環(huán)球貿(mào)易廣場(chǎng)辦公塔樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)范文

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［摘要］成都環(huán)球貿(mào)易廣場(chǎng)辦公塔樓建筑高度為280m，屬于超B級(jí)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(qiáng)層。塔樓抗震性能目標(biāo)為C級(jí)，采用性能化設(shè)計(jì)方法，并對(duì)結(jié)構(gòu)的斜柱受力、樓板缺失、樓板舒適度做了專(zhuān)項(xiàng)分析;采用LS-DYNA軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大震作用下的非線性動(dòng)力時(shí)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(jí)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(jì)

1工程概況

成都環(huán)球貿(mào)易廣場(chǎng)辦公塔樓位于四川省成都市錦江區(qū)成都無(wú)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(biāo)準(zhǔn)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(chē)場(chǎng)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(jìn)，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(guò)商業(yè)裙房相連，形成大底盤(pán)多塔樓結(jié)構(gòu)(圖1)。

2設(shè)計(jì)參數(shù)

本工程設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二圖1建筑效果圖級(jí)。抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第三組，場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)，場(chǎng)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(lèi)別為C類(lèi)，風(fēng)荷載體型系數(shù)取1.4。外框架抗震等級(jí)為一級(jí)，筒體抗震等級(jí)為特一級(jí)。

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(diǎn)，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(shí)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(shí)可以減少對(duì)材料的需求，由此不但可以減少費(fèi)用，而且為環(huán)境帶來(lái)益處，也能縮短施工周期。在方案設(shè)計(jì)階段，針對(duì)結(jié)構(gòu)體系和結(jié)構(gòu)布置進(jìn)行了大量的方案對(duì)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(duì)比經(jīng)過(guò)對(duì)比，在經(jīng)濟(jì)性方面，混凝土結(jié)構(gòu)樓面的材料造價(jià)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(qiáng)層與不設(shè)加強(qiáng)層的對(duì)比設(shè)置加強(qiáng)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(qiáng)層會(huì)對(duì)建筑功能有所影響，因此不設(shè)置加強(qiáng)層。(3)直柱與斜柱的對(duì)比經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，斜柱體系的抗側(cè)效率要遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)［4］。(4)不同柱數(shù)量與柱距的對(duì)比經(jīng)過(guò)對(duì)16，12，9m的柱距進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)考慮業(yè)主及建筑師對(duì)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(duì)比經(jīng)過(guò)對(duì)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(duì)比，如表3所示。同時(shí)綜合考慮建筑面積利用率、首層大堂的通透性、綜合經(jīng)濟(jì)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(huì)嚴(yán)重影響建筑效果及使用功能，而且會(huì)造成大量的單跨結(jié)構(gòu)以及單懸挑結(jié)構(gòu)，對(duì)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(jì)重點(diǎn)和難點(diǎn)

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(jiǎn)稱(chēng)高規(guī))及《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專(zhuān)項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》(建質(zhì)［2010］109號(hào))［5］(簡(jiǎn)稱(chēng)超限要點(diǎn))判定。主屋面結(jié)構(gòu)高度為269m，遠(yuǎn)超過(guò)7度區(qū)框架-核心筒結(jié)構(gòu)最大適用高度，屬于超B級(jí)高度高層建筑。7度區(qū)且設(shè)計(jì)地震分組為第三組的地區(qū)，超過(guò)250m且不設(shè)加強(qiáng)層的類(lèi)似超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參考案例較少。因考慮商業(yè)裙房?jī)r(jià)值最大化，不再設(shè)置防震縫而形成的大底盤(pán)多塔樓結(jié)構(gòu)也為塔樓增加了受力的復(fù)雜和設(shè)計(jì)難度。另外，因建筑體型形成的斜柱變直柱節(jié)點(diǎn)、部分樓層的中空大堂引起的局部大開(kāi)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(jìn)等問(wèn)題也是設(shè)計(jì)需要關(guān)注的。

5抗震設(shè)計(jì)理念

在方案設(shè)計(jì)階段，對(duì)結(jié)構(gòu)體系和材料的選擇進(jìn)行了大量的比選工作，從而達(dá)到一個(gè)經(jīng)濟(jì)和合理的平衡。針對(duì)塔樓超高、混凝土結(jié)構(gòu)重量大的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)底部框架柱內(nèi)設(shè)置型鋼，其余部分框架柱嚴(yán)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(jí)由一級(jí)提高至特一級(jí)，提高框架柱的承載力及延性;嚴(yán)格控制核心筒的軸壓比，底部加強(qiáng)區(qū)的墻體軸壓比不宜超過(guò)0.4，對(duì)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(qiáng)層，需要提高框架-核心筒的整體剛度，對(duì)結(jié)構(gòu)布置進(jìn)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(duì)齊，且由剛度較大的樓面主梁連接，化集中剛度加強(qiáng)為每層有限剛度加強(qiáng)。對(duì)于大底盤(pán)多塔樓結(jié)構(gòu)，采用單塔模型、多塔帶大底盤(pán)模型、單塔帶大底盤(pán)的模型，考慮各種不利情況進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。

