某工程辦公樓結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

馬悅，廖昉，梁濤，曹復(fù)興

（中機(jī)中聯(lián)工程有限公司，重慶 400039）

1 工程概況

仙桃國際數(shù)據(jù)谷位于重慶渝北區(qū)悅來國際商務(wù)區(qū)，近鄰國博中心、江北機(jī)場和水土云計算中心，區(qū)位優(yōu)勢卓越。該工程為重慶市仙桃數(shù)據(jù)谷項目的12#樓辦公樓項目，包括地下車庫和地上塔樓。該工程的建筑外觀如圖1所示。

圖1 建筑外觀示意圖

該地區(qū)設(shè)防烈度為6度，設(shè)計地震分組為第一組，場地類別為Ⅲ類。該工程中具有一個300座的公用空間，根據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》第6.0.4條及其條文說明，該工程中所具有的公共活動空間未達(dá)到總計1200座、最大單場計容不小于500座的標(biāo)準(zhǔn)，不屬于應(yīng)按重點設(shè)防類（簡稱乙類）進(jìn)行設(shè)計的分類范疇。該工程應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類（丙類）設(shè)計，結(jié)構(gòu)的安全等級為二級，結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50年。該工程設(shè)防烈度為6度，地震加速度為0.05g，各構(gòu)件抗震等級按6度確定。該工程結(jié)構(gòu)為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)嵌固為基礎(chǔ)頂部，豎向構(gòu)件采用全現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架柱及剪力墻，所用的建筑材料為鋼筋混凝土。結(jié)構(gòu)右側(cè)與11#樓結(jié)構(gòu)單元的車庫相鄰，其余三側(cè)為既有道路。該工程左側(cè)與道路標(biāo)高相適應(yīng)，上側(cè)與下側(cè)需設(shè)計臨時邊坡支護(hù)措施，以與主體結(jié)構(gòu)相連的混凝土擋墻為永久擋土措施。工程結(jié)構(gòu)A塔17層，總高度為70.5m；結(jié)構(gòu)B塔19層，總高度為78.3m。結(jié)構(gòu)A塔地上部分結(jié)構(gòu)高度為60.9m，結(jié)構(gòu)剖面如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)剖面布置圖

為簡化結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，該工程以主體及外延多跨車庫與相鄰工程及大型車庫脫開，形成獨立的結(jié)構(gòu)單元。結(jié)構(gòu)縫的設(shè)置如圖3所示。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

2.1 結(jié)構(gòu)布置

因為建筑使用功能需要，在裙房層設(shè)計有展覽廳、多功能廳等建筑用房。裙房層的樓板存在較大面積的開洞，裙房層樓板不連續(xù)，凹凸不規(guī)則且存在穿層柱。裙房層平面布置圖如圖4所示。

圖3 仙桃數(shù)據(jù)谷12#樓與相鄰建筑及大型車庫位置關(guān)系示意圖

圖4 裙房首層頂板平面布置圖

此外，因為塔樓平面圖形布置原因，結(jié)構(gòu)存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。塔A及塔B的平面布置如圖5所示。

圖5 塔樓平面布置圖

根據(jù)相關(guān)條文，該工程應(yīng)認(rèn)定屬于平面、立面均不規(guī)則的結(jié)構(gòu)。

2.2 關(guān)鍵構(gòu)件

該工程的使用功能為辦公樓，綜合考慮抗震設(shè)防類別、設(shè)防烈度、場地條件等因素，根據(jù)相關(guān)條文規(guī)定，結(jié)合建造費用、震后損失和修復(fù)難易程度等因素，確定該工程抗震性能目標(biāo)為D級。

經(jīng)過分析，應(yīng)確定該工程第一層至第四層裙房周邊框架柱、第三層裙房層外延一跨部分的框架柱、底部加強(qiáng)區(qū)及其上一層剪力墻、塔樓角柱和穿層柱為關(guān)鍵構(gòu)件（圖6）。

