佛山中德工業(yè)服務(wù)區(qū)高技術(shù)服務(wù)平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

黃 長 木

(中國建筑上海設(shè)計研究院有限公司，上海 200063)

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佛山中德工業(yè)服務(wù)區(qū)高技術(shù)服務(wù)平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

黃 長 木

(中國建筑上海設(shè)計研究院有限公司，上海 200063)

結(jié)合佛山中德工業(yè)服務(wù)區(qū)高技術(shù)服務(wù)平臺建筑工程的具體情況,介紹了某結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，設(shè)計采用基于性能的抗震設(shè)計方法和合理化的結(jié)構(gòu)布置，充分發(fā)揮體系的抗側(cè)效率，底部采用鋼管混凝土柱提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系的延性，分析表明：該結(jié)構(gòu)體系各項(xiàng)相關(guān)參數(shù)滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)整體及構(gòu)件的抗震性能均能達(dá)到預(yù)期的性能目標(biāo)。

鋼筋混凝土框架—核心筒，連體結(jié)構(gòu)，超限高層，抗震設(shè)計

1 工程概況

佛山中德工業(yè)服務(wù)區(qū)高技術(shù)服務(wù)平臺位于佛山新城嶺南大道以東、君蘭路以南地塊。總用地面積約25 706.05 m2，建筑面積約20萬m2。甲級寫字樓，配套有商業(yè)和地下停車場。采用框架—核心筒結(jié)構(gòu)，按雙子星塔樓設(shè)計。地上41層、地下3層，地面以上總高度178.9 m。首層層高7 m，2層～5層層高5 m，其余樓層層高4.2 m。因功能需要，雙子樓在3層～5層裙房連為一體，形成連體結(jié)構(gòu)建筑效果圖見圖1，典型剖面圖見圖2。

2 設(shè)計參數(shù)

工程設(shè)計基準(zhǔn)期為50年，結(jié)構(gòu)安全等級為一級，抗震設(shè)防類別為乙類，設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度為0.1g，設(shè)計地震分組為第一組，場地類別為Ⅲ類。50年重現(xiàn)期基本風(fēng)壓為0.60 kN/m2，地面粗糙度為B類。

3 結(jié)構(gòu)體系

建筑平面尺寸為49.1 m×40.7 m，外框柱布置在42.0 m×33.6 m的軸網(wǎng)上，核心筒尺寸為25.4 m×15.0 m。建筑高寬比為3.76，核心筒高寬比為12。綜合考慮建筑功能以及經(jīng)濟(jì)性，采用鋼筋混凝土框架(鋼管柱)—核心筒體系。核心筒為主要抗側(cè)力構(gòu)件。底部加強(qiáng)區(qū)電梯筒內(nèi)隔墻采用鋼筋混凝土剪力墻，增強(qiáng)整體性同時減小周邊剪力墻的軸壓比，有利于延性發(fā)展。底部加強(qiáng)區(qū)以上減少不必要的中間墻，提高抗側(cè)效率的同時提升經(jīng)濟(jì)效益。外框架由18根框架柱及鋼筋混凝土框架梁組成，柱間距8.4 m。框架柱在28層以下采用鋼管混凝土柱，以減小柱截面并提高結(jié)構(gòu)抗震性能。3層及主樓標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置圖見圖3，典型構(gòu)件截面尺寸見表1。

裙房3層～5層將兩塔樓相連形成連體。由于建筑功能需要無法跨層設(shè)置轉(zhuǎn)換桁架，故將轉(zhuǎn)換構(gòu)件設(shè)置在3層樓面以下。擬采用梁式轉(zhuǎn)換或者桁架轉(zhuǎn)換(見圖4)。由于首層大堂挑空，2層樓板不連續(xù)，桁架下弦桿產(chǎn)生的水平力無法通過樓板有效的傳遞給核心筒，最終選用梁式轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換梁采用型鋼混凝土梁，梁高2 m，跨度25.8 m，向內(nèi)延伸一跨以平衡梁端彎矩，保證連體部分與主體結(jié)構(gòu)可靠連接，加強(qiáng)3層～6層樓蓋。

