沈捷攀, 肖志斌, 尹 雄, 周建爐, 王宇緯, 吳冰镠, 王正剛

(浙江大學(xué)建筑設(shè)計研究院有限公司，杭州 310028)

1 工程概況

本項目位于浙江省杭州市,地上由一幢主塔樓、一幢副塔樓和商業(yè)裙樓組成,商業(yè)裙樓與主塔樓連為一體。其中主塔樓65層,建筑高度295.77m,1～3層裙樓層高為5.04～4.94m,標準層層高為4.4m。主塔樓設(shè)置六個避難層,分別位于8、18、28、38、48、58層。加強層位于37～38層。地下為4層停車區(qū),其中地下1層層高為6.5m,地下2～4層層高為4.5m。建筑效果圖和結(jié)構(gòu)計算模型見圖1、2。

圖1 建筑效果圖

圖2 整體計算模型

項目的結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50年,安全等級為二級,地基基礎(chǔ)和樁基工程設(shè)計等級為甲級。在計算風(fēng)荷載時,采用50年一遇基本風(fēng)壓0.45kN/m2,地面粗糙度類別為C類,并使用風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)進行補充計算。該建筑的抗震設(shè)防類別為乙類,抗震設(shè)防烈度為7度,設(shè)計地震分組為第一組,設(shè)計基本地震加速度為0.10g,場地類別屬于Ⅲ類,場地特征周期為0.45s［1］。

2 結(jié)構(gòu)方案

2.1 結(jié)構(gòu)體系

主塔樓采用多重抗側(cè)力體系,由鋼管混凝土柱框架、鋼筋混凝土核心筒、環(huán)帶桁架和伸臂桁架組成。這種抗側(cè)力體系在很多工程實例得到應(yīng)用,近年來有許多國內(nèi)外學(xué)者進行了深入研究,證明其具有優(yōu)越的抗震性能［2］。如合肥寶能環(huán)球金融中心塔樓和深圳某300m超高層塔樓,均采用帶加強層的型鋼混凝土框架-核心筒-環(huán)帶桁架結(jié)構(gòu)體系［3-4］;季俊等［5］以武漢綠地中心塔樓為例,研究了一種異形環(huán)帶桁架結(jié)構(gòu)體系的抗震性能和節(jié)點設(shè)計;侯悅琪等［6］、Yahia Halabi等［7］對伸臂桁架體系的傳力路徑和性能水平進行了分析對比,為類似工程設(shè)計提供了可靠參考。

本項目塔樓計算嵌固端設(shè)在地下室頂板處(即首層樓面)。根據(jù)《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))規(guī)定,混合結(jié)構(gòu)在7度地震區(qū)最大適用高度為190m,而本項目結(jié)構(gòu)高度已超過規(guī)范限值,為高度超限結(jié)構(gòu)。為了滿足建筑造型和室內(nèi)空間的利用效率,外圍框架柱存在較多斜柱,以達到建筑外立面的“竹節(jié)形”效果要求。2層和3層的大堂樓板開有洞口,占樓板總面積的38.5%,造成了平面的不規(guī)則。同時,為了提高側(cè)向剛度,設(shè)置了三道環(huán)帶桁架和一道伸臂桁架。主塔樓結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土核心筒剪力墻抗震等級為特一級,外框鋼管混凝土柱抗震等級為一級,環(huán)帶桁架、伸臂桁架抗震等級為二級,外框鋼梁抗震等級為二級。

2.2 結(jié)構(gòu)布置

主塔樓的鋼筋混凝土核心筒是主要的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系,可以承受大部分風(fēng)荷載和地震作用,而外圍框架則按照相應(yīng)的比例承擔(dān)部分側(cè)向荷載,形成了雙重的抗側(cè)力體系。鋼筋混凝土核心筒采用鋼筋混凝土墻,其外墻厚度從下至上逐漸減小,從1 400mm減小到300mm。外圍框架柱采用圓形鋼管混凝土柱,其中X向柱距為10.5m,而Y向柱距則在13.99～15.39m之間。外圍框架柱角柱從下至上截面由φ2 150×36逐漸減小到φ800×20,外圍框架柱中柱則從下至上截面由φ1 700×26逐漸減小到φ750×16。鋼筋混凝土核心筒的混凝土強度等級從下至上由C60減小至C50。梁柱的鋼材材質(zhì)為Q355B。主塔樓標準層的結(jié)構(gòu)平面布置如圖3所示。

