重庆仙桃数据谷11#楼复杂多塔连体结构设计

廖昉，马悦，田宗宇，梁涛

（中机中联工程有限公司，重庆 400039）

1 工程概况

仙桃数据谷位于重庆渝北区悦来国际商务区，主要布局大数据、云计算和跨境电子商务等新兴产业，致力于积聚大数据全产业链，包括数据感知、存储、挖掘分析及应用等。该工程为重庆市仙桃数据谷项目的办公楼项目11#楼，位于整个园区的二期中央核心位置。建筑分类为高层公共建筑，设计耐火等级地上二级，地下一级，建筑工程设计等级一级，使用功能为办公、展览馆及车库。该工程包括地下车库和地上塔楼，建筑面积约2.9万m2。该项目已于2016年10月开工建设。本文重点介绍11#楼的设计情况。整体建筑效果图如图1所示。

图1 建筑效果图

11#楼建筑面积约为2.9万m2，地下1.2万m2，地上1.7万m2。地下2层，地下室西侧为与13#塔楼地下室的结构脱缝位置。地上5层，由两个镜像的连体塔楼A、B组成，其中北侧的连体编号为A塔，南侧的连体编号为B塔。在第1层至第3层，A、B两个塔又各自分为两个结构单元，在第4层至第5层，结构中的单塔组合为两个连体结构，塔数合并为两个，塔楼形状为两个长矩形。两栋连体塔楼屋顶设置一跨度33.6m的钢结构屋盖。1-2层为大堂和展览功能，层高5.1m，3-5层为办公，层高4.5m。结构平面布置如图2和图3所示。

图3 第四层连体层结构平面布置图

2 结构设计

2.1 结构体系的选择

该工程采用现浇钢筋混凝土框架结构，两个分塔大跨度连体部分采用型钢混凝土梁。主体结构总高34.8m，车库层部分9.0m，地上部分25.8m。第九层钢结构-混凝土连接层层高3.5m，顶层钢结构桁架高4.5m。

该工程场地类别为Ⅲ类，抗震设防烈度为6度，设计地震分组为第一组，嵌固端于基础顶部。

该工程因建筑需求和场地情况，为复杂多塔-连体结构。以车库顶板作为参照点，向上分为4个结构单元。如图2中所示，北侧的2个单元和南侧的两个单元分别在4层采用型钢梁强连接，形成南北两个连体塔。连体最大跨度为25.2m，在图3中，红色的梁线为型钢梁，根据建筑净高和外立面要求，典型梁截面为500×1400， 内藏型钢截面为H型钢1200×250×16×35。塔楼典型柱截面为800×800，图3中红色填充部分与连体相连的框架柱为型钢柱，柱混凝土标高从C50到C40（沿高度变化）。其中北侧的连体编号为A塔，南侧的连体编号为B塔。楼盖体系在车库顶板，及多塔分塔层板厚采用180mm，车库顶板以上楼盖板厚均采用140mm厚，梁板混凝土等级均为C40。型钢均采用Q345B。

整体计算模型三维透视如图4所示。

图4 整体计算模型三维透视图

2.2 关键构件和性能目标

该工程使用功能为办公楼，同时综合考虑抗震设防类别、设防烈度、场地条件等因素，根据《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010第3.11.1条及相关条文规定，并同时综合考虑抗震设防类别、设防烈度、场地条件、结构的特殊性、建造费用、震后损失和修复难易程度等因素，确定该工程抗震性能目标定为D级，以保证结构在极端地震条件作用下，仍然能够做到有序可控的发生构件破坏。

经过对该工程建筑结构特性分析，确定该工程最下部为两层车库对无填土一侧及相对侧框架柱和连体层与组成连接体框架梁、柱和与连接体相连的框架梁、柱定义为关键构件。此外，连体层的楼板也采取有效的加强措施。

3 结构计算分析

3.1 多遇地震分析

该工程的结构形式为两组连体形成的多塔结构，上部钢结构屋盖横跨两侧连体结构是该工程的一个重要特征。

在分析计算多塔和钢结构屋盖连体对单塔结构的影响时，遵循逐项剥离，排除干扰因素的科学研究原则，对结构的抗震性能进行了计算分析。在单塔结构模型中，钢结构所具有的质量已通过附加荷载的方式，施加在结构的相应柱截面上。

