首航國際大廈結構設計探析

王 康

(廈門合立道工程設計集團股份有限公司 福建廈門 361009)

0 引言

復雜超高層建筑，其結構復雜程度及類型各有不同，結構設計需要做出系統、全面分析。采用合適的計算軟件及方法，模擬整體結構在各種作用及荷載下的真實受力情況及反應特征，找到薄弱部位，對分析結果進行判斷、對比、研究，根據重要性程度及破壞程度對關鍵及薄弱部位進行重點加強。

對復雜建筑在施工過程中存在的重點及難點進行預判，當施工方案對主體結構相互關聯時，應密切關注并提出相應的控制建議。

1 工程概況

本項目位于廈門市觀音山商務運營中心環島干道東側。項目總用地面積5048.681 m2，總建筑面積46 675.43 m2，地上總建筑面積31 560.63 m2。地下4層，建筑面積15 114.80 m2。地上塔樓26層，建筑主屋面高度165.570 m，建筑女兒墻(幕墻)頂高度179.570 m。上部建筑標準層層高5.0 m，底部1層及2層層高分別18.0 m及14.0 m，頂層層高為12.0 m。建筑效果及剖面圖如圖1～圖2所示。

圖1 3D效果 圖2 建筑立面、剖面圖

本工程抗震設防類別為標準設防類[1]，建筑結構安全等級為二級，設計使用年限50年。所在地區的抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度0.15 g，設計地震分組第三組，場地類別為Ⅱ類。

阻尼比按材料占比由軟件自動統計，其中，鋼材4%，鋼筋混凝土5%，框架及核心筒抗震等級均為一級。

2 設計重點及難點

鑒于項目自身特性，結構設計重點及難點如下：

(1)基底之下持力層揭露為中(微)風化花

崗巖層，項目采用筏板基礎，塔樓與裙房之間是否存在變形差異產生的附加應力；如何合理確定超高層筏板的厚度。

(2)如何進行合理的抗震性能化設計。

(3)如何通過模擬分析找到結構構件的損傷部位及損傷情況，并進行針對性的加強。

(4)對于大跨度部位，如何通過計算模擬，分析人員正常使用時的舒適性能。

(5)對于高位大懸挑結構，在施工安裝階段的設計控制要點。

3 結構設計

3.1 結構體系

主體建筑結構采用框架-核心筒體系，框架柱內設置十字鋼骨，2層、3層設有大跨度空間(跨度為23.3 m～27.2 m)，大懸挑部位為3層屋面外側(11.850 m～18.950 m)、6層(12.050 m)、24層(18.550 m)。樓層結構布置簡圖列舉如圖3～圖5所示。

圖3 結構3D模型 圖5 24層結構布置圖

-1F與1F側向剛度比大于2.0，依據《高層建筑混凝土結構技術規程》[2]第5.3.7條相關規定，上部結構嵌固端取在頂板標高。

3.2 基礎設計

本工程基底以下揭露為中(微)風化花崗巖層，天然地基承載力特征值3000 kPa～4500 kPa。基礎形式采用筏板基礎+抗拔錨桿，其中塔樓范圍筏板厚度3.0 m，其余部位筏板厚度1.0 m，局部沖剪不足處設置下柱墩。

基礎計算采用PKPM系列軟件JCCAD有限元分析模塊，筏板混凝土強度等級為C40。塔樓筏板厚度由內部核心筒沖切承載力及外圍框架柱部位的沖切、剪切承載力控制，厚度取3.0 m，基礎埋置深度為20.1 m，大于11.1 m(H/15)，滿足要求。

基礎中(微)風化巖層為較硬～堅硬巖石，參照JCCAD使用手冊附錄“基床反力系數K的推薦值”，基床反力系數范圍取6×105kN/m3～15×106kN/m3，本工程巖層基床反力系數趨于高值。分別取該范圍高低邊界參數進行計算，塔樓筏板基底反力及變形分析結果，如圖6～圖7所示。

K=6×105 (Max:1420 kPa) K=15×106 (Max:3090 kPa)

K=6×105 (Max:2.36mm) K=15×106 (Max:0.26mm)

兩種極限狀態下，塔樓范圍基底反力均滿足承載力需求，沉降變形均較小。基于此分析結果，可得出塔樓與裙樓筏板基礎基本無沉降差異的結論，可不考慮由此產生的附加應力。但構造上，應在塔樓較厚筏板與裙樓較薄筏板間，設置溫度后澆帶，并于交界部位薄板上設置加腋。

塔樓筏板厚度3.0 m，內筒沖切安全系數約為4.0，剪切安全系數約為2.5，外圍框架柱沖切安全系數最小值約為1.1，剪切安全系數約為2.0。在塔樓筏板內沿著框架柱設置整圈閉合暗梁，截面2000×3000，將外圍框架柱連接起來，同時在暗梁內按計算配置抗彎及抗剪鋼筋，優化柱底內力的傳力途徑，盡量將外圈框架柱由點式傳力向線式傳力方式轉換，提高外圍框架柱部位的沖剪安全富余度。

