旭輝七里莊綜合樓超限異形墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

馮旭光, 孔 慧, 毛彥喆, 龔少煒, 陸宜倩, 熊羽豪

(1 中國建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013；2 中建研科技股份有限公司，北京 100013)

1 工程概況

旭輝七里莊綜合樓項(xiàng)目位于北京市豐臺區(qū)七里莊地區(qū),建筑方案方為美國斯蒂文·霍爾建筑師事務(wù)所(Steven Holl Architects),結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)單位為中國建筑科學(xué)研究院有限公司。總建筑面積28 243m2,其中地上建筑面積15 455m2,地下建筑面積12 788m2。項(xiàng)目地上共9層,功能為商業(yè)辦公,建筑高度40m,首層層高5.4m,2～8層層高4.0m,9層層高4.4m。地下室共3層,主要用作停車庫和設(shè)備用房。其中,地下1層層高6m(帶局部夾層),地下2層層高4.7m,地下3層層高3.8m,局部為人防區(qū)域。建筑效果圖詳見圖1,典型的建筑平面和外墻立面見圖2和圖3。

圖1 旭輝七里莊商業(yè)綜合樓效果圖

圖2 典型樓層建筑平面圖

圖3 南立面外墻圖

應(yīng)建筑方案設(shè)計(jì)方要求,外墻需采用清水混凝土墻以實(shí)現(xiàn)其獨(dú)特立面效果。清水混凝土墻一次澆筑成形,通過嚴(yán)格控制混凝土配合比、鋼筋定位及保護(hù)層厚度,優(yōu)選模板類型及脫模劑,拆模后特殊養(yǎng)護(hù)等施工工藝可以獲得平整光滑的自然表面,不需要額外的面層裝飾。若采用框架結(jié)合二次砌筑的方式,外墻可能留有接縫,且錯(cuò)落的立面上難以布置通高豎直框架柱,因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)最終決定把特殊形態(tài)的外墻直接作為豎向構(gòu)件。根據(jù)弧形采光頂?shù)幕《瓤蓪⒔Y(jié)構(gòu)分為四段,典型山墻立面如圖4所示。各段南北側(cè)外墻與東西側(cè)的外墻或山墻形成剪力墻空間結(jié)構(gòu)體系,類似于混凝土“腔”,示意見圖5。各段有零星落地的短肢內(nèi)墻用以支撐樓面。外墻與山墻厚度為400mm,內(nèi)墻厚度為200～400mm。為滿足結(jié)構(gòu)嵌固在地下室頂板,首層剪力墻均延至地下1層。部分剪力墻在地下2層頂板轉(zhuǎn)換,以保證地下2、3層停車庫的使用功能,轉(zhuǎn)換梁采用型鋼混凝土梁。樓面采用鋼筋混凝土現(xiàn)澆梁板結(jié)構(gòu)。

圖4 ⑩軸山墻立面圖

圖5 剪力墻空間結(jié)構(gòu)體系示意

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年,安全等級為二級,場地類別為Ⅱ類,抗震設(shè)防烈度為8度(0.2g),設(shè)計(jì)地震分組為第二組,抗震設(shè)防類別為丙類。地上及地下1層結(jié)構(gòu)抗震等級為二級,地下2層及以下抗震等級為三級[1]。

2 地基及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

本工程地下室共3層,基底相對標(biāo)高為-15.30m,東側(cè)因機(jī)房設(shè)備要求需局部降板,基底相對標(biāo)高為-17.80m。根據(jù)項(xiàng)目巖土工程勘察報(bào)告[2],地基直接持力層為卵石層,可采用天然地基,地基承載力為400kPa。為增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性,基礎(chǔ)形式采用筏板基礎(chǔ),筏板厚度700mm,局部設(shè)下反柱墩。基礎(chǔ)平面布置見圖6。持力層土層下伏有較軟弱的砂質(zhì)粉土-黏質(zhì)粉土層和粉質(zhì)黏土層,經(jīng)驗(yàn)算,下臥層承載力滿足要求。

