闞建忠, 王賢亮, 趙國興, 干 鋼

(浙江大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州 310028)

1 工程概況

浙江建設(shè)科技研發(fā)中心位于浙江省杭州市文二路8號,處于與莫干山路交匯處西北方向,東鄰莫干山路,南接文二路,西鄰省新華書店,北鄰瑞祺大廈。項(xiàng)目總用地面積10 894m2,總建筑面積54 727 m2,建筑面積其中含地下建筑面積17 688 m2。地面以上新建33 837 m2,保留建筑面積3 202m2。

本工程地下3層,主要用途為停車庫及設(shè)備用房,地上由15層的塔樓及8層裙樓組成,以辦公、科研用房為主。建筑總高度55.6m。主樓和裙樓之間不設(shè)縫。主樓1層層高4.6m,2層層高4.0m,3～15層層高均為3.6m;裙樓1層層高4.6m,2層層高4.0m,3～8層層高均為3.6m。建筑物的效果圖如圖1所示。

圖1 建筑效果圖

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年,建筑結(jié)構(gòu)的安全等級為二級,地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級為甲級,建筑樁基設(shè)計(jì)等級為甲級?；撅L(fēng)壓:根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012),杭州市基本風(fēng)壓取0.45kN/m2(房屋高度小于60m)。地面粗糙度按C類考慮［1］?？拐鹪O(shè)防烈度為6度,設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05g,設(shè)計(jì)地震分組為第一組,場地類別為Ⅲ類,特征周期為0.45s［2］。根據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50223—2008),本工程抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類。本工程按6度抗震設(shè)防設(shè)計(jì)。多遇地震和罕遇地震作用下計(jì)算水平地震影響系數(shù)最大值分別取0.04、0.28［2］。

2 結(jié)構(gòu)體系及布置

本工程上部結(jié)構(gòu)采用全現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。樓蓋為控制凈高采用450×500框架扁梁和200mm厚大板。剪力墻主要在左右兩個(gè)樓電梯間集中設(shè)置。場地地下室滿鋪,地下室3層,地下室底板標(biāo)高-13.250m,采用了“兩墻合一”的地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)上部主體和地下室基本柱網(wǎng)尺寸為8.52m×8.52m。左右兩個(gè)主樓之間由6層的連接體相連,跨度20.56m,連接體與兩側(cè)主體之間剛接。典型結(jié)構(gòu)平面圖如圖2所示。

圖2 典型結(jié)構(gòu)平面圖

上部連體結(jié)構(gòu)及兩端各一跨框架,其框架抗震等級三級［3］。其余部分框架抗震等級四級,剪力墻抗震等級三級;地下室在主樓以外部分采用全現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系。地下1層框架抗震等級三級,剪力墻抗震等級三級,地下2層及以下框架及剪力墻抗震等級均為四級［2］。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重點(diǎn)解決了以下問題:1)連接體的選型比較;2)超限結(jié)構(gòu)的性能化設(shè)計(jì);3)樓蓋舒適度分析。

3.1 連體結(jié)構(gòu)的選型比較

連體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是本工程重點(diǎn)考慮的內(nèi)容,連體結(jié)構(gòu)建成的工程實(shí)例較多,如:深圳灣創(chuàng)新科技中心［4］,徐州生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)園孵化中心［5］,南京新城大廈二期［6］,紅山新城6#樓［7］等,大部分采用鋼桁架的結(jié)構(gòu)形式。而對連體部分的不同結(jié)構(gòu)形式的比較分析表明,根據(jù)跨度、建筑條件不同,空腹桁架、鋼/型鋼混凝土梁也同樣是可行的［6-8］。

本工程根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況及要求,在結(jié)構(gòu)平面的兩側(cè)主樓采用位置基本對稱的剪力墻作為主要抗側(cè)力構(gòu)件,并在連體兩側(cè)設(shè)置型鋼柱加強(qiáng),采取了強(qiáng)連接的形式。初步設(shè)計(jì)階段的連體結(jié)構(gòu)方案1在3層采用鋼桁架轉(zhuǎn)換,其上為鋼框架結(jié)構(gòu),如圖3所示。

