某帶裙房超限高層公寓結(jié)構(gòu)設計

□□ 鄭慧敏

(太原市建筑設計研究院，山西 太原 030009)

1 工程概況

該工程為某地塊1號樓項目。項目位于城市主干道交匯處，緊鄰城市地鐵線。主樓采用鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)體系，設置兩個加強層；裙房采用鋼管混凝土框架-鋼支撐體系。主樓與裙房連為一體。由于裙樓存在較多不規(guī)則，且主樓與裙房偏心距較大，引起整體結(jié)構(gòu)超限。主樓及裙房均為地下4層，結(jié)構(gòu)地面標高為-17.710 m；地上部分，主樓為32層，高度為149.96 m；裙房為5層，高度為27.36 m。-4～-2層主要功能為車庫；-1～5層主要功能為商業(yè)，局部4～5層為影院；主樓6層及以上為公寓，其中11層、23層為避難層。裙房鋼管柱伸至地下一層，主樓鋼管柱伸至基礎。建筑物總高為149.96 m。該工程安全等級為二級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.0。超高層建筑效果如圖1所示。

圖1 超高層效果圖

2 地基與基礎設計

該項目主樓樓層較多，豎向構(gòu)件底部荷載較大，根據(jù)太原市類似工程的設計經(jīng)驗，主樓核心筒采用鋼筋混凝土后壓漿灌注樁-筏板基礎，主樓及裙房框架柱采用樁-承臺基礎。

該工程主體核心筒區(qū)域下滿布后壓漿灌注樁，樁長為46.0 m，樁徑為800 mm，樁端持力層為第8層粉質(zhì)黏土層，抗壓承載力特征值≮6 000 kN；框架柱采用柱下布樁，樁長為46.0 m，樁徑為800 mm，樁端持力層為第8層粉質(zhì)黏土層，抗壓承載力特征值≮6 000 kN。裙房樁長為20.0 m，樁徑為700 mm，樁端持力層在地面下第6層粉質(zhì)黏土層，抗壓承載力特征值≮3 000 kN。

3 結(jié)構(gòu)超限情況

根據(jù)《山西省抗震設防超限高層建筑工程界定規(guī)定》對不規(guī)則建筑的規(guī)定，該工程超限情況有：相鄰層質(zhì)心相差20%、五層開洞面積為55%、設置2個加強層抗剪承載力突變、裙房北側(cè)及中庭存在穿層柱、局部鋼梁外挑超4 m。

針對上述超限情況，該工程從結(jié)構(gòu)體系的選擇、抗震等級的確定、設計內(nèi)力調(diào)整、增強重要構(gòu)件的延性(軸壓比和剪壓比控制、材料選取、設置邊緣構(gòu)件、型鋼混凝土構(gòu)件)等方面采取了相應的加強措施。

3.1 結(jié)構(gòu)體系選擇

主樓采用鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)體系，即鋼筋混凝土核心筒與伸臂桁架混合，裙房采用鋼管混凝土框架-鋼支撐體系。鋼筋混凝土核心筒和支撐承擔大部分地震荷載產(chǎn)生的水平側(cè)力，而剪力墻洞口連梁的設置既起著調(diào)節(jié)和保證剪力墻側(cè)向剛度的作用，同時在遭受強烈地震時，多數(shù)連梁在墻肢屈服之前首先屈服，發(fā)揮其塑性變形能力，耗散地震能量，有效減輕主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損壞。為增加結(jié)構(gòu)整體剛度，在23層及頂層沿東西方向設置五道整層高的伸臂桁架。

