威星智能总部大楼结构设计

1 工程概况

威星智能总部大楼位于杭州市余杭区良渚街道,项目地上12层,地下2层,屋面结构高度48.9 m,首层层高6.0 m,标准层层高3.9 m,主要功能为厂房,效果图见图1。建筑东西两侧主楼通过两连廊连接,形成中部12层通高采光厅,典型建筑平面见图2,东侧主楼采用两层通高的钢结构斜撑转换,实现建筑南北两端首层无柱的大空间效果,同时东侧主楼南北两端由于通高屋顶花园的存在,在不同楼层出现了穿层柱。

图1 建筑效果图

图2 典型建筑平面

2 结构体系

2.1 结构设计的主要参数

本项目设计基准周期为50年,建筑安全等级二级,结构重要性系数1.0,建筑设防分类为丙类。抗震设防烈度为6度,设计基本加速度峰值为0.05 g,建筑场地类别为Ⅲ类,设计地震分组为第一组,场地特征周期为0.45 s,基本风压为0.45 kN/m2,地面粗糙度B类。多遇地震弹性分析时结构阻尼比取0.05,周期折减系数取0.75；采用等效弹性法进行设防地震和罕遇地震计算时的阻尼比和周期折减系数取值见下文。

本工程属于A级高度,根据《高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ 3—2010)》[1](以下简称《高规》)的规定,上部结构剪力墙抗震等级为三级,框架抗震等级为四级。考虑到本项目连廊连接部位及转换部位受力的复杂性,将与连廊相连的剪力墙筒体(已包含转换部位剪力墙)及连廊的框架梁抗震等级提高为二级；转换区域斜撑及与斜撑相连的框架梁(内伸一跨)抗震等级也提高为二级；与斜撑相连的框架梁内伸一跨相交的框架柱抗震等级提高为三级[2]。

本项目所选用的混凝土强度等级为C30～C50,钢筋均采用HRB400,普通钢构件选用Q345B,斜撑及与斜撑相连的钢梁(斜撑方向)采用Q390B。

2.2 结构体系

本项目采用框架-剪力墙结构,与连廊连接部位设置4个剪力墙筒体,标准层典型结构平面布置见图3。东侧主楼2～3层通过钢结构斜撑转换南北端首排柱子,与钢梁相连柱采用型钢混凝土柱,钢梁延伸一跨范围采用型钢混凝土梁,转换部位三维图见图4。

图3 典型平面布置

图4 转换部位三维图

2.3 结构超限情况及性能目标

本项目存在扭转不规则(偏心布置)、楼板不连续、竖向构件间断、承载力突变、含局部穿层柱等5项不规则。针对上述不规则情况,从结构体系、设计内力调整、增强重要构件延性等方面着手,采取抗震性能设计方法进行分析设计,本项目按C级性能目标进行设计。将底部加强区所有竖向构件、斜撑、吊柱、被抬柱首层、转换区域的竖向构件及框架梁定义为关键构件,其余框架梁和剪力墙连梁定义为耗能构件,地下室及其余竖向构件按普通竖向构件设计。具体性能水准见表1。

表1 结构构件抗震承载力性能水准

3 结构分析和结果

3.1 分析与设计要点

本项目的结构静力分析、弹性时程分析采用YJK软件(1.8.2.2版),弹塑性动力时程分析采用PKPM-SAUSAGE(V3.1版)[3],整体指标对比采用YJK和MIDAS Building(V2016版)。根据项目的特点和不规则性,结构分析要点如下：

1)由于本项目楼板不连续情况较严重,因此上部所有楼层均采用弹性膜计算,不考虑楼板的面外刚度。补充小震、中震作用下的连廊部位楼板应力分析以及大震作用下楼板损伤及钢筋塑性应变,同时分别计算东西侧主楼断开情况下的动力特性。

2)基于斜撑转换区域的重要性,转换区域楼板按应力配筋,并补充此区域 “零楼板”计算,梁按“零楼板”与弹性膜包络结果配筋。

3)通过大震下动力弹塑性分析,找出结构的薄弱部位,并采取相应加强措施。

3.2 主要计算结果

3.2.1 风荷载和多遇地震下弹性分析结果

采用MIDAS Building软件和YJK软件进行分析,计算结果见表2。由表2可知,两种软件的结果较为吻合,其中前2阶均为平动,第3阶为扭转,第一扭转周期和第一平动周期之比Tt/T1满足规范要求。结构前3阶振型见图5。