表1 典型構(gòu)件截面尺寸

構(gòu)件低區(qū)中區(qū)高區(qū)外框柱?1100×(32～24)?1000×(24～20)1.0m×1.0m1.0m×1.0m～0.8m×0.8m核心筒外墻0.6m～0.5m0.5m～0.4m0.4m～0.3m內(nèi)墻0.6m～0.5m,0.2m0.5m～0.4m,0.2m0.4m～0.3m,0.2m框架梁外圈400×700柱與筒體之間400×700樓板核心筒內(nèi)150,核心筒外110混凝土豎向構(gòu)件C60～C50C50～C40C40～C30水平構(gòu)件C30轉(zhuǎn)換構(gòu)件C60～C50C50～C40C40～C30

首層大堂及41層會所挑空，并形成躍層柱，樓板不連續(xù)。由于建筑40層～41層建筑外邊線往核心筒方向收進(jìn)約3 m，外框柱不連續(xù)，40層以上框架柱通過轉(zhuǎn)換構(gòu)件進(jìn)行局部轉(zhuǎn)換。

4 結(jié)構(gòu)超限情況

表2 結(jié)構(gòu)平面及豎向不規(guī)則判定

塔樓房屋高度178.9 m，高度超限，未超過B級高層最大適用高度180 m。主體結(jié)構(gòu)超限情況見表2，可以看出除結(jié)構(gòu)高度超限外，在平面及豎向布置存在多處不規(guī)則。

5 抗震性能目標(biāo)

根據(jù)表2中所示超限情況，結(jié)合結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)，提出整體結(jié)構(gòu)的抗震性能目標(biāo)為C，各關(guān)鍵構(gòu)件抗震性能目標(biāo)如表3所示。

表3 結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)

6 結(jié)構(gòu)計算與分析

6.1 結(jié)構(gòu)計算分析假定

主體結(jié)構(gòu)按彈性計算分析，地下室頂板嵌固。連體樓層、轉(zhuǎn)換層及樓板不連續(xù)樓層樓板采用彈性膜模擬。跨高比不大于2.5的連梁采用墻元模型，跨高比大于2.5連梁用桿元模型。計算分析軟件采用SATWE程序，并用Midas Building校核。

6.2 水平地震及風(fēng)荷載作用計算

地震作用采用考慮扭轉(zhuǎn)耦連振型分解法進(jìn)行計算，結(jié)構(gòu)前六階自振周期列于表4，前四階為平動振型，第五、六階為扭轉(zhuǎn)振型。在水平風(fēng)荷載與地震作用下，結(jié)構(gòu)計算指標(biāo)匯總見表5。從表4及表5中可以看出，結(jié)構(gòu)各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，SATWE與Midas Building結(jié)果接近，驗(yàn)證了計算的可靠性。

表4 自振周期

表5 結(jié)構(gòu)主要計算指標(biāo)

6.3 彈性時程分析

時程分析采用Ⅲ類場地一組人工波RH4TG045及兩組天然波TH2TG045，TH3TG045，根據(jù)安評報告加速度峰值取42.5gal。每條地震波計算底部剪力大于反應(yīng)譜法結(jié)果的65%，三條波底部剪力的平均值大于反應(yīng)譜法結(jié)果的80%，三條地震波的平均地震影響系數(shù)曲線與反應(yīng)譜所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計意義上相符，滿足規(guī)范要求。由彈性時程與反應(yīng)譜法計算結(jié)果對比見表6。從表中可以看出，彈性時程分析的層間位移角及基底剪重比均滿足規(guī)范限值。

表6 時程法結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)

7 設(shè)防烈度地震及大震作用下重要構(gòu)件補(bǔ)充分析

根據(jù)廣東DBJ 15—92—2013高規(guī)第3.11.3條，對中震作用下的重要構(gòu)件進(jìn)行分析，保證構(gòu)件抗震性能目標(biāo)。對連體層、轉(zhuǎn)換層及樓板不連續(xù)樓層樓板進(jìn)行中震作用下樓板應(yīng)力分析。

