南京南部新城某超限辦公樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

呂恒柱,李 瀚,石 英,徐從榮

(南京金宸建筑設(shè)計(jì)有限公司,江蘇 南京 210019)

南京南部新城某超限辦公樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

呂恒柱,李 瀚,石 英,徐從榮

(南京金宸建筑設(shè)計(jì)有限公司,江蘇 南京 210019)

南京南部新城某超限辦公樓地面以上高度144.7 m,采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)。針對(duì)結(jié)構(gòu)超高、樓板局部開大洞、局部穿層柱及偶然偏心下的扭轉(zhuǎn)不規(guī)則等超限情況,采取相應(yīng)抗震措施,并通過多種分析軟件進(jìn)行小震反應(yīng)譜計(jì)算,小震彈性時(shí)程分析和大震靜力彈塑性時(shí)程分析。同時(shí),介紹了基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的相關(guān)內(nèi)容。結(jié)果表明,采取相應(yīng)措施后,各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求,并滿足設(shè)定的性能目標(biāo)要求,結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能。

超限高層建筑; 抗震性能目標(biāo); 彈塑性時(shí)程分析; 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1 工程概況

圖1 建筑效果圖

本項(xiàng)目位于南京市雨花臺(tái)區(qū)南部新城內(nèi),東臨石林家樂家廣場。上部由一棟超高層辦公樓,一棟高層酒店式公寓,一棟高層LOFT辦公樓和一棟多層商業(yè)裙房組成(圖1),總建筑面積170 892 m2,主要包括商務(wù)辦公、酒店式公寓和商業(yè)等功能。項(xiàng)目整體設(shè)3層地下室連為一體,地下3層戰(zhàn)時(shí)為人防工事,地下3層～地下1層平時(shí)均為車庫及設(shè)備用房。地下3層和地下2層層高為3.80 m,地下1層層高為6.20 m。地面以上各單體間設(shè)抗震縫,分為獨(dú)立的抗震單元。本文主要介紹超高層辦公樓的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),該辦公樓地上35層,結(jié)構(gòu)主體高度為144.7 m,首層層高為5.20 m,以上各層層高均為4.1 m,其中12層和24層為避難層。其緊鄰的商業(yè)裙房共4層,總高度為19.8 m。

本工程設(shè)計(jì)使用年限為50年,安全等級(jí)為二級(jí),抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類(丙類),地震設(shè)防烈度為7度,設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10 g,設(shè)計(jì)地震分組為第一組,建筑場地類別為Ⅲ類,特征周期值為0.45 s,地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)甲級(jí),基本風(fēng)壓按50年一遇取值為0.40 kN/m2(承載力設(shè)計(jì)時(shí)按基本風(fēng)壓的1.1倍采用),地面粗糙度類別為B類。

2 結(jié)構(gòu)體系

辦公樓高144.7 m,屬B級(jí)高度的高層建筑,采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)。其核心筒容納了建筑的垂直交通功能,并承擔(dān)豎向及水平向荷載作用,布置于樓層平面的中心位置,使得結(jié)構(gòu)質(zhì)心和剛心能夠基本相互重合,2層和標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置圖見圖2、圖3。核心筒剪力墻和外圍框架柱自基礎(chǔ)至屋面機(jī)房層貫通連續(xù)(除頂層屋面局部收進(jìn)外),墻體截面厚度及柱平面尺寸沿豎向逐漸減小,結(jié)構(gòu)體系的主要尺寸見表1,主要抗側(cè)力構(gòu)件尺寸見表2。除-6.20～9.30 m標(biāo)高段的外圍框架柱采用型鋼混凝土外,其余部分均為鋼筋混凝土。結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層為減輕結(jié)構(gòu)自重,從而減小板厚,采用井字梁布置方式以減小板跨,核心筒區(qū)域板厚120 mm,普通樓層板厚100 mm,板跨較大處適當(dāng)加厚。地下室頂板作為工程嵌固端,板厚不小于180 mm,采用剪切剛度法計(jì)算的嵌固端上下層剛度比滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50011—2010)》[1](以下簡稱抗規(guī))要求。

圖2 2層平面布置圖

圖3 標(biāo)準(zhǔn)層平面布置圖

依據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(JGJ 3—2010)》[2](以下簡稱高規(guī))規(guī)定,本工程結(jié)構(gòu)框架與核心筒的抗震等級(jí)均為基礎(chǔ)頂～-10.05 m標(biāo)高段為三級(jí),-10.05～-6.25 m標(biāo)高段為二級(jí),-6.25 m～屋面標(biāo)高段為一級(jí),其中,-0.05～9.25 m標(biāo)高段為底部加強(qiáng)區(qū),其結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造措施提高至特一級(jí)。

