環(huán)球貿(mào)易廣場辦公塔樓結(jié)構(gòu)設(shè)計范文

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［摘要］成都環(huán)球貿(mào)易廣場辦公塔樓建筑高度為280m，屬于超B級高度超限高層建筑，采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，不設(shè)加強層。塔樓抗震性能目標為C級，采用性能化設(shè)計方法，并對結(jié)構(gòu)的斜柱受力、樓板缺失、樓板舒適度做了專項分析;采用LS-DYNA軟件對結(jié)構(gòu)進行了大震作用下的非線性動力時程分析。結(jié)果表明，小震作用下結(jié)構(gòu)主要抗側(cè)力構(gòu)件處于彈性工作狀態(tài);大震作用下框架體系基本完好，筒體剪力墻出現(xiàn)輕微程度損傷;結(jié)構(gòu)變形滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)體系合理可行。

［關(guān)鍵詞］超B級高度;框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系;鋼筋混凝土結(jié)構(gòu);抗震性能化設(shè)計

1工程概況

成都環(huán)球貿(mào)易廣場辦公塔樓位于四川省成都市錦江區(qū)成都無縫鋼管廠片區(qū)，北臨塔子山城市公園，東臨沙河，南側(cè)及西側(cè)均臨城市規(guī)劃道路。建筑高度約為280m(主屋面結(jié)構(gòu)高度約為269m)，地上共57層，標準層層高為4.33m。辦公塔樓1～4層為商業(yè)裙房區(qū)域，5層及以上為辦公區(qū)域，其中6層、17層、30層及45層為避難層，55～56層為交易層，57層為觀景層。地下共4層，使用功能為停車場和設(shè)備用房。辦公塔樓總建筑面積為130792m2。塔樓底部辦公區(qū)平面尺寸為53.4m×53.4m，四邊呈弧線形且沿塔樓高度方向漸變收進，立面與垂直線的夾角為0.67°，頂部平面尺寸為46.9m×46.9m。該高塔塔樓與旁邊一棟約200m的辦公塔樓在底部通過商業(yè)裙房相連，形成大底盤多塔樓結(jié)構(gòu)(圖1)。

2設(shè)計參數(shù)

本工程設(shè)計基準期為50年，結(jié)構(gòu)安全等級為二圖1建筑效果圖級。抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度為0.10g，設(shè)計地震分組為第三組，場地類別為Ⅱ類，場地特征周期為0.45s，阻尼比為0.05。基本風(fēng)壓值采用100年重現(xiàn)期的0.35kN/m2［1］，地面粗糙度類別為C類，風(fēng)荷載體型系數(shù)取1.4。外框架抗震等級為一級，筒體抗震等級為特一級。

3結(jié)構(gòu)方案

結(jié)合建筑功能需要，考慮框架-核心筒結(jié)構(gòu)能發(fā)揮框架和核心筒兩種結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)點，辦公塔樓采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)這種現(xiàn)代高層建筑常用的結(jié)構(gòu)形式。由于辦公塔樓高度較大，在選取結(jié)構(gòu)體系時需考慮風(fēng)荷載的影響［2-3］。辦公塔樓平面邊角采用弧形流線，立面采用向內(nèi)漸變的體型，能有效減小空氣阻力、風(fēng)荷載及加速度，同時可以減少對材料的需求，由此不但可以減少費用，而且為環(huán)境帶來益處，也能縮短施工周期。在方案設(shè)計階段，針對結(jié)構(gòu)體系和結(jié)構(gòu)布置進行了大量的方案對比，主要如下:(1)混凝土結(jié)構(gòu)樓面與鋼結(jié)構(gòu)樓面的對比經(jīng)過對比，在經(jīng)濟性方面，混凝土結(jié)構(gòu)樓面的材料造價約為鋼結(jié)構(gòu)樓面的70%，明顯優(yōu)于鋼結(jié)構(gòu)樓面;在結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度方面，混凝土結(jié)構(gòu)樓面亦優(yōu)于鋼結(jié)構(gòu)樓面。(2)設(shè)加強層與不設(shè)加強層的對比設(shè)置加強層可在一定程度上減小剪力墻、筒體和柱的截面尺寸，但考慮到本塔樓在采用混凝土結(jié)構(gòu)體系的前提下，豎向構(gòu)件的截面由軸壓比控制，且設(shè)置加強層會對建筑功能有所影響，因此不設(shè)置加強層。(3)直柱與斜柱的對比經(jīng)過計算分析，斜柱體系的抗側(cè)效率要遠優(yōu)于直柱體系，且直柱體系在底部的懸挑較大，不利于建筑功能的實現(xiàn)［4］。(4)不同柱數(shù)量與柱距的對比經(jīng)過對16，12，9m的柱距進行對比，同時考慮業(yè)主及建筑師對于整體效果的需求，如表2所示，最終選取了綜合最優(yōu)的12m柱距。(5)型鋼混凝土柱與混凝土柱的對比經(jīng)過對型鋼混凝土柱與混凝土柱在地下3層～地上12層范圍內(nèi)的截面對比，如表3所示。同時綜合考慮建筑面積利用率、首層大堂的通透性、綜合經(jīng)濟性等需求，采用局部樓層為型鋼混凝土柱的方案。(6)防震縫設(shè)置本塔樓和裙房在商業(yè)部分聯(lián)系緊密，如分縫會嚴重影響建筑效果及使用功能，而且會造成大量的單跨結(jié)構(gòu)以及單懸挑結(jié)構(gòu)，對抗震極其不利，故不再考慮塔樓和裙房的分縫。