圖6 部分關(guān)鍵構(gòu)件示意圖

此外，裙房首層頂板的開洞區(qū)域、裙房二層頂板處豎向收進(jìn)部位應(yīng)認(rèn)定為薄弱部位，應(yīng)對相關(guān)的梁、板采取有效的加強(qiáng)措施。

根據(jù)上述分析，結(jié)合現(xiàn)有的一些研究的結(jié)構(gòu)分析思路和方法[1-3]，該工程在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)注意加強(qiáng)關(guān)鍵構(gòu)件的抗震性能，提高薄弱部位的可靠性。

2.3 結(jié)構(gòu)計算

2.3.1 多遇地震和設(shè)防地震計算

該工程分別建立了單塔A、單塔B和多塔模型、采用YJK與PMSAP進(jìn)行了結(jié)構(gòu)驗算并比較了相關(guān)計算結(jié)果。

其中，兩種計算軟件對比的部分計算結(jié)果如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)位移角和位移比統(tǒng)計表

從計算結(jié)果可以看出，結(jié)構(gòu)位移角小于規(guī)范限值1/800；最大層間位移比為1.48，根據(jù)分析，該極值僅位于裙房層挑出部分角部，除該部位以外的其他裙房、塔樓等處的最大層間位移比能夠控制在1.20左右，表明結(jié)構(gòu)具有足夠的抗扭剛度。

2.3.2 斜向地震驗算

因結(jié)構(gòu)第三層與第四層部分梁的方向與X軸及Y軸的法向量存在一定的交角，同時塔樓的不規(guī)則形狀與X軸及Y軸的法向量存在一定的交角，故補(bǔ)充斜向地震的影響分析，附加不利地震交角的確定如圖7所示。

圖7 斜向地震角度取值示意圖

以該工程裙房層為例，分析斜向地震對結(jié)構(gòu)計算結(jié)果的影響（表2）。

表2 裙房頂層位移角及位移比變化統(tǒng)計表

裙房層位移角及位移比變化統(tǒng)計的柱狀圖如圖8所示。

圖8 指標(biāo)對比柱狀圖

分析表明，在附加地震影響下結(jié)構(gòu)的位移角及位移比指標(biāo)沒有明顯增幅，結(jié)構(gòu)設(shè)計時考慮附加斜向地震的作用，其不利附加角度為13度及其相應(yīng)的軸對稱角度。

2.3.3 補(bǔ)充時程分析

該工程選取了五條天然波和兩條人工波組成的七條地震波進(jìn)行補(bǔ)充時程分析（表3—表6）。

表3 底部剪力時程分析比較結(jié)果（一）

表4 底部剪力時程分析比較結(jié)果（二）

表5 傾覆彎矩時程分析比較結(jié)果（一）

表6 傾覆彎矩時程分析比較結(jié)果（二）

比較上表中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)譜分析與時程分析所得到的頂層層間位移角規(guī)律相似，取值相近。在該工程中，應(yīng)采用的CQC方法全樓地震剪力放大系數(shù)為1.08，經(jīng)過放大后的CQC方法結(jié)果能夠包絡(luò)彈性時程方法結(jié)果的多條地震波的平均值曲線。

2.3.4 罕遇地震性能評估

該工程利用EPDA&PUSH、SAUSAGE和YJK進(jìn)行了罕遇地震作用下的結(jié)構(gòu)性能評估。

由EPDA&PUSH得到的X向和Y向的推覆性能點如圖9所示。

圖9 X向、Y向推覆性能點

從上圖中可以看到，在罕遇地震X向推覆作用力的影響下，結(jié)構(gòu)性能點處的X方向的最大層間位移角為1/682，結(jié)構(gòu)性能點處的Y方向的最大層間位移角為1/521，結(jié)構(gòu)性能點處的X方向頂點位移為89.5mm，結(jié)構(gòu)性能點處的Y方向頂點位移為121.5mm，滿足規(guī)范的規(guī)定。