圖3 連體結(jié)構(gòu)方案1模型

方案1在擴(kuò)初階段編制了超限審查報(bào)告并順利通過審查,但位于3層的鋼桁架兩側(cè)斜腹桿影響了建筑大開間的室內(nèi)效果,因此嘗試另外尋找合適的解決辦法。連體處樓層的層高只有3.6m,其跨度為20.56m。為平衡樓層凈高與室內(nèi)通透視覺效果,經(jīng)綜合考慮采取了方案2,即連體每層設(shè)置型鋼混凝土框架梁的方式,如圖4所示。主框架梁截面600×800(型鋼H600×400×24/30),跨高比達(dá)1/25.7。

圖4 連體結(jié)構(gòu)方案2模型

經(jīng)計(jì)算分析比較,方案2整體受力性能略優(yōu)于方案1,見表1。且由于取消了鋼桁架轉(zhuǎn)換層,在結(jié)構(gòu)豎向規(guī)則性方面方案2也比方案1更有優(yōu)勢。

表1 方案1、2彈塑性時(shí)程分析結(jié)果

3.2 結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計(jì)

3.2.1 結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)

根據(jù)本工程的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),確定抗震設(shè)計(jì)性能目標(biāo)如表2所示。

表2 構(gòu)件抗震設(shè)計(jì)性能目標(biāo)

3.2.2 計(jì)算分析控制

(1)小震彈性設(shè)計(jì)。在小震(多遇地震)作用下,全部結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài),構(gòu)件承載力和變形滿足規(guī)范要求。根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)第5.1.12條的要求,采用SATWE、PMSAP、MIDAS三種三維空間分析軟件進(jìn)行不同力學(xué)模型的整體內(nèi)力及位移計(jì)算?？拐鸱治鰰r(shí)考慮了扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)效應(yīng)、偶然偏心及雙向地震效應(yīng),以及調(diào)整地震作用最大的方向進(jìn)行計(jì)算分析。抗震計(jì)算時(shí)除對結(jié)構(gòu)進(jìn)行反應(yīng)譜分析外,還根據(jù)場地的地震波對結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇地震下的彈性時(shí)程分析［3］。結(jié)構(gòu)層間位移角、扭轉(zhuǎn)位移比滿足規(guī)范要求。框架柱軸壓比控制在0.85以下,型鋼混凝土柱軸壓比控制在0.5以下,剪力墻軸壓比控制在0.5以下。

(2)主樓剪力墻底部加強(qiáng)區(qū)及型鋼混凝土框架部分按中震彈性設(shè)計(jì)。

(3)采用Paco_SAP軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震下的彈塑性動力時(shí)程分析,檢驗(yàn)在罕遇地震作用下的結(jié)構(gòu)性能,對計(jì)算模型中的薄弱部位調(diào)整加強(qiáng),以確保主要部位不屈服,使結(jié)構(gòu)的塑性變形滿足規(guī)范限值要求。剪力墻滿足受剪截面控制條件,避免構(gòu)件出現(xiàn)中等程度以上的破壞。

(4)調(diào)整構(gòu)件截面尺寸及混凝土強(qiáng)度等級沿高度均勻變化,使得各層的側(cè)向剛度都不小于相鄰上部樓層側(cè)向剛度的70%或其上相鄰的三層側(cè)向剛度平均值的80%［9］。

(5)控制各樓層抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的層間受剪承載力不小于其上一層受剪承載力的80%。

(6)進(jìn)行框架總剪力的調(diào)整,將地震剪力乘以對應(yīng)的調(diào)整系數(shù),保證框架部分地震剪力的分擔(dān)率不小于結(jié)構(gòu)底部總剪力的20%與任何一層框架部分地震總剪力最大值的1.5倍的較小值,確保框架能夠成為抗震設(shè)防的第二道防線［3］。