圖6 基礎(chǔ)及抗浮錨桿布置

根據(jù)項(xiàng)目設(shè)防水位咨詢報(bào)告[3],抗浮水位相對標(biāo)高為-3.2m,浮力水頭達(dá)到12.1～14.4m。地下室西側(cè)為純地下車庫,東側(cè)為局部深挖區(qū)域,抗浮穩(wěn)定性不滿足要求,采用抗浮錨桿抵抗水浮力,布置見圖6。

3 地上結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)超限情況及措施

地上建筑高度40m,短向跨度為28m,建筑高寬比為1.43。建筑高度及高寬比均滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)[4](簡稱高規(guī))要求。根據(jù)《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)[5](簡稱超限審查要點(diǎn)),結(jié)構(gòu)存在以下不規(guī)則項(xiàng)[6]:1)樓層扭轉(zhuǎn)位移比>1.2,屬于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則;2)存在凹凸尺寸大于相應(yīng)邊長30%的情況,屬于凹凸不規(guī)則;3)結(jié)構(gòu)首層中部存在挑空、樓板斷開,屬于樓板不連續(xù);4)結(jié)構(gòu)存在較多的外墻(豎向構(gòu)件)大懸挑,屬于尺寸突變;5)墻肢豎向不連續(xù),屬于構(gòu)件間斷。綜上,本結(jié)構(gòu)高度為A級,存在5項(xiàng)一般不規(guī)則項(xiàng),屬于特別不規(guī)則結(jié)構(gòu)。

針對此特別不規(guī)則結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)時(shí)考慮了性能化設(shè)計(jì),總體性能目標(biāo)根據(jù)高規(guī)設(shè)為D級,關(guān)鍵構(gòu)件性能目標(biāo)比D級適當(dāng)提高。并在設(shè)計(jì)時(shí)采取了以下加強(qiáng)措施:

(1)設(shè)計(jì)時(shí)考慮雙向地震作用,控制結(jié)構(gòu)在地震作用下樓層位移比與層間位移比不超過1.4,結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一周期與平動周期之比不超過0.9。

(2)采用PKPM和ETABS軟件有限元計(jì)算結(jié)果包絡(luò)設(shè)計(jì)。

(3)嚴(yán)格控制剪力墻的剪壓比和中震下拉應(yīng)力,在受剪或拉應(yīng)力較大的墻體內(nèi)埋置型鋼。

(4)橫向?qū)挾容^小的樓板厚度不小于200mm,采用雙層雙向配筋,各層單向配筋率不小于0.3%;采用ETABS軟件分析中震下樓板應(yīng)力情況,對薄弱部位增加板厚和配筋。

(5)懸挑部位結(jié)構(gòu)冗余度低,破壞后有垮塌風(fēng)險(xiǎn),設(shè)計(jì)時(shí)指定其為關(guān)鍵構(gòu)件,提高性能目標(biāo),按“中震彈性、大震抗剪不屈服”設(shè)計(jì),并在設(shè)計(jì)時(shí)考慮豎向地震作用。

3.2 整體指標(biāo)

本工程嵌固在地下1層頂板,取嵌固端以上部分建立結(jié)構(gòu)計(jì)算模型,用SATWE和ETABS兩款有限元軟件分別進(jìn)行整體計(jì)算,見圖7。

圖7 整體分析模型

結(jié)構(gòu)基本周期結(jié)果見表1,扭轉(zhuǎn)周期與第一平動周期比小于0.85,滿足高規(guī)關(guān)于高層建筑周期比的要求,周期合理,扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)較小。

表1 結(jié)構(gòu)基本周期計(jì)算結(jié)果

結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下的基底剪力、底部傾覆力矩如表2所示,結(jié)果表明X、Y向最小剪重比分別為12.0%、12.3%,均大于3.2%,滿足規(guī)范要求。