7.1 連體轉(zhuǎn)換構(gòu)件抗震承載力驗(yàn)算

型鋼混凝土轉(zhuǎn)換梁正截面抗彎及抗剪承載力按CECS 230∶2008高層建筑鋼—混凝土混合結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程6.3條計算，鋼管混凝土轉(zhuǎn)換柱的正截面承載力按CECS 28∶2012鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程式5.1.2計算，式中構(gòu)件承載力抗震調(diào)整系數(shù)取1.0，材料強(qiáng)度采用標(biāo)準(zhǔn)值。在中震及大震作用下內(nèi)力組合及截面承載力列于表7，計算結(jié)果表明：中震及大震作用下，轉(zhuǎn)換梁內(nèi)力組合值小于截面承載力，滿足既定的中震彈性、大震不屈服性能目標(biāo)。

表7 轉(zhuǎn)換梁中震及大震下截面承載力驗(yàn)算

轉(zhuǎn)換柱在中震及大震作用下內(nèi)力組合見表8，承載力M—N相關(guān)曲線見圖5，“▲”表示重力荷載代表值與中震作用下標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)力組合，“□”表示重力荷載代表值與大震作用下標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)力組合，從圖中可以看出，轉(zhuǎn)換柱N—M內(nèi)力值小于構(gòu)件截面承載能力，能滿足既定性能目標(biāo)。

表8 轉(zhuǎn)換柱各工況內(nèi)力組合值

7.2 底部加強(qiáng)區(qū)外筒剪力墻抗震承載力驗(yàn)算

底部加強(qiáng)區(qū)外筒剪力墻抗剪承載力按JGJ 3—2010高層混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程式7.2.10.2計算，式中構(gòu)件承載力抗震調(diào)整系數(shù)取1.0，材料強(qiáng)度采用標(biāo)準(zhǔn)值。底部加強(qiáng)區(qū)核心筒剪力墻編號見圖6，抗剪承載力驗(yàn)算見表9，可以看出，重力荷載代表值與地震作用下墻肢剪力組合值均小于墻肢抗剪承載力，滿足承載力要求。

7.3 設(shè)防烈度地震作用下樓板應(yīng)力

在小震作用下各樓層樓板的主拉應(yīng)力均未超過混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，保持彈性狀態(tài)。對關(guān)鍵部位樓板按彈性樓板進(jìn)行中震下應(yīng)力分析，樓板在核心筒角點(diǎn)處由于剛度較大產(chǎn)生應(yīng)力集中，造成應(yīng)力值較大，其余各處樓板最大主拉應(yīng)力為2.0 MPa，未超過混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，大部分樓板保持彈性。在大震作用下，樓板鋼筋不屈服。滿足設(shè)計的性能目標(biāo)。

表9 首層剪力墻抗剪承載力驗(yàn)算

墻編號重力荷載代表值作用下剪力墻剪力地震作用下剪力墻剪力/kN中震組合中震抗剪承載力大震組合大震抗剪截面中震大震VGEk+1.05V*EHk0.67VukVGEk+1.05V**Ek0.133fckbh0123915272.811462.57927.49448.814426.618126.622044.76201.413481.38556.1119861620023042.332150.2838718232.510956.511510.321294.322120.642568.45905.512838.18769.29448.816048.418126.65233.31676.13643.81993.245334059.28602.4626.86385.113880.66731.1921114601.417665.7

8 罕遇地震彈塑性分析

為考察結(jié)構(gòu)在大震作用下的抗震性能，采用PUSH&EPDA程序進(jìn)行靜力彈塑性分析。X,Y向需求譜曲線和能力譜曲線見圖7,圖8，X向和Y向性能點(diǎn)處最大層間位移角為1/150和1/184，均小于規(guī)范要求的1/100，結(jié)構(gòu)在大震作用下的變形滿足規(guī)范要求。

隨著水平推覆荷載的逐步施加，核心筒連梁先出現(xiàn)塑性鉸，連梁塑性鉸從下到上逐漸發(fā)展，到達(dá)性能點(diǎn)時，少量核心筒內(nèi)部

200厚剪力墻發(fā)生屈服，核心筒外墻未發(fā)生剪切破壞。外框架在達(dá)到性能點(diǎn)加載步之前未出現(xiàn)塑性鉸之后，下部外框架梁端先屈服產(chǎn)生塑性鉸，逐步往上發(fā)展，直到荷載步停止計算，框架柱未屈服。由此可見，結(jié)構(gòu)體系基本達(dá)到預(yù)期抗震性能要求。