4結(jié)構(gòu)設(shè)計重點和難點

辦公塔樓結(jié)構(gòu)的超限情況根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ3—2002)［1］(簡稱高規(guī))及《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點》(建質(zhì)［2010］109號)［5］(簡稱超限要點)判定。主屋面結(jié)構(gòu)高度為269m，遠超過7度區(qū)框架-核心筒結(jié)構(gòu)最大適用高度，屬于超B級高度高層建筑。7度區(qū)且設(shè)計地震分組為第三組的地區(qū)，超過250m且不設(shè)加強層的類似超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計參考案例較少。因考慮商業(yè)裙房價值最大化，不再設(shè)置防震縫而形成的大底盤多塔樓結(jié)構(gòu)也為塔樓增加了受力的復(fù)雜和設(shè)計難度。另外，因建筑體型形成的斜柱變直柱節(jié)點、部分樓層的中空大堂引起的局部大開洞、46層及以上核心筒右下角因電梯需求的減小變成常規(guī)的辦公空間從而導(dǎo)致核心筒墻體的收進等問題也是設(shè)計需要關(guān)注的。

5抗震設(shè)計理念

在方案設(shè)計階段，對結(jié)構(gòu)體系和材料的選擇進行了大量的比選工作，從而達到一個經(jīng)濟和合理的平衡。針對塔樓超高、混凝土結(jié)構(gòu)重量大的特點，結(jié)構(gòu)底部框架柱內(nèi)設(shè)置型鋼，其余部分框架柱嚴格控制軸壓比，并采用在合適的位置設(shè)置芯柱等措施，框架柱抗震等級由一級提高至特一級，提高框架柱的承載力及延性;嚴格控制核心筒的軸壓比，底部加強區(qū)的墻體軸壓比不宜超過0.4，對軸壓比超限或者中大震受拉的墻肢增加型鋼，剪力墻約束邊緣構(gòu)件高度適當(dāng)提高，提高剪力墻的延性。為避免設(shè)置加強層，需要提高框架-核心筒的整體剛度，對結(jié)構(gòu)布置進行了綜合考慮:為提高外框架的抗側(cè)能力，采用較大的框架柱截面和外框梁截面;為提高內(nèi)框筒的抗側(cè)能力，采用封閉性較好的核心筒，平面尺寸較方正，且墻體厚度較大;為提高內(nèi)、外筒體的整體抗側(cè)能力，將外框柱與內(nèi)框筒外側(cè)墻體對齊，且由剛度較大的樓面主梁連接，化集中剛度加強為每層有限剛度加強。對于大底盤多塔樓結(jié)構(gòu)，采用單塔模型、多塔帶大底盤模型、單塔帶大底盤的模型，考慮各種不利情況進行包絡(luò)設(shè)計。

