國(guó)泰君安金融中心結(jié)構(gòu)超限設(shè)計(jì)

唐偉偉

(東南大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210000)

1 工程概況

國(guó)泰君安金融中心工程位于南京市河西新城區(qū)雨潤(rùn)大街和廬山路交匯處。其中A樓地上29層，建筑高度約129.80 m；B樓地上24層，建筑高度約95.80 m；C樓地上6層，建筑高度約24.0 m。地下設(shè)置兩層滿堂地下室。工程總建筑面積約123 565 m2。根據(jù)建筑設(shè)計(jì)的平面布局，A樓、B樓、C樓各自獨(dú)立，本文主要展示A樓的結(jié)構(gòu)超限設(shè)計(jì)情況[1]。

2 設(shè)計(jì)條件

本工程建筑場(chǎng)地土類別為Ⅲ類，場(chǎng)地特征周期為0.45 s。抗震設(shè)防烈度為7度，地震分組為第一組，基本地震加速度為0.10g。場(chǎng)地分布有11 m～16 m厚的淤泥質(zhì)軟土層，本場(chǎng)地為建筑抗震不利地段。

依據(jù)《抗震規(guī)范》[2]，本規(guī)程的小震設(shè)計(jì)地震峰值加速度為35 gal，小震水平地震影響系數(shù)最大值取為0.08，場(chǎng)地特征周期按《勘察報(bào)告》取為0.45 s，時(shí)程分析用地震加速度時(shí)程的最大值取35 gal；中震水平地震影響系數(shù)最大值取為0.23，場(chǎng)地特征周期按《抗震規(guī)范》取為0.45 s，時(shí)程分析用地震加速度時(shí)程的最大值取100 gal；大震水平地震影響系數(shù)最大值取為0.50，場(chǎng)地特征周期為0.50 s，時(shí)程分析用地震加速度時(shí)程的最大值取220 gal。

按《荷載規(guī)范》附錄E的規(guī)定，南京市50 a基本風(fēng)壓為0.40 kN/m2，地面粗糙度按C類考慮，承載力設(shè)計(jì)時(shí)按基本風(fēng)壓1.1倍采用。50 a一遇的基本雪壓為0.65 kN/m2。

在進(jìn)行多遇地震時(shí)程分析時(shí)，從附近地震波庫(kù)中根據(jù)類似工程特點(diǎn)選擇了四組多遇地震和罕遇地震記錄。其中三組6條為天然地震波記錄，一組2條為人工合成地震波，詳見表1。

表1 時(shí)程分析選用地震波表

3 結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)及超限應(yīng)對(duì)措施

3.1 結(jié)構(gòu)體系布置

A樓結(jié)構(gòu)高度為129.80 m，地上29層；出屋面塔樓1層。本工程平面呈矩形，長(zhǎng)度為68.1 m，寬度為28.2 m，長(zhǎng)寬比2.4，高寬比4.6；根據(jù)建筑平面布置及功能要求，結(jié)構(gòu)體系采用鋼筋混凝土框架-剪力墻，根據(jù)JGJ 3表3.3.1-2，屬于B級(jí)高度的高層建筑。剪力墻集中布置在結(jié)構(gòu)兩端，基本對(duì)稱。

為了在北側(cè)1層大廳形成大空間，其中有2根框架柱不落地，形成了轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換層位于結(jié)構(gòu)的2層，標(biāo)高9.850 m。

1層南北側(cè)入口大廳居中的5跨柱網(wǎng)范圍通高2層，致使夾層樓板的尺寸變化劇烈，有效樓板寬度小于該層樓板典型寬度的50%。為了突出主入口的效果，建筑立面上做了凹入式的處理，形成了南側(cè)4根、北側(cè)2根穿2層的柱子，這些柱子僅單方向(X向)與樓面以框架梁連接，另一個(gè)方向(Y向)柱間無(wú)聯(lián)系，導(dǎo)致水平力作用下的長(zhǎng)短柱共用。

根據(jù)JGJ 3表3.9.4，B級(jí)高度框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)：框架一級(jí),剪力墻一級(jí)，局部轉(zhuǎn)換梁、框支柱的抗震等級(jí)為特一級(jí)。

3.2 結(jié)構(gòu)超限情況判定

根據(jù)住建部2015年5月21日建質(zhì)[2015]67號(hào)文“超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)”，依據(jù)“要點(diǎn)”中附錄表2～4的規(guī)定逐項(xiàng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)規(guī)則性的判別[3]。

本工程為B級(jí)高度鋼筋混凝土高層建筑，夾層大部分樓板缺失，樓板不連續(xù)，同時(shí)2根柱在2層轉(zhuǎn)換，所以本工程具有結(jié)構(gòu)不規(guī)則項(xiàng)為2項(xiàng)，需采取相應(yīng)的抗震加強(qiáng)措施。

3.3 結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)主體結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)，針對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件擬定具體的性能設(shè)計(jì)要求如表2所示。