X向和Y向推覆過程中，隨著增量步數(shù)增加到設(shè)防地震對應(yīng)的性能步數(shù)時，部分梁柱出現(xiàn)塑性鉸，但塑性鉸發(fā)展情況不明顯，未出現(xiàn)嚴(yán)重破壞的情況。隨著增量步數(shù)增加到罕遇地震對應(yīng)的性能步數(shù)時，梁柱塑性鉸繼續(xù)發(fā)展，但仍然未出現(xiàn)嚴(yán)重破壞。在達(dá)到罕遇地震性能點后繼續(xù)加載，相關(guān)的塑性鉸繼續(xù)增多，位移荷載曲線繼續(xù)增加，說明結(jié)構(gòu)在達(dá)到大震性能點后還有較大安全儲備。

以SAUSAGE進(jìn)行結(jié)構(gòu)動力彈塑性時程分析，所得到位移角曲線如圖10所示。

從SAUSAGE的結(jié)果可以看到，結(jié)構(gòu)的最大層間位移角為1/336，小于0.9[θp]的塑性限值。

我們青少年是祖國的未來和希望，作為一名新時代的青年要有自己的信仰和人生追求，要深入地學(xué)習(xí)黨在不同時期的指導(dǎo)思想的內(nèi)涵，并結(jié)合當(dāng)前中國共產(chǎn)黨黨建工作指導(dǎo)自己與時俱進(jìn)，讓先進(jìn)的思想引領(lǐng)我們的學(xué)習(xí)和成長，這樣我們才能夠成為社會主義建設(shè)合格的接班人。

圖10 結(jié)構(gòu)動力彈塑性時程分析的指標(biāo)結(jié)果

該工程以YJK軟件進(jìn)行了構(gòu)件損傷分析，YJK軟件以損傷因子的形式描述了結(jié)構(gòu)抗震性能的量化指標(biāo)。分析表明，結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)墻元未出現(xiàn)退出工作，桿元未出現(xiàn)重度損傷。部分剪力墻及連梁的損傷因子示意如11圖所示。

從圖中可以看出，結(jié)構(gòu)第八層塔A的左上角柱的混凝土進(jìn)入中度損傷，兩個墻體單元進(jìn)入中度損傷。應(yīng)對上述結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行加強(qiáng)。部分連梁進(jìn)入中度損傷，連梁的損傷情況符合性能水準(zhǔn)要求。同時也可以看到，裙房層第三層部分框架梁進(jìn)入中度損傷，考慮到此層為結(jié)構(gòu)薄弱層，應(yīng)采取增大梁截面、提高配筋率等針對性設(shè)計措施。

通過大震彈塑性的分析及采取的相應(yīng)措施，可以認(rèn)為罕遇地震作用下的結(jié)構(gòu)各項控制指標(biāo)均滿足“性能水準(zhǔn)5”的抗震性能目標(biāo)。

圖11 局部剪力墻及連梁損傷因子示意圖

2.3.5 P-M曲線驗算

在性能目標(biāo)的設(shè)計要求中，對結(jié)構(gòu)框架柱提出了相應(yīng)的設(shè)防地震作用下彈性、罕遇地震作用下不屈服要求。結(jié)構(gòu)應(yīng)按照設(shè)防地震作用下彈性、罕遇地震作用下不屈服的要求進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)正截面承載力驗算。

在性能目標(biāo)的設(shè)計要求中，對結(jié)構(gòu)框架柱提出了相應(yīng)的設(shè)防地震作用下彈性、罕遇地震作用下不屈服要求。結(jié)構(gòu)應(yīng)按照設(shè)防地震作用下彈性、罕遇地震作用下不屈服的要求進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)正截面承載力驗算。