3.3 抗震性能設計

依據《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》[3]《建筑抗震設計規范》[4]及《高層建筑混凝土結構技術規程》[2]，結合項目平立面特點及計算分析結果，本項目超限情況如表1所示。

為確保建筑結構的安全、經濟、適用，超限高層建筑除了按照現行規范進行常規設計之外，另依據《高層建筑混凝土結構技術規程》[2]第3.11章節及《建筑抗震設計規范》[4]附錄M，采用基于性能的抗震設計方法，制定性能目標為C級，本項目抗震性能目標設定如表2所示。

對于超限單體，針對具體構件設定性能目標的量化指標，如表3所示。

表1 超限情況

表2 抗震性能目標(C級)

表3 塔樓性能設計量化指標

3.4 針對超限情況，結合分析數據，提出進一步加強措施

(1)性能目標：底部加強部位豎向結構構件、 穿層柱及支撐大跨度(大懸挑)桁架的框架柱正截面承載力按中震不屈服、斜截面承載力按中震彈性復核；豎向結構構件應滿足大震作用下的受剪截面控制條件。

(2)中震和按1.0恒±1.0風組合計算出現拉應力的混凝土豎向結構構件應采用特一級構造。中震時雙向水平地震作用下，及按1.0恒±1.0風組合計算的混凝土豎向結構構件全截面，由軸向力產生的平均名義拉應力超過混凝土抗拉強度標準值時，應設置型鋼承擔拉力，型鋼采用Q345B且其拉應力不應大于200 MPa。

(3)支撐桁架的剪力墻端部應加設型鋼，①軸 “L”型剪力墻端部應設置型鋼。

(4)開大洞的樓板應進行有限元應力分析及采取加強措施，按多遇地震作用下樓板的拉應力不大于混凝土抗拉強度標準值、中震作用下樓板鋼筋的拉應力不大于鋼筋抗拉強度設計值進行復核。

(5)應采取措施避免桁架下弦水平力對框架柱產生不利影響。

(6)外挑桁架應考慮向上風荷載不利作用，并采用時程法復核豎向地震作用。

(7)桁架應采取措施，保證下弦的平面外穩定。多遇地震作用下主要構件應力比宜不大于0.7。

4 罕遇地震作用下結構動力彈塑性時程分析

對于復雜程度較高的建筑，需觀察在罕遇地震下的結構宏觀變形程度，以及構件應力和損傷情況，找到并分析受力復雜或關鍵部位構件的受力特征，進一步采取必要的加強措施。本項目使用廣州建研數力建筑科技有限公司開發的新一代“GPU+CPU”高性能結構動力彈塑性計算軟件PKPM-SAUSAGE(PKPM Seismic Analysis Usage)[5]，采用基于顯式積分的動力彈塑性分析方法，準確模擬梁、柱、支撐、剪力墻(混凝土剪力墻和帶鋼板剪力墻)和樓板等結構構件的非線性性能，實現既定目標。

本工程大震彈塑性分析選用與多遇地震分析一致的五組天然波和兩組人工波，地震波形舉例示意,如圖8所示。

(a)USA00114(天然波) (b)人工波1

4.1 基分析本結果

各組地震波均按地震主方向為X向和Y向分別計算，主體結構在各組地震波作用下的最大彈塑性層間位移角：X向為1/141(28層)，Y向為1/129(6層)，均小于1/100的規范限值要求，具體分析結果在此不做詳細介紹。

4.2 結構損傷情況

通過分析對比并進行綜合評價，在七組地震波中，人工波1的Y主方向下的結構損傷程度相對較大(其他條規律基本一致且數值差距不大)，在此不做詳細介紹，僅列舉代表性分析結果，如圖9～圖10所示。

圖9 柱、墻損傷舉例示意

圖10 梁、板損傷舉例示意

4.3 罕遇地震作用下結構動力彈塑性時程分析結論

(1)在各組地震波作用下，主體結構的最大彈塑性層間位移角小于1/100的規范限值。

(2)框架柱出現少數混凝土中度受壓損傷，混凝土框架梁的梁端也出現混凝土中度受壓損傷。但其鋼筋塑性應變很小，整體框架的抗震性能良好。

(3)剪力墻的損傷主要集中在連梁，充分發揮了耗能作用，剪力墻邊緣構件鋼筋塑性應變很小，結構整體性較好。

(4)在24層大懸挑伸臂桁架的下弦懸挑鋼梁與剪力墻連接處，剪力墻出現嚴重受壓損傷，施工圖設計針對性增設鋼骨等有效措施進行加強。

(5)在洞口周邊及桁架連接部位，樓板混凝土出現中度～嚴重受壓損傷，設計時，在相應位置樓板內設置雙層雙向鋼筋網片，及提高配筋率進行加強。

5 大跨度結構舒適度分析

對于大跨度或大懸挑結構，為了使用結構滿足使用階段的舒適度要求，需控制正常使用下的樓板舒適度。分別對3層大跨度屋面樓蓋(含外挑段)、第6層、24層的懸挑樓蓋進行樓板舒適度分析。本次分析軟件采用Midas Gen和SAP2000兩款軟件，并將兩個軟件的分析結果做分析比較。依據《高層建筑混凝土結構技術規程》[2]第3.7.7條及附錄A選取計算參數，根據表A.0.2及說明，屋面及懸挑結構一般無家具及墻充墻布置，結構阻尼比取0.02；步行荷載如圖11所示。