6結(jié)構(gòu)彈性計(jì)算與分析

6.1風(fēng)荷載與小震作用下彈性計(jì)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(jìn)行計(jì)算分析。單塔計(jì)算結(jié)果簡(jiǎn)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(dòng)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(duì)周期比的要求。結(jié)構(gòu)前3階周期見(jiàn)表7，可見(jiàn)兩方向剛度接近，且抗側(cè)和抗扭剛度大，結(jié)構(gòu)剛度無(wú)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(jì)算時(shí)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(shí)程分析選取五組天然波和二組人工合成的加速度時(shí)程波來(lái)進(jìn)行彈性時(shí)程分析，每組時(shí)程波包括3個(gè)方向的分量。時(shí)程計(jì)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(jì)算結(jié)果取時(shí)程法的平均值和振型分解反應(yīng)譜法的較大值。由時(shí)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(shí)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(jiàn)圖4。故構(gòu)件設(shè)計(jì)中，小震作用下將這些樓層的地震剪力進(jìn)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(huì)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(shí)(如風(fēng)荷載及地震作用)，向內(nèi)傾斜的塔樓柱對(duì)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(jìn)，直到頂層。以標(biāo)準(zhǔn)層高4.33m計(jì)算，每層柱向核心筒方向收進(jìn)50mm。因斜柱變直柱，會(huì)對(duì)6層的水平構(gòu)件產(chǎn)生拉力，現(xiàn)對(duì)6層的框架梁和樓板進(jìn)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(jìn)行設(shè)計(jì)。在多遇地震作用下典型柱的節(jié)點(diǎn)水平受力見(jiàn)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(wú)樓板對(duì)樓面梁的影響。從有樓板的模型計(jì)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(qiáng)度)。考慮到斜柱層的受力情況，對(duì)6層樓板加厚至150mm，并加強(qiáng)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(kāi)裂，或采用樓板后澆的方式。由表10可知，有樓板時(shí)樓面梁的拉力為無(wú)樓板時(shí)樓面梁拉力的80%，設(shè)計(jì)樓面時(shí)按無(wú)樓板情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(kāi)大洞，造成部分柱穿層、長(zhǎng)短柱共用的情況，對(duì)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(dòng)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(dòng)峰值加速度不應(yīng)超過(guò)限值0.05m/s2。采用GSA軟件對(duì)辦公塔樓樓板舒適度進(jìn)行分析。計(jì)算時(shí)采用全節(jié)點(diǎn)激勵(lì)進(jìn)行包絡(luò)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果取各節(jié)點(diǎn)的加速度最大值。取塔樓的其中一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層進(jìn)行樓板振動(dòng)驗(yàn)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(dòng)力時(shí)程分析結(jié)果顯示，樓板豎向振動(dòng)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(dòng)力時(shí)程分析

采用LS-DYNA軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震下非線性動(dòng)力時(shí)程分析，依據(jù)美國(guó)聯(lián)邦緊急事務(wù)管理署(FEMA)第356號(hào)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(píng)估結(jié)果是否滿足預(yù)定的性能目標(biāo)。選取七組地震波進(jìn)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(píng)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(jiàn)圖8～15。經(jīng)分析得出以下結(jié)論:(1)大部分連梁都較早進(jìn)入了塑性，約在15s之后，仍有少量連梁陸續(xù)進(jìn)入塑性，且連梁都處于IO［6］(可運(yùn)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(yuǎn)小于鋼筋的極限拉應(yīng)變，所以沒(méi)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(guò)程看，在連梁進(jìn)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(jìn)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(jiàn)連梁先于剪力墻大部分進(jìn)入塑性，這與抗震概念設(shè)計(jì)相一致。

11結(jié)論

根據(jù)建筑特點(diǎn)和抗震設(shè)計(jì)概念，對(duì)結(jié)構(gòu)整體布置進(jìn)行研究，并針對(duì)斜柱受力、樓板局部缺失及樓板舒適度問(wèn)題進(jìn)行了專(zhuān)項(xiàng)分析論證。可得以下結(jié)論:(1)風(fēng)荷載及小震下的彈性計(jì)算結(jié)果表明，各結(jié)構(gòu)指標(biāo)基本滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)性能良好。(2)非線性動(dòng)力時(shí)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(jì)目標(biāo)，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(wèn)