現代國際復雜超限高層結構設計研究

黃卓 魏厚波 張濤

1 工程概況

現代國際是集辦公和商業一體的綜合性建筑。建筑平面標準層主樓外形尺寸44.2m×38.8m,總建筑面積7萬m2。工程地上 33層,地下3層。結構總高度地面以上 189.20m。在第 6層,通過桁架轉換將上部外框密柱轉換為落地疏柱。

2 結構體系

2.1 主體結構

主體結構上部塔樓采用筒中筒結構,下部采用框架—核心筒結構。樓蓋采用混凝土現澆樓蓋。核心筒采用鋼筋混凝土結構。外框柱轉換層以下采用型鋼混凝土柱,轉換層以上采用鋼筋混凝土結構。

2.2 轉換層結構布置

在 15層～33層樓層層高均為 6.6m,從 7層以上外框架柱為密柱布置,在第 6層,通過桁架轉換將上部外框密柱轉換為落地疏柱。外框柱轉換層以下采用型鋼混凝土柱,轉換層以上采用鋼筋混凝土結構。東西方向桁架定義為桁架 A,南北方向桁架定義為桁架B。桁架下弦采用型鋼混凝土梁,截面為 1 200×1 000,桁架上弦和斜腹桿均為混凝土結構,上弦桿截面為 1 100×800,B桁架中間跨腹桿截面為 1 000×1 100,其余均為 900×900。轉換層及轉換層上層樓板厚度200mm。

3 結構整體計算結果及分析

小震和中震結構設計采用了SATWE和ETABS兩個軟件進行計算。分別采用多遇地震和抗震設防烈度(中震)地震下振型分解反應譜法和多遇地震下彈性時程法進行了詳細的計算分析。

3.1 多遇地震下振型分解反應譜法分析計算

多遇地震下兩個程序結果相近,各項指標滿足規范要求。結構前三周期分別為4.50 s,3.31 s和1.99 s,結構在地震作用下最大層間位移角為1/829,在風荷載作用下的最大層間位移角為 1/795。

樓層剛度比計算采用層間剪力比層間位移算法,桁架轉換層位于第 6層,轉換層下部結構起止層號為 1層～6層,高度 25.80m,轉換層下部結構起止層號為 7層～12層,高度 24.20m。

根據文獻[1]建議,由于剪切剛度比定義不適用于桁架式轉換層上下剛度比的計算,可以以轉換層上下層側移剛度比γ′描述轉換層剛度比的變化。根據定義,轉換層上層與轉換層側移剛度比γ′X向為0.76,Y向為0.82。轉換層與轉換層下層側移剛度比γ′X向為 1.36,Y向為 1.22。轉換層及其下層樓層抗剪承載力滿足不小于相鄰上層的 80%的規定。桁架轉換相對其他轉換形式具有沿高抗側剛度突變小的優點。

3.2 抗震設防烈度(中震)地震作用下分析計算

本工程在中震下的抗震性能目標為:地震后結構的薄弱部位和重要部位的構件輕微損壞,出現輕微裂縫,其他部位有部分選定的具有延性的構件中等損壞,出現明顯的裂縫,進入屈服階段,需要修理并采取一些安全措施才可繼續使用。按此要求,結構在抗震設防烈度地震作用下,薄弱部位或重要部位構件不屈服,即不考慮內力調整的地震力作用效應和抗震承載力按強度標準值時計算滿足要求。

為了比較中震和多遇地震下的構件配筋情況,選取了轉換層及有代表性的樓層進行了構件配筋比較,根據中震分析得出以下結論:

1)框架柱在中震作用下配筋均不大于多遇地震作用下的配筋。表明框架柱在多遇地震作用下按規范進行構造與配筋,能夠承受中震作用下地震作用。

2)結構框架梁在中震作用下,轉換層以上大部分邊框梁的抗剪抗彎配筋較多遇地震作用下的配筋有所增加,約增大 20%～40%,但未屈服,也未超過一級抗震框架梁的構造配筋。