表1 結(jié)構(gòu)體系的外部尺寸 m

表2 主要抗側(cè)力構(gòu)件尺寸隨高度變化情況

3 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

因地下室底板底標(biāo)高至⑤-1層強(qiáng)風(fēng)化泥巖距離很近(2～5 m不等),根據(jù)上部結(jié)構(gòu)荷載情況,若采用預(yù)制管樁,受樁長限制,無法達(dá)到所需的承載力要求,因此樁基類型采用鉆孔灌注樁,并選擇800 mm和900 mm兩種直徑的樁型作經(jīng)濟(jì)性比較。樁基計(jì)算均以⑤-2層中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖為持力層,巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為2.33 MPa,屬于極軟巖。為提高單樁承載力,滿足設(shè)計(jì)需要,入巖深度取10.0 m。同樣的入巖深度,900 mm直徑樁相較于800 mm直徑樁,雖承載力提高了1.12倍,但混凝土用量增加了1.27倍,且900 mm直徑樁未能充分利用樁身強(qiáng)度,因此，800 mm直徑樁更為經(jīng)濟(jì)。同時(shí),核心筒區(qū)域單位面積荷載重,樁數(shù)多,布樁面積較大,小直徑的樁型更有利于核心筒下的布樁。綜合考慮以上因素,最終選擇800 mm的灌注樁,樁基設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)。因場地內(nèi)各巖土層分布有較大起伏,實(shí)際以⑤-2層中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖或⑤-3層中風(fēng)化細(xì)砂巖作為樁端持力層,進(jìn)入持力層深度分別不小于10 m和2.4 m,有效樁長約13～17 m,樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35,單樁抗壓承載力特征值為 5 000 kN。核心筒區(qū)域筏板厚2.7 m,其余位置防水底板厚0.8 m。周邊裙房及純地下室采用筏板基礎(chǔ),筏板厚0.8 m,抗沖切不滿足處增加1.2 m厚柱墩,自重不滿足抗浮設(shè)計(jì)部位,采用直徑600 mm的抗拔鉆孔灌注樁進(jìn)行抗浮設(shè)計(jì),抗拔樁有效樁長約8.5～11 m,單樁抗拔承載力特征值為1 000 kN,均勻布置于筏板內(nèi)。

本工程自身荷載及剛度分布不均勻,核心筒面積占樓層總面積的22.5%,但荷載占比達(dá)55%,其剛度較外圍框架柱大,與其緊鄰的多層裙房在荷載及剛度方面的差異更大,設(shè)計(jì)需控制核心筒與外圍框架柱之間以及辦公樓與裙房之間的沉降差異。辦公樓以巖層作為持力層,自身沉降變形能夠滿足規(guī)范要求。通過采取增大核心筒區(qū)域內(nèi)布樁系數(shù),辦公樓與周邊地下室之間設(shè)置沉降后澆帶,沉降穩(wěn)定后封閉等措施,解決相互間的沉降差異。

樓層的剖面示意圖見圖4。

圖4 樓層剖面示意圖

4 結(jié)構(gòu)超限情況

結(jié)合抗規(guī)[1]、高規(guī)[2]及《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》(建質(zhì)[2015]67號(hào))判斷本工程結(jié)構(gòu)存在的不規(guī)則情況如下：1)考慮偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比最大為1.27大于1.2,為扭轉(zhuǎn)不規(guī)則；2)2層樓面開洞面積超過該層樓面面積的30%達(dá)70%(圖2),且樓板有效寬度小于50%,造成樓板不連續(xù),為平面不規(guī)則,而且產(chǎn)生局部穿層柱；3)34層存在梁抬柱結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換,其上下墻、柱和支撐等豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù),為豎向不規(guī)則。則經(jīng)平面和豎向歸并后共存在3項(xiàng)一般不規(guī)則,本工程無特別不規(guī)則情況。綜上所述,辦公樓為具有3項(xiàng)一般不規(guī)則的B級(jí)高度超限高層建筑。