计算模型中定义了竖向荷载和水平荷载工况，其中竖向荷载工况包括结构自重，附加恒荷载以及活荷载，水平荷载工况包括地震作用和风荷载。对于小震的水平地震作用考虑双向地震以及偶然偏心的影响；考虑不同方向的地震作用；计算了竖向地震作用。地震作用的计算采取振型分解反应谱法。计算中考虑了结构的重力二阶效应。结构分析软件主要应用盈建科YJK结构计算软件，对关键参数采用CSI公司开发的ETABS进行对比分析（表1）。

表1 多塔模型与单塔模型分析结果对比

单多塔模型对比分析的主要目的为发现另外一个塔楼及钢结构屋盖带来的不利影响，从以上的分析结果可以看出，两个模型的振型、层间位移角、扭转位移比的规律基本一致，多塔模型因为有另一个塔楼及钢结构屋盖相连的原因，对高阶振型的影响较大，分担了部分单塔的地震作用力。多塔模型也具有更好的刚度，竖向变形更小。屋面钢结构屋盖对限制屋面的扭转变形有一定的帮助，但钢结构屋盖的刚度相对于底部主体结构要小很多，影响很小，但对振型的影响较为明显，相对于单塔模型，多塔模型具有更好的动力特性。

表2 多塔模型两种软件分析结果对比

对多塔模型进行分析时采用考虑扭转偶联的振型分解反应谱法并考虑偶然偏心的影响，计算振型数为60个。从YJK和ETABS两个程序振型对比分析的结果如表2所示，两者总质量、振动模态和周期基本一致，可初步判断模型的分析结果准确、可信，从周期分析结果可以看出结构的第一扭转周期与第一平动周期之比均满足规范0.85的要求，且结构的最小剪重比为1.364%，大于 《建筑抗震设计规范》第5.2.5条中的最小限值0.80%，满足规范要求。结构的刚重比大于20，能够通过高规的整体稳定验算，不考虑重力二阶效应。结构的最大位移角为1/1493，远小于规范限制1/550。最大位移比为1.45，大于规范限值1.40，出现的位置为车库顶板西南侧角部，其原因主要是因为该位置为脱缝位置，没有设置Y向的地下室外墙，而其余三侧均有地下室外挡墙，西侧脱缝位置 Y向刚度较弱，导致西侧角部Y向位移比偏大，我们进一步分析，在实际工程中该工程的南北侧均有室外回填土，可以提供相当程度的Y向约束。我们采用“土层水平抗力系数的比例系数（m值）”来考虑回填土对地下室的侧向约束。m值参考《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）表5.7.5中灌注桩稍密填土取值10MN/m4。按约束假定模型分析后结构的扭转位移比为1.15，满足规范要求。地下室顶板以上最大的扭转位移比为1.26（5层Y向），通过增加T1和T12轴两列边柱的截面增加到600×800来限制结构的扭转变形。

YJK与ETABS的分析结果接近，说明模型的分析结果准确、可信。在多遇地震作用下，结构构件均处于弹性状态，承载能力和各项指标满足规范要求。

3.2 多遇地震弹性时程补充分析

计算分析时选用Ⅲ类场地（Tg=0.45s）上的五条天然波及两条人工模拟的加速度时程曲线，采用主、次波的方式考虑双向地震作用。选取的地震波编号为Big bear907、Coalinga364、Northridge959、TH3TG045、Taiwan2960、RH1TG045、RH2TG045。各条波峰值加速度均调整为18gal，持续时间均大于25s，主次方向的比值为1.00：0.85。根据分析，在X方向和Y方向上每条时程曲线计算所得结构底部剪力大于振型分解反应谱法计算结果的65%，多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值大于振型分解反应谱法计算结果的80%，所选择地震波的时程分析曲线与反应谱分析曲线规律一致，结果相近，能够满足《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）第5.1.2条的规定。X方向与Y方向的反应谱分析结果未完全包络弹性时程分析的平均值，表明依据CQC方法的分析结果所进行的结构设计在乘以合适的放大系数后，所得到的计算结果符合多遇地震作用下的抗震性能设计要求。计算软件分析表明，反应谱与时程分析的结果之间具有一致性和规律性，符合工程经验及力学概念所做的判断。时程波的选取符合规范要求。