(7)對連體部分的樓蓋采用彈性樓板進(jìn)行計(jì)算［9］。

3.2.3 計(jì)算分析及結(jié)果比較

(1)小震作用下的反應(yīng)譜分析

小震下PMSAP、SATWE、MIDAS軟件振型分解反應(yīng)譜法分析主要結(jié)果比較見表3。

從表3可以看出,結(jié)構(gòu)的整體抗側(cè)剛度、扭轉(zhuǎn)剛度較好,周期比、層間位移角、位移比以及剪重比、墻柱軸壓比等均滿足規(guī)范相應(yīng)限值的規(guī)定。

(2)中震作用下的抗震分析

主體結(jié)構(gòu)采用PMSAP軟件進(jìn)行中震作用下的抗震分析,以驗(yàn)算主樓關(guān)鍵構(gòu)件(底部加強(qiáng)部位剪力墻及框架柱,中間大跨度型鋼混凝土框架)滿足中震性能設(shè)計(jì)的要求。中震作用下水平地震影響系數(shù)αmax為0.12,主樓結(jié)構(gòu)計(jì)算阻尼比0.05,周期折減系數(shù)取0.80。

采用平扭耦聯(lián)模式的振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行中震作用下結(jié)構(gòu)整體分析,考慮結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng),計(jì)算振型數(shù)取21個(gè),控制振型參與質(zhì)量與總質(zhì)量之比大于95%以上［3］。本工程底部加強(qiáng)部位剪力墻和框架柱及中間型鋼混凝土部分按中震彈性分析;其余部分按中震不屈服分析,并與小震下結(jié)構(gòu)振型分解反應(yīng)譜法分析結(jié)果相比較,兩者取大值進(jìn)行設(shè)計(jì)。中震下振型分解反應(yīng)譜法抗震分析主要結(jié)果如下:

1)中震彈性計(jì)算下的基底剪力、剪重比和位移見表4。

表4 中震彈性結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果

2)中震彈性計(jì)算下的抗傾覆力矩及與傾覆力矩的比值見表5。

表5 中震彈性計(jì)算下的抗傾覆力矩與傾覆力矩的比值

3)小震彈性與中震不屈服PMSAP的計(jì)算結(jié)果對比見表6。

表6 小震彈性與中震不屈服計(jì)算結(jié)果對比

經(jīng)驗(yàn)算,底部加強(qiáng)部位剪力墻和主樓框架柱及中部型鋼混凝土框架均處于中震彈性狀態(tài);其余部位處于中震不屈服狀態(tài)。中震計(jì)算下,底部加強(qiáng)部位塔樓墻、柱的PMSAP軟件配筋結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

(3)大震下的結(jié)構(gòu)極限承載能力復(fù)核及彈塑性分析

對大震作用下的水平地震影響系數(shù)最大值取0.7的折減系數(shù),αmax為0.20,PMSAP軟件按大震不屈服計(jì)算。計(jì)算結(jié)果顯示,底部加強(qiáng)部位剪力墻滿足斜截面抗剪,底部框架柱及中部型鋼混凝土框架滿足大震不屈服的性能要求。彈塑性動力時(shí)程分析采用Paco_SAP來完成。

時(shí)程分析所用地震加速度時(shí)程曲線主方向有效峰值取為125cm/s2,次方向有效峰值取為106cm/s2。地震波作用下框架梁柱鉸的狀態(tài)及墻鉸狀態(tài)見圖5、6。

圖5 梁柱鉸狀態(tài)

圖6 墻鉸狀態(tài)

根據(jù)彈塑性計(jì)算分析,結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下最大的層間位移角為1/281,滿足規(guī)范小于1/100的要求,保證了“大震不倒”的抗震設(shè)防要求［3］。