6結(jié)構(gòu)彈性計算與分析

6.1風(fēng)荷載與小震作用下彈性計算在風(fēng)荷載和小震作用下的彈性分析使用SATWE軟件和MIDAS軟件進行計算分析。單塔計算結(jié)果簡述如下:(1)裙房以上結(jié)構(gòu)在規(guī)定水平力作用下的最大結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)位移比均小于1.2，滿足位移比要求。結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一扭轉(zhuǎn)周期Tt與平動為主的第一自振周期T1之比為0.63，小于0.85，滿足高規(guī)4.3.5條中對周期比的要求。結(jié)構(gòu)前3階周期見表7，可見兩方向剛度接近，且抗側(cè)和抗扭剛度大，結(jié)構(gòu)剛度無突變。(2)在小震和100年風(fēng)荷載作用下的最大層間位移角均小于高規(guī)中的限值1/500。(3)塔樓X向及Y向剪重比滿足高規(guī)要求。塔樓X，Y向剛重比分別為2.54，2.56，均大于1.4，但小于2.7，計算時應(yīng)該考慮重力二階效應(yīng)。(4)塔樓樓層側(cè)向剛度比滿足高規(guī)4.4.2條要求。(5)在采取井字復(fù)合箍及芯柱等措施并考慮短柱影響后，塔樓柱軸壓比均可以控制在限值以內(nèi)。(6)外框柱承擔(dān)剪力和彎矩的比例約23%，在避難層附近略有增大。

6.2小震彈性時程分析選取五組天然波和二組人工合成的加速度時程波來進行彈性時程分析，每組時程波包括3個方向的分量。時程計算中，考慮三向地震波的影響，加速度的有效峰值為35cm/s2，三向輸入為水平X向∶水平Y(jié)向∶豎向Z向=1.00∶0.85∶0.65。計算結(jié)果取時程法的平均值和振型分解反應(yīng)譜法的較大值。由時程波平均值和反應(yīng)譜層剪力的比較可以看到，在高區(qū)(約41層及以上)時程波平均值比反應(yīng)譜大，體現(xiàn)了地震作用高階振型的影響，見圖4。故構(gòu)件設(shè)計中，小震作用下將這些樓層的地震剪力進行相應(yīng)放大，以確保構(gòu)件安全。

7斜柱受力分析

斜柱在重力作用下會產(chǎn)生附加彎矩，但由于傾斜角度非常小，因此影響非常輕微。在水平力作用時(如風(fēng)荷載及地震作用)，向內(nèi)傾斜的塔樓柱對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性更有利。辦公塔樓外框柱在6層以下為直柱，在6層及以上為斜柱，斜柱與垂直線以0.67°夾角向核心筒均勻收進，直到頂層。以標準層高4.33m計算，每層柱向核心筒方向收進50mm。因斜柱變直柱，會對6層的水平構(gòu)件產(chǎn)生拉力，現(xiàn)對6層的框架梁和樓板進行受拉分析。(1)不考慮6層樓板作用6層環(huán)梁和中梁在多遇地震、設(shè)防地震、罕遇地震和風(fēng)荷載作用下最不利荷載工況按拉彎構(gòu)件進行設(shè)計。在多遇地震作用下典型柱的節(jié)點水平受力見圖5及表9。可近似得出:Nsin0.67°=N1+V1+V2，因框架柱(截面尺寸為1800×2200)的剪切剛度大且斜柱變直柱的豎向角度非常小，在多遇地震作用下，由斜柱軸力N產(chǎn)生的水平拉力約90%由柱剪力平衡，只有10%左右的水平力傳到6層的樓面梁板上，因此樓面梁產(chǎn)生的拉力不大，樓板分擔(dān)的拉力更小。(2)考慮6層樓板作用多遇地震作用下，有無樓板對樓面梁的影響。從有樓板的模型計算結(jié)果中可知，樓板的拉應(yīng)力非常小，最大為1.3MPa＜1.57MPa(C35混凝土抗拉強度)。考慮到斜柱層的受力情況，對6層樓板加厚至150mm，并加強樓板配筋，在斜柱周邊加大樓板配筋率，增大安全系數(shù)，防止樓板局部開裂，或采用樓板后澆的方式。由表10可知，有樓板時樓面梁的拉力為無樓板時樓面梁拉力的80%，設(shè)計樓面時按無樓板情況進行設(shè)計，這樣偏安全。