構(gòu)件的P-M曲線有多種驗算方法。該工程以XTRACT、ETABS、和YJK分別對典型的800mm方形截面驗算了P-M曲線，分析截面和所得到的分析結(jié)果如圖12、圖13所示。

圖12 三種軟件的驗算截面

圖13 三種軟件的驗算結(jié)果

以結(jié)構(gòu)穿層柱為例，用YJK所得到的P-M曲線如圖14所示。

圖14 計算軟件YJK結(jié)構(gòu)分析截面及驗算結(jié)果

從圖中可以看到，各點均處于外圈包絡(luò)曲線以內(nèi)，P-M曲線的包絡(luò)情況良好，表明框架柱在指定地震作用下，處于性能設(shè)計要求的限值以內(nèi)。

3 風(fēng)荷載補(bǔ)充分析

因該工程相鄰的11#樓也為超限結(jié)構(gòu)，且頂部有較大面積的鋼結(jié)構(gòu)桁架頂棚。為確認(rèn)12#樓是否對11#樓產(chǎn)生不利風(fēng)荷載，以Transition SST模型，根據(jù)顧磊、張默、黃瀅等[4-6]的應(yīng)用經(jīng)驗，利用ANSYS-FLUENT分析了兩處結(jié)構(gòu)之間風(fēng)荷載的影響。

對于復(fù)雜建筑模型在FLUENT中的實現(xiàn)是一個難題。該工程首先通過曲面處理軟件對建筑模型進(jìn)行處理，然后將模型導(dǎo)入CAD中。再將CAD中的模型以SAT格式輸出，在ANSYS的STRUCTURAL/FLOTRAN中讀入后，進(jìn)行模型的布爾剪切運算和粘結(jié)，并對網(wǎng)格進(jìn)行劃分。然后，在ANSYS的WORKBENCH中進(jìn)行模型轉(zhuǎn)換，并輸入到FLUENT中進(jìn)行運算。

計算模型采用速度進(jìn)口邊界條件velocity-inlet和壓強(qiáng)出口邊界條件，風(fēng)場為B類風(fēng)場。通過定義腳本文件并在FLUNET中讀入，即可實現(xiàn)隨高度變化的入射風(fēng)場。

經(jīng)過計算所得到的分析結(jié)果云圖如圖15所示。

從圖中可以看出，12#樓的風(fēng)荷載不對11#樓的屋面層部位產(chǎn)生明顯的不利影響。

4 結(jié)論及建議

（1）通過確定關(guān)鍵構(gòu)件，及分析薄弱部位，可以有效地采取針對性的設(shè)計措施，從而提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。

（2）該工程中，通過提高相關(guān)柱的豎向構(gòu)件配筋率、提高相關(guān)柱的體積配箍率、控制柱箍筋間距、柱箍筋在薄弱層全柱段加密設(shè)置和控制軸壓比等技術(shù)措施，可以有效提高框架柱的抗震能力。

圖15 12#樓對11#樓風(fēng)荷載影響分析云圖

（3）該工程中，通過控制墻肢在重力荷載代表值作用下的軸壓比、增大剪力墻厚度、提高剪力墻的邊緣構(gòu)件配筋率、增大配箍特征值、提高剪力墻的豎向分布筋和水平分布筋配筋率等技術(shù)措施，有效地提高了剪力墻的抗震能力。

（4）該工程中，通過增大樓板厚度、提高樓板混凝土強(qiáng)度、配筋以雙層雙向布置、提高配筋率、洞口附近相關(guān)框架梁控制截面高度最小值、增大縱筋配筋率及箍筋全長加密設(shè)置等技術(shù)措施，有效地提高了薄弱部位的抗震能力。

（5）相鄰建筑之間風(fēng)荷載的影響是一個復(fù)雜的課題，借助ANSYS-FLUENT及湍流模型求解風(fēng)荷載的作用，能夠得到具有足夠參考意義的結(jié)果。

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