步行一步(Baumann)(G=0.588399 fs=2 Hz)圖11 人行荷載函數

本文取第24層大懸挑樓蓋計算模型進行分析，如圖12所示。

(a)Midas模型 (b)Sap2000模型圖12 第24層大懸挑屋蓋計算模型

根據兩款軟件的分析功能，均選取NEWMARK時程積分方法(δ=0.5,α=0.25)，計算樓蓋的自振周期，分析樓蓋振型特點，選取合理數量的分析點，利用sap 2000的穩態分析功能，找出不利點進行深入分析。根據穩態分析結果，確定步行一步荷載和連續步行荷載的步頻。不利點分布位置及數量如圖13所示。

24F(12個點)圖13 樓蓋穩態分析選點示意圖

兩種軟件分析得到樓蓋豎向振動頻率，如表4所示。樓蓋豎向振動頻率均大于3.0 Hz，依據《高層建筑混凝土結構技術規程》[1]第3.7.7條條文說明，可滿足規范規定。

表4 樓蓋豎向振動頻率分析結果

根據分析結果，連續步行荷載工況下，豎向振動加速度峰值較單人步行工況大得多，位于懸挑末端局部點位的加速度峰值較大，即在多人連續走過時，會產生共振現象，接近但未超過規范限值，樓蓋最大豎向振動加速度分析結果如表5所示。

表5 樓蓋豎向振動加速度峰值分析結果

依此分析結果指導建議：建筑設計時，在懸挑末端布置輕質觀賞性綠植，避免在相關部位形成連續行走人群的工況，進一步提升人員使用的舒適度體驗。

6 高位大懸挑結構施工安裝階段設計控制要點

本工程在3F、6F、24F分別設置有外挑平臺，結構型式采用鋼桁架，3F、6F處于低區，施工無特殊難點。

24F外挑平臺位于標高143.4處，外挑跨度18.55 m，結構平面布置如圖14所示；鋼結構桁架立面簡列如圖15所示。

(a)鋼桁架上弦結構布置圖 (b)鋼桁架下弦結構布置圖

圖15 24F外挑平臺鋼結構中間主桁架立面

該外挑平臺施工難度較大，現結合施工安裝措施，針對24F外挑鋼結構平臺，提出以下設計相關控制要點。

(1)外挑鋼結構平臺參考“大型懸挑鋼結構無支撐施工技術”[6]，采用“自延展”施工安裝方案，由與主體連接的桁架下弦桿做為第一根安裝桿件，設置水平桿件與之形成穩定體系“三角架”作為臨時支撐，在每個施工階段的端部設置由上部主體斜拉下來的“導鏈”(鋼索)，提供豎向穩定拉力并限制豎向位移，將外挑結構合理分解為單個構件或小組合構件，利用附著于主體結構的塔吊系統，依次逐漸組裝與之相連的上弦及臨近桿件，直至整個外挑結構完成，如圖16所示。

(2)應用有限元軟件，分析每個安裝節端部的設計容許撓度及施工起拱數據，利用施工校準措施，控制安裝精度。

(3)項目地面施工作業面很小，考慮建筑主屋面做為構件拼裝平臺，設計結合施工荷載需求，對屋面構件進行施工荷載復核。

(4)該平臺在建筑主屋面施工完畢后開始安裝，主屋面以上構件待平臺組裝完畢后建造，與平臺連接的4顆框架柱在平臺上部樓層部位，對導鏈安裝部位進行施工荷載復核。

7 結語

(1)超高層框架-核心筒建筑采用筏板基礎時，通過對內筒及外圍框架柱部位的沖切、剪切驗算，確定筏板的合理厚度；當上部建筑荷載相差較大時，應驗算、分析筏板基礎沉降變形及變形差，解決筏板因變形差異產生的附加應力。

(2)設定合理的抗震性能目標及具體量化指標，針對超限情況提出具體的加強措施，確保復雜結構小震不壞、中震可修、大震不倒的抗震設防目標。

(3)運用動力彈塑性時程分析手段，分析結構在罕遇地震下的宏觀變形程度及構件應力和損傷情況，找到受力復雜及關鍵部位，采取必要的加強措施。

(4)對大跨度及大懸挑結構，運用舒適度分析手段，對使用階段的舒適性進行驗算，并提出進一步改善、提升人員使用舒適體驗感的設計建議。

(5)對于高位大懸挑結構，提出施工安裝及設計的控制要點，結合施工安裝需求，對相關部位的結構構件進行施工荷載驗算，保證施工階段的安全性及可操作性。