在大震下框架柱柱腳未出現(xiàn)屈服;剪力墻出現(xiàn)少量輕度損傷,部分剪力墻連梁及部分框架梁屈服。因此主體結(jié)構(gòu)呈“梁鉸破壞”,滿足“強(qiáng)柱弱梁”的延性設(shè)計(jì)要求。

3.2.4 抗震控制和加強(qiáng)措施

(1)控制豎向構(gòu)件的軸壓比。框架柱軸壓比在0.85及以下,型鋼混凝土柱軸壓比在0.5以下,剪力墻軸壓比在0.5以下。根據(jù)目前的計(jì)算結(jié)果,框架柱軸壓比最大值為0.85,型鋼柱軸壓比最大值為0.45,剪力墻軸壓比最大值為0.44。

(2)為了保證結(jié)構(gòu)重要部分構(gòu)件在地震作用下的安全性,連體結(jié)構(gòu)部分框架即型鋼混凝土框架部分抗震等級取為三級,并保證中震彈性。

(3)樓面結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì):樓面采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板;對裙房部分凹凸不規(guī)則樓板,采用彈性樓板計(jì)算,結(jié)合樓板分析,適當(dāng)加強(qiáng)板厚,板厚不小于120mm,并配以雙層雙向鋼筋;連接體樓板厚度取150mm,雙層雙向配筋,配筋率≥0.25%［9］。

(4)加強(qiáng)裙房頂板上下層即8、9兩層豎向構(gòu)件配筋,且控制框架柱軸壓比在0.8以下,并加強(qiáng)這兩層樓板剛度,板厚≥150mm,配以雙層雙向配筋。

(5)對剪力墻底部加強(qiáng)區(qū)部分的配筋適當(dāng)增加。

3.3 樓蓋舒適度分析

由于連體結(jié)構(gòu)所在的平面位置,其使用功能為辦公空間,因此對舒適度存在較高的要求。根據(jù)《建筑樓蓋結(jié)構(gòu)振動舒適度技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 441—2019),以行走激勵為主的樓蓋結(jié)構(gòu),第一階豎向自振頻率不宜低于3Hz,其豎向振動峰值加速度限值應(yīng)小于0.05 m/s2［10］。本工程人行移動荷載根據(jù)平面情況位于中間通道位置,如圖7所示。

采用YJK軟件計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)第一階自振頻率為4.3Hz≥3.0Hz(頻率限值)。樓板加速度包絡(luò)結(jié)果如圖8所示,加速度最大節(jié)點(diǎn)的加速度時(shí)程曲線如圖9所示。最大節(jié)點(diǎn)的Z向振動峰值加速度為0.047m/s2<0.05m/s2,滿足規(guī)范要求。

圖8 峰值加速度包絡(luò)圖/(m/s2)

圖9 加速度最大節(jié)點(diǎn)的加速度時(shí)程曲線

4 結(jié)論

根據(jù)對浙江建設(shè)科技研發(fā)中心連體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析,得出如下結(jié)論:

(1)當(dāng)兩側(cè)采用基本對稱布置的鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu),整體結(jié)構(gòu)具有較好的兩道抗震防線時(shí),多層的連體結(jié)構(gòu)適合采用強(qiáng)連接的方式。本工程根據(jù)建筑要求對連接體的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了方案調(diào)整,由下部鋼桁架、上部鋼框架的形式改為單跨型鋼混凝土梁結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)整體受力性能更好,建筑和結(jié)構(gòu)都更加有利。

(2)對高層超限連體結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性能化設(shè)計(jì)是十分必要的,通過線彈性分析、彈性時(shí)程分析、彈塑性分析及構(gòu)件的驗(yàn)算,以及采取相應(yīng)的控制和加強(qiáng)措施,可以使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足既定的抗震性能目標(biāo)。

(3)大跨連體結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)其平面建筑使用功能考慮舒適度要求,人行移動荷載對應(yīng)布置于平面最不利位置,其第一階豎向自振頻率和振動峰值加速度值均應(yīng)滿足規(guī)范要求。