9 連體部分舒適度驗(yàn)算

選取連體部分及相鄰一跨局部模型，兩側(cè)設(shè)置側(cè)向約束，柱底、柱頂設(shè)置鉸接，模擬連體邊界條件，進(jìn)行模態(tài)分析，前三階振動頻率分別為4.02 Hz,4.26 Hz,5.00 Hz，均為豎向振動。從計算結(jié)果可看出，連體部分第一階豎向振動頻率滿足規(guī)范大于3 Hz要求。

10 結(jié)構(gòu)抗震加強(qiáng)措施

通過對結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面的分析，結(jié)合概念設(shè)計及規(guī)范要求，對結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位采取以下加強(qiáng)措施：1)底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻抗震等級為特一級，嚴(yán)格控制軸壓比。首層剪力墻水平和豎向分布筋配筋率不小于0.6%。2層～6層剪力墻分布筋配筋率不小于0.4%，全高范圍設(shè)置約束邊緣構(gòu)件，提高約束邊緣構(gòu)件配筋率。2)2層、41層樓板不連續(xù)，按照彈性樓板計算，2層樓板板厚加強(qiáng)到150 mm，41層板厚加強(qiáng)到130 mm，雙層雙向配筋，最小配筋率不小于0.25%。3)連體結(jié)構(gòu)與主體剛接連接，采用型鋼混凝土梁托柱形式，型鋼梁伸入主體一跨，轉(zhuǎn)換柱采用鋼管混凝土柱。連體樓層樓板厚度取150 mm，雙層雙向配筋，屋面層及轉(zhuǎn)換層樓板配筋率不小于0.3%，其他層不小于0.25%。4)越層柱的計算長度應(yīng)逐個核實(shí)，采用彈性樓板計算。提高躍層柱配筋率，從嚴(yán)控制軸壓比。5)提高40層轉(zhuǎn)換構(gòu)件縱筋及箍筋配筋率，轉(zhuǎn)換柱設(shè)置型鋼，提高其抗震性能。

11 結(jié)語

1)對于帶連體的不規(guī)則超限高層，結(jié)構(gòu)計算采用兩種不同力學(xué)模型的三維程序SATWE和Midas Building進(jìn)行整體計算。結(jié)果表明，在多遇地震及風(fēng)荷載作用下，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

2)中震及大震作用下，驗(yàn)算關(guān)鍵構(gòu)件截面承載力，滿足規(guī)范要求，實(shí)現(xiàn)既定性能目標(biāo)。

3)通過靜力推覆分析驗(yàn)算結(jié)構(gòu)在大震下的變形能力及塑性鉸發(fā)展，可以確定結(jié)構(gòu)體系基本能夠達(dá)到預(yù)期的抗震性能要求。

4)對連體部分進(jìn)行舒適度驗(yàn)算，滿足舒適度要求。

5)在分析計算基礎(chǔ)上，結(jié)構(gòu)設(shè)計中采取了相應(yīng)的抗震加強(qiáng)措施。可為今后同類結(jié)構(gòu)參考和借鑒。

[1]GB 50011—2012，建筑抗震設(shè)計規(guī)范.

[2]JGJ 3—2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程.

[3]CECS 230∶2008，高層建筑鋼—混凝土混合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程.

[4]CECS 28∶2012，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程.

[5]DBJ 15—92—2013,高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程.

Structure design of Foshan sino-german high-tech industrial service platform

Huang Changmu

(ChinaShanghaiArchitecturalDesign&ResearchInstituteCo.,Ltd,Shanghai200063,China)

Combining with specific high-tech service region conditions of Foshan sino-german industrial service region, the paper introduces its structural design scheme, rational structural layout, anti-lateral efficiency and steel reinforced concrete ductility by applying steel-tube concrete column in the bottom. Analysis results show that: the structural system parameters meet demands, and integral structural seismic performance achieves expected functional ejects.

steel reinforced concrete frame-core tube, continuous structure, super high-rise building, seismic design

1009-6825(2015)18-0031-03

2015-04-16

黃長木(1982- )，男，工程師，一級注冊結(jié)構(gòu)工程師

TU318

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