圖3 主塔樓標準層結(jié)構(gòu)平面布置圖

主塔樓鋼筋混凝土核心筒的X向高寬比為8.98,Y向為13.02。由于鋼筋混凝土核心筒在Y向上抗側(cè)剛度較弱,在37層到38層沿Y向設(shè)置了兩道高度為8.7m的斜腹桿伸臂桁架,并貫通核心筒,以提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度。同時,考慮到設(shè)置環(huán)帶桁架可以很好地調(diào)整帶伸臂桁架和不帶伸臂桁架相連的外圍框架柱的內(nèi)力和變形,使之形成一個均勻的外框架,同時減輕加強層上下樓板的翹曲影響,減小框筒結(jié)構(gòu)的剪力滯后,增加結(jié)構(gòu)的整體剛度。為此,在17～18層、37～38層和57～58層這些樓層分別設(shè)置了三道環(huán)帶桁架。加強層和底部折線柱布置如圖4、5所示。

圖5 底部折線柱

環(huán)帶桁架腹桿截面為H500×500×50×50,主要水平鋼梁截面為H850×500×30×50;伸臂桁架腹桿截面為□500×900×80×80,水平鋼梁截面為□500×900×40×60。桁架梁型鋼材質(zhì)均為Q390GJ,典型環(huán)帶桁架、伸臂桁架的布置如圖6、7所示。伸臂桁架桿件交匯處典型節(jié)點做法如圖8所示。

圖6 東西向環(huán)帶桁架布置示意圖(37～38層)

圖7 主塔樓伸臂桁架立面布置圖(37～38層)

圖8 伸臂桁架桿件交匯處典型節(jié)點做法

主塔樓的鋼筋混凝土核心筒區(qū)域范圍采用現(xiàn)澆的鋼筋混凝土樓板,而其余區(qū)域則采用鋼筋桁架樓承板。主塔樓的1～3層層高分別為5.04、4.99、4.94m,而其余標準層層高為4.4m。主要次梁截面高度為450mm。在設(shè)計時還考慮了混凝土翼緣板的有利作用,采用組合梁進行設(shè)計。外圍框架梁截面高度為900mm,與框架柱采用剛接連接;鋼筋混凝土核心筒X向主要連梁截面高度為800mm,Y向主要連梁截面高度為1 000～1 600mm。

3 地基基礎(chǔ)設(shè)計

根據(jù)地勘報告建議,本工程采用旋挖成孔灌注樁,樁徑為1.0m,樁身混凝土強度等級為C40。樁端持力層為3層中風(fēng)化鈣質(zhì)石英粉砂巖,屬于極軟巖［9］。有效樁長不小于47m,且進入持力層深度不小于2m(鋼筋混凝土核心筒區(qū)域樁基入巖深度不小于4m)。單樁豎向抗壓承載力特征值為9 000kN,筏板厚度為4.2m,地下室抗浮設(shè)計水位為室外地坪下0.5m?；A(chǔ)平面布置如圖9所示。

圖9 主塔樓基礎(chǔ)平面布置圖

沉降計算采用迭代計算方法(適用于樁筏筏板彈性地基梁),沉降經(jīng)驗系數(shù)按照《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)［10］第5.5.11條取值。承臺沉降計算采用Mindlin方法,同時考慮回彈再壓縮對沉降計算的影響?？紤]后澆帶的作用,塔樓單獨計算沉降。沉降云圖為“鍋底”形狀,最大計算沉降約為67mm。

4 超限判斷和抗震性能目標

4.1 超限情況判定

根據(jù)住建部《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點》(建質(zhì)﹝2015﹞67號)［11］的相關(guān)規(guī)定,本工程超限情況的判斷見表1。

表1 超限情況的判斷

4.2 抗震性能目標

根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力特點,本工程設(shè)定了結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防性能目標為C級。主塔樓結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震性能目標見表2。其中,關(guān)鍵構(gòu)件的定義范圍包括核心筒底部加強區(qū)(7層及以下),核心筒收進區(qū),環(huán)帶桁架、伸臂桁架及相鄰豎向構(gòu)件,高層懸挑梁;普通豎向構(gòu)件的定義范圍包括普通樓層的剪力墻和外圍框架柱;耗能構(gòu)件的定義范圍包括核心筒連梁和外圍框架梁。

表2 主塔樓結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震性能目標［9］

5 結(jié)構(gòu)抗震分析

5.1 小震計算

為了確保計算結(jié)果的準確性,本工程使用ETABS和YJK兩個軟件對多遇地震作用下的結(jié)構(gòu)進行了模擬,結(jié)果表明兩個軟件的計算結(jié)果較為吻合。ETABS分析的結(jié)構(gòu)第1～3階周期分別為6.58s(Y向平動)、6.38s(X向平動)、4.51s(扭轉(zhuǎn)),周期比為0.685,表明結(jié)構(gòu)具有足夠的抗扭剛度。圖10為結(jié)構(gòu)前三階振型。