3.2對底部裙樓偏置引起的扭轉(zhuǎn)位移比過大所采取的措施

(1)在裙房及主樓西北角設置五道鋼支撐，來減小質(zhì)心剛心偏置引起的扭轉(zhuǎn)位移比偏大的情況。

(2)小震下控制裙房柱軸壓比<0.6，以增加結(jié)構(gòu)延性。

3.3對底部裙樓部分樓板開大洞的驗算及構(gòu)造加強措施

(1)增加構(gòu)件的性能設計，裙房開大洞四周柱性能目標定為中震彈性。

(2)由于4層頂樓板開有大洞口，局部樓板缺失面積達到55%，為如實反映該層樓板的空間工作特性，防止其因承擔過多的水平剪力和變形，在樓板薄弱處較早的進入塑性變形甚至破壞狀態(tài)，造成結(jié)構(gòu)的安全隱患，對樓板計算采用符合其受力的彈性樓板模型進行驗算，并根據(jù)中震不屈下樓板的應力圖進行設計，選定該層樓板厚度為150 mm、混凝土強度等級為C35、14@150雙層雙向配筋，以適當提高其抗拉承載力和抗拉剛度。

3.4 增強核心筒延性的措施

為改善混凝土核心筒的延性，采取了以下措施：

(1)核心筒底部加強部位墻肢內(nèi)設置型鋼，鋼梁與核心筒連接部位全高設置型鋼，墻體軸壓比控制在0.45范圍內(nèi)。

(2)核心筒、加強層及其上下各一層柱按特一級構(gòu)造。

(3)底部加強區(qū)及加強層剪力墻墻體配筋率提高至0.6%；底部加強區(qū)剪力墻邊緣構(gòu)件體積配箍率提高20%。

(4)中震作用下，拉力由全截面承擔。

(5)加強層及其相鄰上下層核心筒墻肢應按底部加強區(qū)部位要求設置并設置約束邊緣構(gòu)件。

(6)水平結(jié)構(gòu)體系與措施。框架梁及次梁采用H型鋼梁，以利于減輕結(jié)構(gòu)自重。為加強結(jié)構(gòu)整體性，核心筒內(nèi)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板，板厚為150 mm，核心筒外采用鋼筋桁架樓承板，板厚為110 mm。對開洞部位樓板進行中震應力分析，加厚樓板加強其配筋。

(7)加強層結(jié)構(gòu)體系與措施。為增加加強層的整體性，加強層及上一層核心筒內(nèi)、外均采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板，板厚為200 mm，采用雙層雙向配筋，配筋按照中震不屈下樓板受力配筋，以適當提高其抗拉承載力和抗拉剛度，協(xié)調(diào)柱與核心筒變形和傳遞水平力，提高抗側(cè)及抗扭剛度。

4 上部結(jié)構(gòu)設計

4.1 地震作用結(jié)構(gòu)抗震基本參數(shù)

根據(jù)GB 50223—2008《建筑工程抗震設防分類標準》規(guī)定，結(jié)構(gòu)抗震設防類別：1～5層為乙類；6至頂層為丙類。結(jié)構(gòu)分析和設計參數(shù)見表1。

表1 建筑結(jié)構(gòu)及設計參數(shù)

4.2 結(jié)構(gòu)體系

該項目主體結(jié)構(gòu)總高度為149.96 m。基于建筑與結(jié)構(gòu)綜合考慮，采用鋼管混凝土框架(鋼筋混凝土核心筒與伸臂桁架混合)結(jié)構(gòu)體系；裙房采用鋼管混凝土框架-鋼支撐體系。

4.3 結(jié)構(gòu)抗震性能目標

參考JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》3.11節(jié)條文說明中的舉例及相關說明，綜合考慮該工程結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟性，將該工程抗震性能目標定義為C級。根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重要性將整體結(jié)構(gòu)構(gòu)件分為三大類：

(1)結(jié)構(gòu)構(gòu)件(關鍵構(gòu)件)：底部加強區(qū)(1～5層)、加強層(23層及32層)及其相鄰層的核心筒墻；伸臂桁架、與伸臂桁架相連的框架柱；全樓角柱; 五層樓板開大洞四周框架柱。