表2 风荷载和多遇地震作用下计算结果

注：结构自振周期中括号内数据为平动系数+扭转系数。

图5 YJK前三阶振型简图

3.2.2 设防烈度地震反应

采用等效弹性法计算中震作用下的结构反应,阻尼比取0.06,周期折减系数取0.85,连梁刚度折减系数取0.6。中震作用下关键构件的配筋均在合理范围内,未出现超筋现象,X向层间位移角为1/1 332,Y向层间位移角为1/1 056。本项目中震作用下,5层楼面以下局部墙肢出现较小拉应力,拉力值均小于0.5ftk,5层楼面以上剪力墙、框架柱中震下均未出现拉应力,对于出现拉应力的构件适当提高竖向钢筋配筋率[4]。各类构件均满足既定的承载力水准要求。

3.2.3 罕遇地震作用下的动力弹塑性时程分析

对结构进行大震动力弹塑性分析,根据分析结果确定薄弱部位和薄弱构件,对这些薄弱部位和构件进行针对性的加强,实现重要部位构件不出现中度损坏的目标,满足“大震不倒”的设防水准要求。

按照规范要求选用一组人工波和两组天然波。大震弹塑性时程分析得到的结构最大基底剪力、CQC大震等效弹性法基底剪力、最大顶点位移、层间位移角最大值和发生楼层汇于表3中。大震动力弹塑性时程分析所得的基底剪力与CQC大震等效弹性法所得的基底剪力比值在68%～126%之间。根据《建筑抗震设计规范(GB 50011—2010)》[5]第3.10.4条第3款及条文说明的要求,计算得到罕遇地震作用下的最大弹塑性层间位移角参考值X向为1/389,Y向为1/316。满足性能4要求。

在进行动力弹塑性时程分析过程中,对于出现中度损伤的关键构件进行加强调整,直至满足要求为止。对主要剪力墙进行编号,见图6(此处仅给出了东侧主楼南端筒体剪力墙编号)。

图6 典型墙肢编号示意

图7 墙肢加强前后损伤对比图(RGB1,X向)

图8 全楼墙肢受压损伤图(RGB1,X向)

图9 楼板损伤(RGB1-Y向)

图10 楼板钢筋塑性应变

其中W1墙由于一层洞口上下错开,导致两洞口间墙肢有重度损坏。通过在洞口边加设型钢暗柱,使得此墙肢在大震下基本没有损伤,加强前后此处墙肢的损伤对比图见图7；后续结果均为采取加强措施后的弹塑性动力分析的结果。图8为全楼剪力墙墙肢受压损伤图。图9为楼板的损伤,图10为楼板钢筋的塑性应变(仅给出了局部几层结果,其余层结果接近,此处省略)。从计算结果可知,关键构件限于轻度损坏,普通竖向构件限于中度损坏,只有部分耗能构件发生比较严重的损坏,满足性能水准4的要求。转换区域楼板完整性较好,受压损伤值在0.2以内,代表该区域混凝土板尚未达到抗压强度标准值,楼板处于轻度损伤状态；连廊区域楼板没有损伤,所有楼板钢筋均没有产生塑性应变,说明在地震作用下连廊起的协调作用非常弱,大震作用下,连廊位置不会发生破坏。

4 结 语

本工程为规则性超限的复杂项目,采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系,根据结构的特点在局部部位采用了钢结构、型钢混凝土梁和型钢混凝土柱。分析了地震作用下连廊对东西侧主楼的协调作用,并对结构进行了中震和大震作用下的性能设计,同时补充了大震下的动力弹塑性时程分析。计算结果表明,本项目可以满足既定性能目标C的要求。

参 考 文 献

[1] 中国建筑科学研究院.JGJ 3—2010高层建筑混凝土结构技术规程 [S]. 北京：中国建筑工业出版社,2011．

[2] 徐培福,傅学怡,王翠坤,等. 复杂高层建筑结构设计[M]. 北京：中国建筑工业出版社,2005．

[3] 广州建研数力建筑科技有限公司.PKPM-SAUSAGE高性能弹塑性动力时程分析软件使用手册[M].广州：广州建研数力建筑科技有限公司,2016.

[4] 中国建筑科学研究院.GB 50010—2010混凝土结构设计规范 [S]. 北京：中国建筑工业出版社,2011．

[5] 中国建筑科学研究院.GB 50011—2010建筑抗震设计规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社,2016．