5 結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)及加強(qiáng)措施

針對(duì)結(jié)構(gòu)超限情況,綜合考慮結(jié)構(gòu)不同部位構(gòu)件的重要性,本工程抗震性能目標(biāo)設(shè)定為D級(jí),并對(duì)關(guān)鍵部位(如2層開大洞處的穿層剪力墻、框架柱及底部加強(qiáng)區(qū)其余部位的剪力墻和框架柱)提出更高的性能目標(biāo),具體目標(biāo)表述如下：

1)結(jié)構(gòu)在小震作用下完好、無損傷,不需修理即可繼續(xù)使用。

2)中震作用下,底部加強(qiáng)區(qū)及上下層剪力墻和框架柱保持抗剪彈性,抗彎不屈服(加強(qiáng)區(qū)提高為彈性),框架梁和連梁等耗能構(gòu)件中度損傷,部分比較嚴(yán)重?fù)p壞。宏觀損傷程度為中度損壞,修復(fù)或加固后可繼續(xù)使用。

3)大震作用下,底部加強(qiáng)區(qū)及上下層剪力墻和框架柱抗剪不屈服,不允許斜截面剪切破壞,滿足截面抗剪的控制條件,允許局部正截面屈服。普通豎向構(gòu)件部分損壞比較嚴(yán)重。宏觀損壞程度為需要排險(xiǎn)大修。

為實(shí)現(xiàn)上述抗震性能目標(biāo)并考慮本工程結(jié)構(gòu)存在的不規(guī)則,設(shè)計(jì)采取的主要加強(qiáng)措施如下：

1)補(bǔ)充計(jì)算小震作用下的彈性時(shí)程分析。

2)采用PKPM軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行大震下的靜力彈塑性推覆分析,以考察結(jié)構(gòu)的抗震性能,研究各部位變形形態(tài)和破壞狀態(tài),對(duì)分析中發(fā)現(xiàn)的薄弱部位采取有針對(duì)性的加強(qiáng)措施,保證重要部位不屈服,并控制整體結(jié)構(gòu)的塑性變形滿足規(guī)范要求。

3)對(duì)底部加強(qiáng)區(qū)核心筒剪力墻、框架柱以及在中震不屈服工況下出現(xiàn)偏心受拉的底部加強(qiáng)區(qū)其余樓層的剪力墻,抗震構(gòu)造措施按特一級(jí)進(jìn)行加強(qiáng)。

4)對(duì)2層樓板開大洞所形成的穿層柱內(nèi)設(shè)型鋼并適當(dāng)加大截面尺寸,以提高其承載力和延性。

5)多條框架梁與核心筒角部剪力墻搭接,墻肢受力復(fù)雜,全高設(shè)置約束邊緣構(gòu)件,其余核心筒外墻的約束邊緣構(gòu)件延伸至軸壓比不大于0.3的高度。

6)嚴(yán)格按規(guī)范要求控制剪力墻、框架柱的軸壓比(剪壓比),保證剪力墻和框架柱的延性,從而提高整個(gè)結(jié)構(gòu)的變形能力。

7)在施工圖構(gòu)件配筋階段,對(duì)結(jié)構(gòu)角柱的剪力、彎矩增大系數(shù)進(jìn)行適當(dāng)放大,配筋作適當(dāng)加強(qiáng)。

6 結(jié)構(gòu)分析

6.1 小震反應(yīng)譜計(jì)算與分析

結(jié)構(gòu)分別采用SATWE和Midas Building兩種軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)小震計(jì)算。模型總體參數(shù)計(jì)算均未帶地下室相鄰跨。兩種軟件的計(jì)算結(jié)果對(duì)比見表3。

表3 兩種軟件的計(jì)算結(jié)果對(duì)比

計(jì)算結(jié)果表明,本工程核心筒尺寸較規(guī)則,兩個(gè)方向的剛度、周期和振型接近,結(jié)構(gòu)整體具有良好的抗扭剛度和抗側(cè)剛度。圖5和圖6分別為各樓層框架地震剪力占結(jié)構(gòu)底部總剪力值的百分比和規(guī)定水平力作用下各層框架承擔(dān)的地震傾覆力矩與結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的比值?？芍?結(jié)構(gòu)底層總地震剪力的10%分別為Vx=1 429 kN、Vy=1 450 kN,框架部分各樓層剪力最大值為Vx=2 575 kN(11F)、Vy=2 710 kN(11F),滿足高規(guī)[2]第9.1.11條規(guī)定。當(dāng)X向和Y向的樓層框架地震剪力百分比小于底部總剪力的20%時(shí),框架柱按不小于結(jié)構(gòu)底部總剪力20%和框架部分樓層地震剪力最大值的1.5倍兩者的較小值進(jìn)行剪力調(diào)整。底層框架承擔(dān)的雙向傾覆彎矩比均小于50%,亦滿足高規(guī)[2]的相關(guān)要求。