3)在中震作用下,核心筒剪力墻底部水平分布筋和墻肢暗柱縱筋底略有增加。

4)核心筒剪力墻連梁,在中震作用下,抗剪抗彎配筋普遍增加,局部已屈服。

5)轉換桁架。桁架斜壓桿在中震作用下所需配筋略大于多遇地震作用下的配筋,桁架上下弦梁配筋有所增加。

4 轉換層結構分析與設計

4.1 轉換桁架內力分析

表1為SATWE和ETABS軟件計算的桿件內力。

表1 桁架計算內力

桁架弦桿除B桁架跨中段外在大多數荷載組合下軸力均為拉力。桁架最大拉力出現在B桁架跨中下弦桿(3 786 kN),且梁端彎矩較大(1 047 kN?m)。

4.2 轉換桁架設計

桁架設計采用SATWE和ETABS計算結果中的不利結果進行配筋。弦桿支座處根據組合設計值按偏心受拉構件進行計算,按標準組合值計算裂縫,裂縫控制不大于 0.3mm,其余部位按軸心受拉進行計算,裂縫控制不大于 0.1mm。為了減小桁架局部應力集中和加強節點,在弦桿、斜桿和柱相交處加腋。設計時,下弦桿軸力均考慮由型鋼承擔,彎矩由梁的面筋和底筋承擔。桁架下弦采用型鋼(H 600×600×20×20),型鋼應力比控制在 0.7以內。轉換層上層為了滿足“強邊柱弱中柱”原則和控制柱壓比,中柱截面為 1 000×950,邊柱截面為 1 000×1 350,并在邊柱中加芯柱予以加強。

4.3 轉換層及其上層板分析設計

為了找出樓板的最大應力分布,在各種工況下進行了樓板有限元分析并進行了對比。根據樓板有限元分析結果,轉換層及其上層樓板除了豎向樓面荷載引起的彎矩外,靠近桁架弦桿的板沿弦桿軸向的軸力均較大,這部分軸力是由轉換桁架傳遞到板上的。其中A桁架下弦桿內側一跨板(3.6 m)最大軸向拉力為1 154 kN,上弦桿內側一跨板(3.7m)最大軸向拉力為1 039 kN;B桁架下弦內側一跨板(2.6m)最大軸向拉力為1 517 kN,上弦桿內側一跨板(2.7m)最大軸向拉力為952 kN。

除了傳遞豎向樓面荷載外,轉換層樓板要完成上下層剪力的重分配,傳遞較大的水平力。轉換層及其上層樓板厚 200mm,雙層雙向配筋 φ10/12-150,在核心筒四周一跨加強板筋φ12-150,而由桁架傳遞到樓板的拉應力隨著離弦桿的距離增加而衰減很快。計算表明,6倍板厚以外區域板拉應力已小于混凝土抗拉強度設計值,根據這種應力的大小分布規律加強了沿弦桿周圍的板筋,在弦桿周圍根據不同拉力大小布置不同配筋的板帶暗梁。板帶暗梁根據有限元分析板的應力,并按軸心受拉梁計算裂縫寬度控制在0.2mm以內進行設計。板帶寬度為 6倍板厚(1 200mm)。為增加桁架及與其相連板的抗裂性,轉換桁架及內側一跨板采用添加化學纖維混凝土。

5 結語

經過對整體結構及桁架轉換層的詳細分析,工程采用桁架轉換具有傳力明確,傳力路徑清楚,結構剛度、質量變化較均勻,不會帶來太大剛度突變且具有較好的經濟性等優點。

[1] 唐興榮.高層建筑轉換層結構設計與施工[M].北京:建筑工業出版社,2002.

[2] 魏 璉,王 森.論高層建筑結構層間位移角限值的控制[J].建筑結構,2006(S6):17-18.

[3] 徐培福.復雜高層建筑結構設計[M].北京:建筑工業出版社,2005.

[4] 徐培福.超限高層建筑結構基于性能抗震設計的研究[J].土木工程學報,2005(1):20-22.