(2)結(jié)構(gòu)構(gòu)件(普通構(gòu)件)：非底部加強區(qū)及非加強層核心筒墻、除角柱以外的框架柱。

(3)結(jié)構(gòu)構(gòu)件(耗能構(gòu)件)：框架梁、連梁及裙房支撐。

4.4 結(jié)構(gòu)彈性分析結(jié)果

結(jié)構(gòu)計算模型如圖2所示，其結(jié)構(gòu)彈性分析結(jié)果見表2。

表2 結(jié)構(gòu)彈性分析結(jié)果

圖2 結(jié)構(gòu)計算模型

X、Y方向的振型參與質(zhì)量為95.73%及96.07%(PKPM結(jié)果)，92.62%及93.77%(MIDAS結(jié)果)滿足JGJ 3中90%的要求。

第一扭轉(zhuǎn)振型周期與第一平動周期的比值為0.76(PKPM結(jié)果)和0.75(MIDAS結(jié)果)，小于JGJ 3中的限值0.85。

4.5 大震彈塑性時程分析

該工程共選擇了兩組天然波和一組人工波共三組地震波來進行結(jié)構(gòu)的罕遇地震彈塑性時程分析。計算軟件采用由廣州建研數(shù)力建筑科技有限公司開發(fā)的新一代“GPU+CPU”高性能結(jié)構(gòu)動力彈塑性計算軟件PKPM-SAUSAGE(PKPM Seismic Analysis Usage)。結(jié)構(gòu)塑性損傷情況如下：

(1)結(jié)構(gòu)外框架型鋼梁中最大塑性應變?yōu)?.002 3，屬于輕度破壞，塑性應變區(qū)域主要集中在底部和中部。加強層支撐未出現(xiàn)塑性應變。其余部位未見明顯塑性應變。

(2)外框架鋼管混凝土柱未出現(xiàn)受壓破壞。

(3)鋼管混凝土柱中鋼材沒有發(fā)生塑性應變，結(jié)構(gòu)整體具有較大的安全儲備。

4.6 伸臂桁架典型節(jié)點分析

采用 ABAQUS6.11進行三維幾何實體建模與有限元計算，如圖3和圖4所示。

圖3 節(jié)點示意圖

圖4 大震工況組合作用下節(jié)點-應力分布

取 23 層伸臂桁架兩個節(jié)點進行三維實體建模分析，考慮了多遇地震、中震彈性和罕遇地震三種工況組合。計算結(jié)果表明：

(1)所有荷載組合作用下節(jié)點區(qū)域的鋼板應力均小于Q390的屈服應力，處于彈性工作狀態(tài)，滿足設計要求。

(2)豎向荷載作用下最大應力為38.89 MPa，發(fā)生在節(jié)點板與箱型斜腹桿翼緣連接處，小于Q390的屈服應力。

(3)多遇地震組合作用下，最大應力為130.1 MPa，發(fā)生在支撐與鋼梁翼緣連接根部，小于Q390的屈服應力。

(4)中震不屈作用下，最大應力為291.7 MPa，發(fā)生在節(jié)點板與箱型斜腹桿翼緣連接處，小于Q390的屈服應力。

(5)罕遇地震組合作用下，最大應力為378.5 MPa，發(fā)生在支撐與鋼梁翼緣連接根部，小于Q390的屈服應力。

5 結(jié)語

綜上所述，該工程雖然存在裙房與主樓相鄰層質(zhì)心相差20%、五層開洞面積55%、設置2個加強層抗剪承載力突變、裙房北側(cè)及中庭存在穿層柱、局部鋼梁外挑超4 m等超限情況，但通過結(jié)構(gòu)的合理布置調(diào)整和對關鍵構(gòu)件的加強，可以滿足JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設防要求和該工程的抗震性能目標要求。通過對結(jié)構(gòu)薄弱部位采取合理的加強和構(gòu)造措施，該工程的結(jié)構(gòu)安全性能得到保證，并能滿足建筑物的使用要求。