綜合分析結(jié)果顯示,結(jié)構(gòu)的周期比、質(zhì)量參與系數(shù)、層間位移角、剛重比、剛度和承載力均符合《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011—2010)(2016年版)［1］(簡稱抗規(guī))抗規(guī)與高規(guī)要求,但是剪重比小于規(guī)范最小限值0.012,需要根據(jù)抗規(guī)與高規(guī)進行放大調(diào)整。兩種軟件計算結(jié)果顯示,在多遇地震和風(fēng)荷載作用下,樓層的層間位移角非常相似。其中,在伸臂桁架加強層處,層間位移角存在突變。根據(jù)YJK軟件分析結(jié)果,在多遇地震作用下,最大的層間位移角在X向為1/696,在Y向為1/637;在風(fēng)荷載作用下,最大的層間位移角在X向為1/1 111,在Y向為1/557。最大的層間位移角符合規(guī)范1/500的限值要求。這表明,結(jié)構(gòu)X向受地震作用控制,Y向受風(fēng)荷載控制。

另外,根據(jù)結(jié)果可知,在水平地震作用下,除伸臂桁架加強層和上下相鄰樓層外,樓層剪力主要由核心筒承擔(dān),外框架按剛度分配得到的地震剪力分擔(dān)比例在大部分樓層不小于8%,僅有個別樓層小于5%。

5.2 中震作用下構(gòu)件的驗算

在中震不屈服荷載組合下,主塔樓底部加強區(qū)剪力墻平均名義拉應(yīng)力與混凝土抗拉強度標準值ftk比值不大于2.0。核心筒內(nèi)的剪力墻除了在1～4層局部出現(xiàn)受拉情況(出現(xiàn)在核心筒的四個角部)外,其余部分均為受壓,沒有拉應(yīng)力。受拉部位拉應(yīng)力與混凝土抗拉強度標準值ftk比值的最大值為0.33,小于1.0。為提高核心筒筒體四個角部的抗拉能力并降低墻肢的軸壓比,在核心筒筒體的四個角部(從基礎(chǔ)頂部到5層結(jié)構(gòu)板面)設(shè)置型鋼,以達到提高結(jié)構(gòu)延性的目的。

計算結(jié)果表明,在中震作用下,核心筒的剪力墻均能夠滿足中震抗剪彈性要求。對位于加強層與伸臂桁架相連的剪力墻進行抗剪承載力驗算,結(jié)果發(fā)現(xiàn),能夠滿足既定的抗震性能目標。

5.3 結(jié)構(gòu)彈塑性分析

本工程使用PKPM-SAUSAGE軟件進行彈塑性時程分析。選取了2組天然波(L2628、L2605)和1組人工波(L750),計算主塔樓在各組地震波作用下的彈塑性基底剪力與層間位移角曲線,見表3與圖11。

表3 主塔樓各地震波作用下彈塑性基底剪力

圖11 層間位移角曲線

由表3可以得出,在地震波以X向和Y向為主軸方向時,通過彈塑性時程分析,結(jié)構(gòu)的底部剪重比為4.4%～5.8%,而X向和Y向的大震彈塑性基底剪力與小震振型分解反應(yīng)譜基底剪力之比為4.3～5.4。由圖11可以得出,主塔樓在各組地震波的作用下,其最大彈塑性層間位移角X向、Y向分別為1/128(59層)、1/114(59層),滿足規(guī)范限值1/100的要求。主塔樓的59層(環(huán)帶桁架上一層)出現(xiàn)了較為顯著的突變,因此需要在該層進行豎向構(gòu)件的加強處理。

根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能水平(圖12、13)可以看出,大部分墻體存在輕微到輕度損傷,其中核心筒筒體周邊較短的墻體和縮進處的墻體受損比例較高;與伸臂桁架直接相連的鋼板剪力墻墻體損傷程度得到控制。大部分連梁損傷程度為重度以上,表明在地震中,連梁是主要的耗能構(gòu)件;裙房和主塔樓的鋼管混凝土框架柱和柱頂存在輕微損傷。主塔樓底部的穿層柱和外框斜柱在相交處存在輕度損傷,因此對斜柱相交節(jié)點的構(gòu)造重點加強。41層核心筒筒體內(nèi)的三個外圍框架柱(墻上立柱)存在中度損傷,采取加大截面和配筋等措施進行加固;核心筒筒體內(nèi)鋼筋混凝土梁存在輕微到輕度損傷,說明鋼筋混凝土梁能夠很好地發(fā)揮耗能作用,而大部分核心筒筒體外的鋼梁處于無損傷狀態(tài),表明鋼梁在地震中基本上仍然保持彈性;伸臂桁架和環(huán)帶桁架在地震中均沒有受到損傷,保持彈性,滿足抗震性能化的要求;樓板的損傷主要集中在加強層和環(huán)帶桁架層,因此采取了加大板厚和加強配筋的措施。