4 动力弹塑性分析

罕遇地震的非线性分析采用盈建科弹塑性动力时程分析软件（以下简称YJK-EP）软件，该软件适用于混凝土、钢材的空间非线性力学行为分析，采用FEMA破坏状态的判别和变形验算方法，进行不同性能水准的变形验算；采用非线性动力微分方程求解方法为等加速度的Newmark方法。

4.1 损伤评价标准

在YJK-EP中构件的损坏主要以混凝土的受压损伤因子及钢材（钢筋）的塑性应变程度作为评定标准。钢、钢筋纤维的损伤因子dstl由纤维的塑性应变与极限拉应变的比值计算获得。应力达到屈服强度之前，损伤因子dstl为0。总应变达到极限应变时，损伤因子为1。混凝土纤维的受拉或受压比损伤因子dt、dc依据《混凝土结构设计规范》附录C中公式计算。获得每个纤维的受拉或受压损伤因子之后，按面积、纤维材料的强度与纤维到截面形心的距离的平方三者的乘积作为权系数加权后得到截面的综合损伤值。

4.2 弹塑性分析结果

依据 《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）第3.11.4条条文说明，在进行弹塑性动力时程分析时，采用双向地震输入，即各向地震分量分别沿结构抗侧力体系的水平向（X、Y向）分别输入。水平主向、水平次向、竖向的加速度峰值按抗震规范1.0∶0.85∶0.65的比例要求进行调幅。选择了2组天然波 （Superstition Hills-02_NO_726，Irpinia， Italy-02_NO_302）和1组人工波（ArtWave-RH3TG055）进行弹塑性分析。

时程从图5中数据可知，4-6层为连体分开的层数，且楼层要高于上部连体层，这几层位移角相对较大，是设计阶段需要重点加强的部位。最大层间位移角均发生在第5层，X向最大位移角为1/138，Y向最大位移角为1/191。结构顶点绝对位移为屋面 （第8层）节点时程最大位移，计算侧移角时取结构高度为34.8m（嵌固端距屋面距离）。最大X向顶点位移为129.5mm，最大Y向位移为158.4mm，顶点位移角分别为1/268和1/224，小于1/50。表明结构在大震下有足够的抗侧刚度，能够实现大震不倒。

图5 包络工况的层间位移角

4.3 塑性损伤情况

在分析弹塑性结果中，框架柱最大受压损伤未超过0.2，框架柱最大受拉损伤未超过0.75（如图6所示），普遍损伤在0.5以内，部分挡墙受拉损伤超过了0.5结构的关键部位整体上塑性发展程度不高，与连体相连的框架柱损伤都控制在0.3以内。部分框架梁的梁端损伤较大，达到0.85以上，框架梁的损伤面积也相对较大，形成了较好的耗能体系。后期设计时应注意加强与连体向量的框架柱配筋率。

图6 包络工况框架柱综合受拉损伤云图

4.4 钢结构屋盖设计

该项目屋面为大跨度空间钢结构，整体外形为矩形平板外形，长轴84.5m，短轴52.1m。主桁架沿南北两个连体塔楼布置，最大跨度33.6m，跨中矢高2.5m，矢跨比为1/13.4，共10组主受力桁架，每榀桁架间距为8.4m，主桁架之间采用水平杆件和斜杆进行联系保证平面外稳定性并组成空间体系。次结构位于基本桁架上，为平面横纵交叉的圆管。屋面板为建筑玻璃，固定在每个节点上。钢屋盖采用Q345钢材，典型截面有主桁架上下弦杆Φ194×12mm圆管， 次要杆件采用Φ180×12mm、Φ150×10mm、Φ140×10mm等圆管。专项分析钢结构模型时采用SAP2000空间有限元计算软件，并采用3D3S进行模型正确性验证。