8樓板局部缺失受力分析

為滿足建筑需要，塔樓3層樓面處樓板局部開大洞，造成部分柱穿層、長短柱共用的情況，對抗震不利。

9樓板舒適度分析

樓蓋結(jié)構(gòu)宜具有適宜的剛度、質(zhì)量及阻尼，其豎向振動舒適度應(yīng)符合下列規(guī)定:1)樓蓋結(jié)構(gòu)豎向頻率不宜小于3Hz;2)振動峰值加速度不應(yīng)超過限值0.05m/s2。采用GSA軟件對辦公塔樓樓板舒適度進行分析。計算時采用全節(jié)點激勵進行包絡(luò)計算，計算結(jié)果取各節(jié)點的加速度最大值。取塔樓的其中一個標準層進行樓板振動驗算，塔樓核心筒內(nèi)板厚為150mm，核心筒外板厚為120mm，辦公樓阻尼比取3%。動力時程分析結(jié)果顯示，樓板豎向振動的最小自振頻率為7.042Hz，在步行荷載作用下的峰值響應(yīng)加速度為0.045m/s2，小于高規(guī)的限值0.05m/s2。

10非線性動力時程分析

采用LS-DYNA軟件對結(jié)構(gòu)進行罕遇地震下非線性動力時程分析，依據(jù)美國聯(lián)邦緊急事務(wù)管理署(FEMA)第356號文件［6］中提供的結(jié)構(gòu)構(gòu)件彈塑性變形可接受限值及所建議的結(jié)構(gòu)非線性地震分析方法與步驟，評估結(jié)果是否滿足預(yù)定的性能目標。選取七組地震波進行大震彈塑性分析，兩組人工波和五組天然波，考慮三向地震輸入，七組波分析結(jié)果取平均值評估結(jié)構(gòu)大震彈塑性性能。以第五組天然波(主方向Y向)為例，大震作用下連梁塑性鉸、核心筒最大壓應(yīng)變、核心筒鋼筋應(yīng)變、核心筒裂縫分布、外框架柱塑性鉸、樓面框架梁塑性鉸、樓板混凝土最大壓應(yīng)變以及樓板鋼筋最大拉應(yīng)變分布圖分別見圖8～15。經(jīng)分析得出以下結(jié)論:(1)大部分連梁都較早進入了塑性，約在15s之后，仍有少量連梁陸續(xù)進入塑性，且連梁都處于IO［6］(可運行)狀態(tài)。(2)剪力墻在大震作用下混凝土壓應(yīng)變都小于混凝土極限壓應(yīng)變0.0033。(3)剪力墻中鋼筋的水平應(yīng)變和豎向應(yīng)變都遠小于鋼筋的極限拉應(yīng)變，所以沒有出現(xiàn)鋼筋拉斷的脆性破壞。另外，從剪力墻裂縫分布圖中可以看出:剪力墻損傷較輕微，損傷的部位主要集中在底部和高區(qū);鋼筋拉應(yīng)變較大的區(qū)域也在底部和高區(qū)。(4)從塑性發(fā)展的過程看，在連梁進入塑性之前，剪力墻混凝土的損傷及壓應(yīng)變都較小，當(dāng)連梁大部分進入塑性之后，剪力墻中混凝土的損傷情況加劇，壓應(yīng)變顯著增大。可見連梁先于剪力墻大部分進入塑性，這與抗震概念設(shè)計相一致。

11結(jié)論

根據(jù)建筑特點和抗震設(shè)計概念，對結(jié)構(gòu)整體布置進行研究，并針對斜柱受力、樓板局部缺失及樓板舒適度問題進行了專項分析論證。可得以下結(jié)論:(1)風(fēng)荷載及小震下的彈性計算結(jié)果表明，各結(jié)構(gòu)指標基本滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)性能良好。(2)非線性動力時程分析結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)層間位移角滿足規(guī)范要求，大震下具備足夠的延性，結(jié)構(gòu)能夠滿足性能化設(shè)計目標，結(jié)構(gòu)整體是安全可靠的。

作者：臧姮；李杰；曹倩 單位：奧雅納工程顧問