圖12 核心筒、框架柱、樓面梁性能水平圖

圖13 樓板、伸臂桁架與環(huán)帶桁架性能水平圖

6 混凝土收縮徐變效應(yīng)影響分析

考慮配筋和荷載歷史對結(jié)構(gòu)變形的影響,采用ETABS軟件計算結(jié)構(gòu)的徐變與收縮。組合柱、非組合柱和墻的相對濕度假定為50%,鋼管混凝土柱的相對濕度假定為100%。荷載歷史從21d開始,施工速度為1層/7d;核心筒剪力墻的施工速度比鋼管混凝土柱快10層;組合樓面梁和樓板的施工速度比外框柱慢1層;環(huán)帶桁架和柱子同時安裝;附加恒載和幕墻荷載比樓面梁板慢25層;結(jié)構(gòu)封頂后安裝所有伸臂桁架斜腹桿;附加靜載和幕墻荷載施加完后,全樓施加25%的活荷載;最后伸臂桁架上下弦桿兩端剛接。經(jīng)過計算,主塔樓外圍框架柱和核心筒在10 000d后的總變形以及外圍框架柱與核心筒的變形差見圖14。由圖可得,外圍框架柱與核心筒最大變形差為35mm。

圖14 核心筒和外框柱變形及變形差

7 關(guān)鍵節(jié)點分析

外圍框架柱沿建筑外輪廓變化,在樓層處(尤其是在轉(zhuǎn)折點處)產(chǎn)生較大的拉力或壓力。為研究梁柱節(jié)點連接處受力情況,設(shè)定鉸接和剛接兩種連接模型進行對比。模型1采用鉸接模型,梁柱節(jié)點處僅腹板連接。模型2采用剛接模型,同時為保證拉力的傳遞,柱內(nèi)在中部與鋼梁腹板對應(yīng)的位置設(shè)置貫通節(jié)點的鋼拉板。在計算中,考慮了中震不屈服和風(fēng)荷載在梁上產(chǎn)生的軸力,其中以風(fēng)荷載產(chǎn)生的軸力為控制工況,南北兩側(cè)的中部梁柱轉(zhuǎn)折點處產(chǎn)生的最大軸向拉力為6 761kN,位于第9層。取用該位置的相關(guān)內(nèi)力進行分析,節(jié)點處應(yīng)力分布示意圖見圖15。

圖15 節(jié)點應(yīng)力分布示意圖

從圖15模型1的節(jié)點應(yīng)力分布來看,與腹板相連的鋼柱側(cè)壁局部發(fā)生屈服現(xiàn)象且范圍較大。而模型2的傳力較為理想,基本未發(fā)生屈服的現(xiàn)象,因此在設(shè)計中采用了模型2的構(gòu)造方法,見圖16。

圖16 柱轉(zhuǎn)折點處梁柱節(jié)點構(gòu)造

為保證拉力在剪力墻內(nèi)的傳遞,在鋼梁與核心筒的連接位置處預(yù)設(shè)鋼骨。而考慮到在柱折點處及其上下一層的拉力最大,這三層將鋼拉板在核心筒的內(nèi)貫穿(圖17)。而在其余樓層處,拉力逐層衰減。為了節(jié)省造價,在鋼拉板的位置用通長的抗拉鋼筋來替換,用受拉鋼筋來抵抗因柱傾斜而產(chǎn)生的拉力(圖18)。

圖17 核心筒與鋼拉板連接節(jié)點構(gòu)造

圖18 核心筒與抗拉鋼筋連接節(jié)點構(gòu)造

8 結(jié)論

(1)通過多種計算軟件對結(jié)構(gòu)進行彈性和彈塑性分析,驗證了該結(jié)構(gòu)符合規(guī)范要求,并滿足預(yù)先設(shè)定的抗震性能目標。

(2)主塔樓加強層位于37層到38層,在該樓層處沿Y向設(shè)置兩道貫通核心筒的伸臂桁架,可提高結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)剛度。在17～18層、37～38層和57～58層沿外框架設(shè)置三道環(huán)帶桁架,可以很好地協(xié)調(diào)外框架柱的內(nèi)力和變形,減輕核心筒的剪力滯后效應(yīng)。

(3)彈塑性時程分析結(jié)果顯示,大震作用下結(jié)構(gòu)層間位移滿足規(guī)范要求,大部分連梁損傷程度為重度以上且先于其他部位發(fā)生塑性損傷,實現(xiàn)了地震能量的耗散。

(4)斜柱相交處會產(chǎn)生較大的拉力或壓力。針對斜柱相交處的節(jié)點進行了有限元對比分析,證明了在柱內(nèi)設(shè)置鋼拉板與鋼梁腹連接的節(jié)點構(gòu)造形式是有效且可靠的。為了保證拉力在核心筒剪力墻內(nèi)的傳遞,針對不同樓層,提出了增設(shè)鋼拉板和增設(shè)附加抗拉鋼筋兩種連接節(jié)點構(gòu)造。