4.5 支座选择

该工程采用了普通橡胶支座和铅芯橡胶支座进行对比，铅芯隔震橡胶支座与普通橡胶支座相比，铅芯与板式都普通板式橡胶支座阻尼比在5%以下，铅芯隔震橡胶支座阻尼比一般可在15%以上.铅芯隔震橡胶支座在地震时可以延缓桥梁结构周期，大幅减小桥梁上部结构加速度，使上部钢结构屋盖受力情况大为改善，因而具有很好的隔震效果，且铅芯橡胶支座能保证小震和中震下的位移控制，并且可以释放大震的较大地震力，因此选择支座形式为铅芯橡胶支座，型号为LRB系列J4Q420×420×125G0.8，铅芯屈服力96kN，等效阻尼比22.4%。

组合横风和小震作用下的最不利工况，最大的水平剪力为70kN，最大位移为13.55mm未超过铅芯的屈服力96kN，因此认为支座可以满足弹性阶段承载力和位移的要求。竖向力分析中最大轴力为604.5kN，所选支座能够满足承载力要求。

4.6 风荷载分析

该工程钢结构屋盖体形为平板式，但根据建筑找坡需求，沿短轴中线平法，中间有微微起拱，分别往两侧找坡2%。根据《建筑结构荷载规范》GB50009-2012第8.1.1条进行风荷载计算，计算高度H=31m，迎风面宽度B=84.5m，T1=1.38s(按整体计算模型第一振型取值)，f1=1/T1=0.72Hz，地面粗糙度取B类，基本风压w0=0.4kN/m2。屋面的两侧的风吸荷载为0.7 kN/m2和1.3kN/m2。从两个正交方向进行风吸分析，采用不同的荷载组合分析最不利情况。恒载的参与系数为0.9，不考虑活载。从各工况分析结果中发现，钢结构屋盖最小轴力为57kN，未出现拉应力。

4.7 挠度分析

根据 《空间网格结构技术规程》JGJ7-2010 3.5.1条考察结构的挠度。主桁架跨中挠度保证在1/395，悬挑部分也能满足规范要求，仅4个角部的节点位置悬挑长度较长，刚度相对较弱，通过对悬挑跨及内伸一跨增加叠合矩形梁的局部加强方式增强抗弯刚度，直接采用矩形管计算时角点挠度为-28.170mm，挠度为1/158满足规范1/125要求。

4.8 稳定性分析

采用SAP2000对结构进行结构单独受力情况下的屈曲分析，通过定义1倍恒载和1倍活载（1.0DEAD+1.0LIVE）标准组合作用下的线性屈曲分析。结果显示，第1阶屈曲模态为桁架平外面失稳，屈曲因子为5.17。结构考虑初始缺陷和几何非线性的极限荷载系数为3.01倍，分析显示结构具有足够的稳定性，稳定破坏不会早于强度破坏。

5 结论

重庆仙桃数据谷11号楼由于建筑造型复杂，给结构设计和后续施工带了很大挑战，本文就结构分析结果做了简要介绍，得出如下结论：

（1）结构在多遇地震作用下，多塔和单塔及两种结构分析软件的结果基本一致，计算结果较为可靠；弹性动力时程分析结果补充分析了复杂结构的薄弱部位，结构构件均处于弹性状态，承载能力和变形能力满足规范要求；

（2）结构在罕遇地震作用下能保证关键构件基本不受损坏，连体结构设计在罕遇地震下不倒塌，结构的层间位移角远小于规范限值，验证了结构设计的合理性；

（3）通过分析结构在多种地震情况下的力学响应和不利部位，判断了结构薄弱部位，为设计阶段进行针对性加强提供了有效指导。

通过以上分析可知道，该工程的结构设计能够实现抗震规范“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防要求，能实现预定的结构抗震性能目标。

参考文献：

[1]重庆市城乡建设委员会.重庆市超限高层建筑工程界定规定[Z].重庆，2015.

[2]GB50010-2010混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

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[5]杨学林.复杂超限高层建筑抗震设计指南及工程实例[M].北京：中国建筑工业出版社，2014：30-33.