表2 多遇地震下基底剪力和傾覆力矩計(jì)算結(jié)果

結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下的層間位移角指標(biāo)如表3所示。本項(xiàng)目為高度較低的剪力墻結(jié)構(gòu),層間位移角指標(biāo)遠(yuǎn)小于規(guī)范限值1/1 000,且最大層間位移比小于1.4,剛度指標(biāo)滿足規(guī)范要求。

3.3 異形墻有限元分析

在剪力墻結(jié)構(gòu)體系中,墻體是支撐樓面、將各層重力荷載向下傳遞的主要構(gòu)件,也是地震作用時(shí)關(guān)鍵的抗側(cè)力構(gòu)件。本工程空間造型復(fù)雜,變化不規(guī)則,外墻存在水平或豎向不連續(xù)的情況,且主要橫墻在頂部存在弧形造型。上述異形墻體在重力和地震作用下的受力狀況較為復(fù)雜,設(shè)計(jì)時(shí)使用ETABS軟件對異形墻體進(jìn)行三維空間受力分析,并依據(jù)分析結(jié)果判斷其受力性質(zhì),針對性地使用相應(yīng)設(shè)計(jì)方法并采取加強(qiáng)措施,以保證異形墻體的安全可靠。以南、北立面兩片墻為例進(jìn)行分析。

北立面外墻在中震下各工況組合的水平向與豎向拉應(yīng)力(包絡(luò)值)分布如圖8所示。圖8(a)顯示懸挑墻根部層高4m范圍內(nèi)(SC1)出現(xiàn)較大拉應(yīng)力,截面切割得出此區(qū)域拉力Nk= 8 542kN。此處可設(shè)置層間暗梁[7],暗梁縱筋面積As為:

圖8 中震作用下北立面外墻拉應(yīng)力云圖(包絡(luò))/MPa

(1)

式中fyk為縱筋的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

經(jīng)計(jì)算,暗梁縱筋需21 500mm2。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí),在4m墻高范圍內(nèi)以墻體分布筋的形式設(shè)置了16排共計(jì)44根25鋼筋以抵抗拉力[8]。

圖8(b)表明中震時(shí)部分墻肢出現(xiàn)全截面受拉,可通過增加剪力墻縱筋面積并設(shè)置型鋼來抗拉。提取最左段墻肢(SC2)墻肢內(nèi)力,中震下墻肢拉力Nk=15 302kN,墻肢平均名義拉應(yīng)力σt=3.94MPa,因ftk=2.64MPa<σt<2ftk,根據(jù)超限審查要點(diǎn)的要求,墻肢內(nèi)應(yīng)設(shè)置型鋼,當(dāng)采用Q355B鋼材(屈服強(qiáng)度fay=345MPa)時(shí),型鋼面積應(yīng)滿足Aa=Nk/fay=44 354mm2(含鋼率ρa(bǔ)=1.14%)。除上述拉應(yīng)力集中的區(qū)域,局部墻體中的分布拉應(yīng)力最大值約為2.5MPa,考慮拉應(yīng)力由鋼筋承受時(shí),局部所需分布筋配筋率ρs=0.63%。

南立面外墻在中震下各工況組合的剪應(yīng)力(包絡(luò)值)分布如圖9所示。底層落地墻肢和懸挑墻根部剪應(yīng)力較大,應(yīng)適當(dāng)增加分布筋。在中間段弱連接處,墻截面高度較小,應(yīng)力較為集中,可采取局部加強(qiáng)措施,如增加對角斜筋、鋼板或局部加厚墻體等。對于這些連接較弱處的墻梁,按中震不屈服工況校核其截面受剪能力,應(yīng)滿足:

圖9 中震作用下南立面外墻剪應(yīng)力云圖(包絡(luò))/MPa

Vk≤0.15βcfckbwh0

(2)