圖5 各層框架地震剪力百分比

圖6 各層框架傾覆彎矩比

6.2 小震彈性時(shí)程分析

本工程采用SATWE程序自帶的一條人工波(RH1TG045)和兩條天然波(TH4TG045、TH1TG055)進(jìn)行小震彈性時(shí)程分析。計(jì)算時(shí)地震波有效峰值加速度調(diào)整至規(guī)范值35 cm/s2,各條波以雙向水平的地震波輸入,主、次方向峰值加速度最大值按1∶0.85的比例來調(diào)整。彈性時(shí)程分析的結(jié)構(gòu)基底剪力見表4,層剪力分布情況見圖7?？芍?時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力滿足抗規(guī)[1]第5.1.2條要求,頂部區(qū)段樓層剪力結(jié)果略大于反應(yīng)譜結(jié)果,對(duì)這些樓層取時(shí)程分析和反應(yīng)譜結(jié)果的包絡(luò)作為設(shè)計(jì)依據(jù),取時(shí)程分析剪力與反應(yīng)譜剪力的比值作為放大系數(shù),進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算。

表4 彈性時(shí)程分析基底剪力

注:表中括號(hào)內(nèi)為各條地震波計(jì)算的基底剪力占振型分解反應(yīng)譜結(jié)果的百分比。

圖7 彈性時(shí)程與反應(yīng)譜分析層剪力

6.3 大震靜力彈塑性時(shí)程分析

考慮本工程總高144.7 m,平面較規(guī)則,根據(jù)高規(guī)[2]第3.11.4條規(guī)定,選用PKPM的PUSH&EPDA相關(guān)模塊進(jìn)行大震下靜力彈塑性分析,用于分析的實(shí)配鋼筋按照SATWE計(jì)算得到的配筋,側(cè)推荷載采用“倒三角”形式。

靜力推覆結(jié)果顯示,X向的需求層間位移角為1/199,所對(duì)應(yīng)的層號(hào)為21層,與需求點(diǎn)對(duì)應(yīng)的總加載步號(hào)為35.5；Y向的需求層間位移角為1/214,所對(duì)應(yīng)的層號(hào)為21層,與需求點(diǎn)對(duì)應(yīng)的總加載步號(hào)為29.7,均滿足大震作用下規(guī)范變形限值1/100的要求,且有較大的余量。

由推覆所得結(jié)構(gòu)桿端塑性鉸及墻體裂縫發(fā)展歷程可知,大震下,核心筒內(nèi)小部分連梁出現(xiàn)剪切破壞,形成塑性鉸,隨著地震作用的持續(xù)增大,至性能點(diǎn)處,大部分連梁開裂并屈服,大震作用下剛度明顯退化,外圍框架梁產(chǎn)生較多塑性鉸,與連梁一道參與結(jié)構(gòu)的整體耗能。豎向構(gòu)件方面,個(gè)別框架柱開裂,但未進(jìn)入屈服狀態(tài),而底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻部分屈服,說明加強(qiáng)區(qū)墻體比較薄弱,通過提高抗震構(gòu)造措施等級(jí),增加配筋,在設(shè)計(jì)中予以加強(qiáng)。雙向性能點(diǎn)基底剪力與小震彈性下基底剪力的比值均處在3.0～5.0之間(表5),符合通常規(guī)律?？傮w而言,大震作用下結(jié)構(gòu)的彈塑性反應(yīng)及破壞形態(tài)符合性能目標(biāo)要求。

表5 性能點(diǎn)與小震彈性基底剪力的比值

7 結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計(jì)和加強(qiáng)措施

7.1 穿層柱設(shè)計(jì)

7.2 2層樓板性能分析與設(shè)計(jì)