表2 構(gòu)件的性能設(shè)計(jì)目標(biāo)

3.4 主要抗震措施

1)結(jié)合樓梯間和外墻設(shè)置了抗震墻，且基本對(duì)稱，減小偏心率，提高了結(jié)構(gòu)的抗扭性能。有效地減小結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)位移比，將其控制在1.2的范圍內(nèi)，避免成為扭轉(zhuǎn)不規(guī)則結(jié)構(gòu)。

2)本工程為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，框架和剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)均為一級(jí)，局部轉(zhuǎn)換梁、框支柱的抗震等級(jí)為特一級(jí)。同時(shí)復(fù)核剪力墻在中震條件下是否出現(xiàn)墻肢拉應(yīng)力超過(guò)ftk的情況，如出現(xiàn)則將剪力墻抗震等級(jí)提高到特一級(jí)并配置型鋼承擔(dān)拉力。同時(shí)剪力墻底部加強(qiáng)區(qū)的縱筋按中震不屈服驗(yàn)算結(jié)果配筋，水平鋼筋按中震彈性驗(yàn)算結(jié)果配筋。

3)本工程夾層位于轉(zhuǎn)換層下1層，夾層樓板具有大開洞及局部不連續(xù)的情況。針對(duì)此情況，本層樓板全部采用220 mm厚板，同時(shí)配置了不少于0.25%的雙層雙向通長(zhǎng)鋼筋網(wǎng)。并且夾層按計(jì)入1層模型計(jì)算和夾層不計(jì)入模型計(jì)算，得到的兩個(gè)結(jié)果進(jìn)行配筋包絡(luò)設(shè)計(jì)。由于開洞造成的穿層柱，進(jìn)行有針對(duì)性的加強(qiáng)。

4)2層的轉(zhuǎn)換構(gòu)件是整體結(jié)構(gòu)中的極其重要的組成部分，轉(zhuǎn)換梁及框支柱的抗震等級(jí)提高到特一級(jí)。轉(zhuǎn)換梁、框支柱及被轉(zhuǎn)換框柱的首層全部采用型鋼混凝土。剪力墻底部加強(qiáng)區(qū)延伸至轉(zhuǎn)換層上兩層，約束邊緣構(gòu)件延伸至5層(標(biāo)高23.000 m)。同時(shí)轉(zhuǎn)換層及上下各一層的樓板全部采用220 mm厚板，同時(shí)配置了不少于0.25%的雙層雙向通長(zhǎng)鋼筋網(wǎng)，以確保地震剪力在相應(yīng)樓層內(nèi)的有效傳遞。

5)本工程由于存在轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，盡管在7度區(qū)，仍然考慮了豎向地震作用。因此，本工程在所有地震作用分析階段全部包含了豎向地震作用組合，截面抗震驗(yàn)算的組合方法全部符合《抗震規(guī)范》第5.4.1條的規(guī)定。

6)通過(guò)本工程在中震作用下的分析，證明本結(jié)構(gòu)體系是合理的。在中震來(lái)襲時(shí)，其主要構(gòu)件均具有足夠的安全儲(chǔ)備，在罕遇地震的作用下，結(jié)構(gòu)的變形也滿足規(guī)范的要求。

4 多遇地震作用下彈性分析

結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下的響應(yīng)，采用振型分解反應(yīng)譜方法，輔以時(shí)程分析方法進(jìn)行校核。

由盈建科和PKPM計(jì)算出的最大層間位移和最大層間位移角等分析結(jié)果都比較接近，地震作用及風(fēng)荷載作用下最大扭轉(zhuǎn)位移比均小于1.2，為扭轉(zhuǎn)規(guī)則結(jié)構(gòu)。

根據(jù)前文選定的地震波數(shù)據(jù)，分別進(jìn)行了三向地震激勵(lì)的時(shí)程分析，重點(diǎn)考察地震波選擇的合適性。每條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力和平均值均滿足抗震規(guī)范限值的要求。

各條時(shí)程曲線分析得出的最大層間位移平均值小于1/800，滿足GB 50011第5.5.1條的要求。各樓層反應(yīng)譜分析的層間位移能夠完全包絡(luò)各條波時(shí)程分析的層間位移平均值(見圖1)。

5 設(shè)防烈度地震反應(yīng)譜分析

為滿足結(jié)構(gòu)在設(shè)防烈度地震作用下的性能目標(biāo)，利用SATWE軟件采用中震反應(yīng)譜方法進(jìn)行彈性計(jì)算，針對(duì)具體構(gòu)件的性能化要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

對(duì)底部墻肢進(jìn)行中震下的應(yīng)力復(fù)核，部分剪力墻體的墻肢在中震下出現(xiàn)拉應(yīng)力，且最大拉應(yīng)力為5.66 MPa，超過(guò)了混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。依據(jù)超限高層抗震專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)的第十二條第四款的要求，對(duì)出現(xiàn)小偏心受拉的構(gòu)件采用特一級(jí)構(gòu)造，并配置型鋼承擔(dān)全部拉力。按彈性模量換算考慮型鋼的作用后，所有墻肢中最大的名義拉應(yīng)力為5.16 MPa<2ftk。

