剪、扭復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，采用ABAQUS軟件進(jìn)行有限元計算分析(見圖12)，以評估其抗震性能目標(biāo)；并根據(jù)計算結(jié)果，進(jìn)一步指導(dǎo)施工圖節(jié)點及配筋設(shè)計。提取YJK計算結(jié)果的彎矩、剪力、扭矩施加到模型中，計算結(jié)果如下。

箍筋、腹板應(yīng)力基本處于200 MPa以下，可以保證梁的剪扭處于彈性狀態(tài)?？箯濅摻罨具_(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)值400 MPa，型鋼翼緣局部應(yīng)力達(dá)到335 MPa。剪力在700 kN后，混凝土有部分進(jìn)入塑性，表示混凝土部分受拉開裂，之后直至到施加荷載，梁剛度沒有明顯降低，可以認(rèn)為截面抗剪抗扭處于彈性狀態(tài)，可以滿足安全要求。

5.7 大跨度懸挑桁架計算分析

為保證建筑的功能需求及美觀性，在裙房主入口處無法布置落地豎向受力構(gòu)件，導(dǎo)致在裙房主入口上方形成跨度為34.5 m的大跨區(qū)域(3層，4層裙樓位置左下角處)。同時根據(jù)建筑功能要求，該區(qū)域布置有三層通高IMAX影院，造成大跨度區(qū)域存在較大的樓面荷載且豎向傳力路徑中斷的情況。按照建筑和設(shè)備專業(yè)要求，在保證建筑凈高的條件下，最大梁高為1.2 m，采用常規(guī)的鋼筋混凝土梁無法滿足結(jié)構(gòu)承載力以及正常使用要求。經(jīng)過多方對比分析，采用4層～6層跨層桁架懸挑方案，并在4層桁架底部設(shè)置鋼吊柱以承擔(dān)3層樓面荷載(見圖13)。

6 結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施

針對項目結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合計算分析結(jié)果，工程設(shè)計中采取如下加強(qiáng)措施：

1)塔樓底部加強(qiáng)區(qū)高度取至裙樓屋面以上三層，將底部加強(qiáng)部位剪力墻的抗震等級提高至特一級，墻身水平和豎向分布筋的最小配筋率提高到0.5%，轉(zhuǎn)換層上部4層～5層(過渡層)提高至0.4%；對于個別剪應(yīng)力較高的墻體，其約束邊緣構(gòu)件配筋率不小于1.5%，以提高其延性能力。

2)因塔樓與裙樓偏置較大，裙樓周邊剪力墻、框架柱抗震等級按照特一級，提高其抗剪承載力；體型收進(jìn)部位上下2層塔樓周邊(一跨)豎向構(gòu)件、裙樓因影院開洞形成的錯層位置豎向構(gòu)件抗震等級提高一級。

3)框支柱及部分剪應(yīng)力較高的框支梁設(shè)置型鋼，確?？蛑Э蚣芫哂凶銐虻目辜簟⒖箯澞芰?，加厚主受力落地剪力墻墻肢厚度至400 mm厚，確保墻肢穩(wěn)定性，并在落地剪力墻形成的筒體角部及支撐轉(zhuǎn)換梁位置設(shè)置型鋼。

4)轉(zhuǎn)換層樓板最小厚度為180 mm，按照0.30%配筋率的雙層雙向配筋；轉(zhuǎn)換層上下兩層(共4層)塔樓范圍內(nèi)樓板最小厚度為150 mm，采用雙層雙向配筋，最小配筋率0.25%，落地剪力墻與周邊豎向構(gòu)件相連的框架梁最小截面寬度不小于2倍樓板厚度，全截面縱向鋼筋配筋率不應(yīng)小于1.0%。

5)結(jié)合連接多塔間裙房傳力分析，施工圖階段按多塔與單塔模型進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計：裙房部分梁板混凝土強(qiáng)度等級提高至C35；裙房具有一定的嵌固效果，板厚可取130 mm～150 mm，配筋率按0.20%～0.3%雙層雙向設(shè)計；分別按單塔和多塔考慮頂板的嵌固作用，增大首層及地下1層塔樓范圍框架梁或連梁截面。

6)辦公塔樓轉(zhuǎn)換層以上屬于較多短肢剪力墻結(jié)構(gòu)，按高規(guī)中短肢剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計加強(qiáng)。

7 結(jié)語

以超B級高度的大底盤多塔超限結(jié)構(gòu)為研究對象，采用YJK，MIDAS，ETABS，SAUSAGE等多種軟件進(jìn)行小震計算及中、大震性能目標(biāo)驗算；針對項目中的復(fù)雜節(jié)點及特殊做法進(jìn)行重點分析；結(jié)合抗震超限工程可行性論證研究，從結(jié)構(gòu)體系及布置、計算分析、結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計和構(gòu)造加強(qiáng)措施等幾個方面展開研究，并提出可行的解決措施，為相關(guān)工程設(shè)計提供一定借鑒意義。