式中:Vk為中震工況的墻梁剪力標(biāo)準(zhǔn)組合值;βc為混凝土強(qiáng)度影響系數(shù);fck為混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值;bw和h0分別為梁寬與截面有效高度。

提取中部弱連接處截面SC3(墻體混凝土等級為C50)的內(nèi)力,其剪力最大值Vk=10 652kN,超過公式(2)右側(cè)的限值7 104kN,不滿足截面剪壓比條件。當(dāng)設(shè)置交叉斜筋時(shí),可將剪壓比系數(shù)提高至0.25,此時(shí)公式(2)右側(cè)限值為11 840kN,滿足剪壓比要求。實(shí)際工程中設(shè)置了斜向交叉鋼板。

3.4 剪力墻性能化設(shè)計(jì)和型鋼設(shè)置

本工程剪力墻底部加強(qiáng)部位的抗震性能目標(biāo)為中震抗剪彈性、抗彎不屈服,大震抗剪不屈服,同時(shí)需要滿足超限審查要點(diǎn)中關(guān)于中震下墻肢拉應(yīng)力的要求。經(jīng)驗(yàn)算,鋼筋混凝土剪力墻無法滿足,需要在部分墻肢中設(shè)置型鋼或鋼板。由于建筑條件限制,剪力墻厚度不能超過400mm,為減少與鋼筋相互干擾,提高施工便利性,在墻體內(nèi)設(shè)置了小截面工字形鋼骨,典型的節(jié)點(diǎn)如圖10所示。

圖10 型鋼剪力墻節(jié)點(diǎn)大樣

3.5 中震樓板應(yīng)力分析

樓面結(jié)構(gòu)體系是傳遞豎向荷載和水平荷載的重要組成部分。豎向荷載主要通過樓板傳遞給樓面梁,再通過樓面梁將豎向荷載通過剪力墻和柱向下傳遞;同時(shí),樓面系統(tǒng)聯(lián)系著墻肢,是水平作用下結(jié)構(gòu)體系變形協(xié)調(diào)、發(fā)揮結(jié)構(gòu)空間整體性能的重要構(gòu)件。本工程建筑樓面不規(guī)則,樓板凹凸變化較大,局部樓板有效寬度較小,需要補(bǔ)充樓板在地震作用下的應(yīng)力分析。分析時(shí)使用ETABS軟件,樓板采用殼單元(Shell-thin)模擬。

以6層樓板為例,中震作用下樓板拉應(yīng)力如圖11所示。應(yīng)力較大處可采用設(shè)置剪力墻暗梁、增加板厚和雙層雙向配筋等措施加強(qiáng)樓板。除了與剪力墻連接處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,在連接薄弱部位樓板拉應(yīng)力最大值達(dá)到2.5MPa,可局部附加鋼筋抗拉,單向附加配筋率ρs=σsk/fyk=0.69%。

圖11 6層樓板中震下拉應(yīng)力/MPa

3.6 外墻懸挑舒適度分析

本工程局部樓層外挑,需對懸挑較大處進(jìn)行舒適度分析以驗(yàn)算結(jié)構(gòu)能否滿足使用要求。在模型中以薄殼模擬外墻和樓板,模態(tài)分析使用里茲向量法并考慮豎向分量,以快速高效地獲取樓板豎向振動信息[9]。北立面懸挑處豎向分量較大的振型頻率為f1=2.54Hz,詳圖12中1～4點(diǎn)。根據(jù)《建筑樓蓋結(jié)構(gòu)振動舒適度技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 441—2019)[10],以行走激勵(lì)為主的樓蓋結(jié)構(gòu),豎向振動峰值加速度不應(yīng)大于0.05m/s2(辦公區(qū)域)。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)確定的單人行走激勵(lì)如圖13所示。由各懸挑處的樓板面積可用隨機(jī)概率模擬方法估算同步行走人數(shù)[11],將單人激勵(lì)乘以同步人數(shù)后加載到懸挑端,計(jì)算各點(diǎn)振動峰值加速度。計(jì)算結(jié)果詳見表4,各懸挑處舒適度均滿足要求。