按照表2對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能化設(shè)計(jì)要求，底部加強(qiáng)區(qū)墻肢的正截面承載力均應(yīng)滿足中震不屈服的要求，底部加強(qiáng)部位的墻肢正截面按中震不屈服設(shè)計(jì)的縱筋配筋，實(shí)際配置的縱筋能夠滿足中震不屈服要求。

底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻的受剪承載力均滿足中震彈性的要求，設(shè)置的水平抗剪鋼筋滿足中震彈性的要求。

6 罕遇地震作用下的彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析

采用SAUSAGE軟件進(jìn)行彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析，觀察結(jié)構(gòu)彈塑性位移以及結(jié)構(gòu)損傷的情況。

6.1 結(jié)構(gòu)位移

1)在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)X向最大頂點(diǎn)位移為527 mm，Y向位移為431 mm，主體結(jié)構(gòu)未見倒塌，滿足“大震不倒”的性能化要求。

2)主體結(jié)構(gòu)X向最大彈塑性層間位移角為1/181，Y向?yàn)?/132，滿足1/100的規(guī)范限值要求。

3)彈塑性分析結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)的層間位移角曲線總體較光滑。

6.2 結(jié)構(gòu)損傷情況

選取結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)最大的工況，展示該工況下結(jié)構(gòu)損傷情況(見圖2)。

結(jié)構(gòu)損傷情況匯總?cè)缦拢?/p>

1)由于本工程剪力墻布置較為集中，設(shè)置合理的剪力墻連梁，連梁在大震作用下?lián)p傷，耗能效果明顯，從而保護(hù)了主體抗震墻肢，大部分主體抗震墻未出現(xiàn)重大的損傷。

2)大震作用下，僅個(gè)別框架柱和框架梁出現(xiàn)輕微的受損，大部分框架柱和框架梁仍處于彈性狀態(tài)；抗震墻進(jìn)入塑性后框架可以起到二道防線的作用。

3)屋頂層的剪力墻附近的角部樓板區(qū)域由于應(yīng)力集中出現(xiàn)局部比較嚴(yán)重受壓損傷外，其余為輕微損傷，不會(huì)影響地震力的傳遞，總體上可定義為輕度損壞，設(shè)計(jì)時(shí)可考慮針對(duì)性地予以配筋加強(qiáng)。

本工程結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，能夠達(dá)到大震作用下的抗震性能要求。

7 轉(zhuǎn)換構(gòu)件設(shè)計(jì)

根據(jù)前文確定的構(gòu)件性能目標(biāo)，轉(zhuǎn)換構(gòu)件(轉(zhuǎn)換梁及框支柱)應(yīng)滿足中震彈性的要求。轉(zhuǎn)換構(gòu)件的抗震等級(jí)均為特一級(jí)。轉(zhuǎn)換梁及框支柱的布置，見圖3。

轉(zhuǎn)換梁及框支柱構(gòu)件截面如表3所示。

表3 轉(zhuǎn)換梁及框支柱截面表 mm

轉(zhuǎn)換構(gòu)件全部按中震彈性的配筋結(jié)果進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)，按長(zhǎng)期荷載效應(yīng)考慮，轉(zhuǎn)換梁的撓度為1/835，遠(yuǎn)小于規(guī)范對(duì)撓度有較高要求的限值1/400，且在模型計(jì)算時(shí)考慮了按模擬施工3加荷計(jì)算，充分考慮了豎向變形對(duì)轉(zhuǎn)換梁及框支柱受力的影響。

同時(shí)考察罕遇地震作用下的轉(zhuǎn)換構(gòu)件以及相關(guān)構(gòu)件的受損情況，如圖4所示。

如圖4所示，轉(zhuǎn)換梁部分區(qū)域損傷因子大于0.1，最大的小于0.2，但其分布范圍小于10%，剪力墻內(nèi)埋置的鋼骨均未發(fā)生塑性應(yīng)變，綜合考慮可以認(rèn)為轉(zhuǎn)換梁為輕度損傷。框支柱仍處于彈性范圍，在大震作用下的承載力仍有較大富余。

8 結(jié)語(yǔ)

本工程A樓為B級(jí)高度帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑，由于兩翼布置的剪力墻基本對(duì)稱，形成扭轉(zhuǎn)規(guī)則的框架剪力墻結(jié)構(gòu)。通過(guò)進(jìn)行多遇地震、設(shè)防地震、罕遇地震條件下結(jié)構(gòu)分析計(jì)算，采取了多個(gè)有針對(duì)性的抗震加強(qiáng)措施，實(shí)現(xiàn)了抗震性能化設(shè)計(jì)目標(biāo)。對(duì)采用型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)進(jìn)行重點(diǎn)分析，滿足中震彈性的同時(shí)，罕遇地震作用下轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)僅有輕微受損。