樓板對(duì)于結(jié)構(gòu)整體作用非常重要,為了分析2層樓板局部開大洞對(duì)水平地震剪力傳遞的影響,采用Midas Building對(duì)2層及3層樓板按彈性膜進(jìn)行詳細(xì)應(yīng)力分析,部分計(jì)算結(jié)果圖形見圖8。在小震作用下,2層和3層樓板拉應(yīng)力基本小于0.2 MPa,雙向最大拉應(yīng)力分別為1.11 MPa和1.3 MPa,均小于樓層C35混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值1.57 MPa。高應(yīng)力區(qū)主要分布于核心筒和外部樓板相接處,因設(shè)置井字梁,板跨較小,樓板鋼筋正常受力狀態(tài)下應(yīng)力較小,可大部分用于抵抗地震力作用。中震彈性工況下,局部樓板出現(xiàn)裂縫,板中的主拉應(yīng)力設(shè)置鋼筋承擔(dān),鋼筋面積由公式σ1,中震=fyAs/(rREhs)計(jì)算得出,公式中h為樓板厚度,s為板筋間距。施工圖階段,對(duì)2層、3層樓板進(jìn)行加強(qiáng),板厚130 mm,雙層雙向配筋,并根據(jù)在地震作用下的應(yīng)力分布,除計(jì)算配筋外,對(duì)應(yīng)力較大處適當(dāng)加強(qiáng)配筋。樓板與洞口分界的1～5軸邊梁尺寸加大,保證框架邊梁與核心筒外墻的可靠連接。

圖8 小震工況下2層樓板應(yīng)力圖

圖9 地震作用下首層墻體剪壓比

7.3 底部加強(qiáng)區(qū)核心筒剪力墻性能驗(yàn)算

為實(shí)現(xiàn)底部加強(qiáng)區(qū)核心筒剪力墻設(shè)定的抗震性能目標(biāo),采用SATWE軟件進(jìn)行中震和大震工況下驗(yàn)

算與分析,找出結(jié)構(gòu)的薄弱部位。計(jì)算結(jié)果分析如下：1)底部加強(qiáng)區(qū)核心筒剪力墻的軸壓比規(guī)范限值為0.5,實(shí)際控制在0.45以內(nèi),使墻肢具有良好的延性；2)中震彈性工況下,首層部分剪力墻出現(xiàn)偏心受拉,設(shè)計(jì)剪力墻按特一級(jí)的抗震構(gòu)造措施進(jìn)行加強(qiáng)后,經(jīng)計(jì)算復(fù)核,偏心受拉的剪力墻在水平地震下墻肢全截面由軸向力產(chǎn)生的平均名義拉應(yīng)力均小于混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,滿足彈性要求；3)圖9為中震彈性和地震不屈服工況下首層墻體剪壓比計(jì)算結(jié)果,可以看出,大震下底部加強(qiáng)區(qū)核心筒剪力墻能夠滿足抗剪不屈服和截面抗剪的控制條件。

綜上所述,底部加強(qiáng)區(qū)核心筒剪力墻的抗剪和抗彎均滿足性能目標(biāo)要求。施工圖設(shè)計(jì)階段,底部加強(qiáng)區(qū)核心筒剪力墻和框架柱的抗剪和抗彎鋼筋按小震彈性和中震彈性的大值進(jìn)行配筋。

8 結(jié) 語

本工程采用框架-核心筒多重抗側(cè)結(jié)構(gòu)體系,整體結(jié)構(gòu)構(gòu)件融入性能設(shè)計(jì)思想,重點(diǎn)部位采取嚴(yán)格的抗震構(gòu)造措施,通過對(duì)底部加強(qiáng)區(qū)范圍內(nèi)混凝土框柱設(shè)置型鋼，嚴(yán)格控制底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻軸壓比及適當(dāng)上延約束邊緣構(gòu)件設(shè)置高度等措施,使得結(jié)構(gòu)整體延性得到加強(qiáng),大震彈塑性時(shí)程分析結(jié)果表明結(jié)構(gòu)抗震性能良好。工程已于2016年5月通過江蘇省超限專項(xiàng)審查論證。

[1] 中國建筑科學(xué)研究院.GB 50011—2010 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范 [S].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2010．

[2] 中國建筑科學(xué)研究院.JGJ 3—2010 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程 [S].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2010．

[3] 傅學(xué)怡.實(shí)用高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) [M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2010．

收稿日期： 2017-05-12

作者簡介： 郭 躍(1981—)，男，浙江嘉興人，工程師，從事巖土工程設(shè)計(jì)工作。

Structure Desgin on an Over-Limited Office Building of the New Southern Town of Nanjing

LYUHengzhu,LIHan,SHIYing,XUCongrong

2017-03-20

呂恒柱 (1980—),男,江蘇徐州人,高級(jí)工程師,從事基礎(chǔ)優(yōu)化及超限高層設(shè)計(jì)工作。

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1008-3707(2017)06-0012-07