表4 懸挑平臺端部節(jié)點(diǎn)舒適度驗(yàn)算

圖12 結(jié)構(gòu)第一階豎向振型圖(f1=2.54Hz)

圖13 單人行走激勵(lì)時(shí)程曲線

3.7 溫度作用分析及應(yīng)對措施

本工程縱向外墻較長,南立面墻體全長未設(shè)縫,溫度變化較大時(shí)易產(chǎn)生裂縫。由于建筑外立面采用清水混凝土墻,有較高外觀要求,因此應(yīng)當(dāng)采取相應(yīng)措施,避免或減小外墻上溫度裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。分析時(shí),施加溫度作用(±25℃),外墻溫度應(yīng)力分布如圖14所示。在應(yīng)力較大處適當(dāng)提高分布筋配筋率。如圖中圓圈區(qū)域溫度作用下拉應(yīng)力較大,約為0.58MPa,所需分布筋配筋率ρs=0.15%,此處外墻分布筋需附加10@200。同時(shí)可采取小直徑小間距的方式加密配筋,以應(yīng)對溫度裂縫的發(fā)展。為防止長條形外墻在混凝土澆筑和養(yǎng)護(hù)時(shí),由于收縮不均或溫度變化產(chǎn)生裂縫,在中間段設(shè)置了溫度后澆帶。

圖14 溫度作用下外墻應(yīng)力分布(-25℃)/MPa

3.8 大震彈塑性時(shí)程分析

為判斷結(jié)構(gòu)薄弱部位,驗(yàn)算結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的性能,本工程使用動力彈塑性計(jì)算軟件SAUSAGE對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大震彈塑性時(shí)程分析,剪力墻損傷結(jié)果見圖15。本項(xiàng)目規(guī)模與高度較小,且各段外墻和山墻組成了整體性較好的空間受力體系,總體來看豎向落地墻肢的損傷較小,各段的水平向連接薄弱的墻段損傷較大,尤其是南側(cè)外墻中間段的弱連接處損傷較為嚴(yán)重,與前述異形墻體有限元分析結(jié)果相似。彈塑性層間位移角最大值為1/131,未超過限值1/120,可以滿足“大震不倒”的設(shè)防目標(biāo)。

圖15 大震彈塑性時(shí)程分析墻體損傷圖

針對各段的薄弱連接處,設(shè)置了斜向交叉鋼板予以加強(qiáng),如圖16所示。同時(shí),設(shè)計(jì)時(shí)假設(shè)極端情況下這些墻肢發(fā)生斷裂,對其余完整部分進(jìn)行了包絡(luò)設(shè)計(jì)。

圖16 外墻薄弱連接處交叉鋼板

4 結(jié)語

旭輝七里莊綜合樓造型奇特,屬于特別不規(guī)則結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有較大挑戰(zhàn)性。這種異形墻結(jié)構(gòu)在國內(nèi)尚缺少相似案例和經(jīng)驗(yàn),結(jié)構(gòu)工程師在設(shè)計(jì)時(shí)可基于對現(xiàn)有規(guī)范的理解,注重結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)。具體設(shè)計(jì)時(shí),可在常規(guī)分析基礎(chǔ)上,進(jìn)行充分的專項(xiàng)分析,例如本文所提到的異形墻體有限元分析、樓板應(yīng)力分析、外墻懸挑樓分析、溫度作用分析、大震彈塑性時(shí)程分析等,以確保結(jié)構(gòu)安全合理,滿足抗震性能要求。目前項(xiàng)目已完成施工并投入使用,本文可為今后可能出現(xiàn)的類似工程設(shè)計(jì)提供參考。