四川大学多学科交叉融合平台及艺术教育中心超限高层建筑结构设计

王建峰

(同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司,上海 200092)

1 工程概况

本项目位于成都市双流县的四川大学江安校区。该大楼为一幢地上9层、地下1层的形态复杂的高层建筑,总建筑面积约3.2万m2,地上建筑面积约2.8万m2(图1),主体结构高度约60 m。结构主体采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系(图2)。在建筑中间部位,地下室底板至二层之间布置有剧院功能,地下室顶板中间开设有较大洞口。

根据建筑形态,2层以下部分为一整体,2层～7层分为“东西两塔”,8～9层部分再通过大跨度的混凝土梁连成一体,形成连体结构。

图1 建筑效果图Fig.1 Overview of building

同时,本项目存在整体结构长悬挑、立面倾斜,以及存在大量楼层中空、楼板缺失的不规则情况。针对上述情况,本建筑主要通过加强主抗侧力构件的刚度,增强平面联系,减小结构的绝对和相对变形量,来保证结构具有良好的抗震性能。

2 基础和地下室结构设计[1]

本工程±0.00 m相当于绝对标高489.0 m,室外地面相对标高约-0.10 m。地下水设防水位绝对标高485.00 m,相对标高为-4.00 m。本工程总体为地下一层,台仓处地下二层。由于功能不同等原因,地下一层地下室底板面标高差异较大,底板面标高主要约-7.550 m,底层观众厅池座下静压箱底板面标高为-8.85～-9.95 m,乐池处、舞台台仓底板面标高-15.80 m。地下室较深区域、观众厅池座区域及上部结构楼层较少区域等,建筑恒载重量小于水浮力,须进行抗浮设计。

本工程地下室满堂设置,不设缝。因上部结构柱跨大小不一,部分区域悬挑较大,荷载不均匀,荷载差异较大,地基基础设计考虑了地基承载力、控制差异沉降和地下水浮力等因素。

如前所述,本工程虽然层数为地上9层,地下1层,因上部结构柱跨大小不一,部分区域悬挑较大,荷载不均匀,荷载差异较大,特别是悬挑部分的剪力墙核心筒区域,基底荷载远大于一般的9层结构,天然基础和一般的地基处理较难满足基础承载力要求。另外,本工程地下室埋深变化较大,特别是台仓等部分埋深较深,结构基底标高差异较大。因此,本工程采用人工挖孔灌注桩基础,主要按一柱一桩原则布置,剪力墙下布置时考虑合理有效传递竖向荷载,适当增加布置数量,适当减小直径,有利于减小底板受力。人工挖孔灌注桩持力层为中风化泥岩,极限端阻力标准值为3 000 kPa,岩石天然单轴抗压强度标准值3 200 kPa。单桩承载力特征值最大约22 900 kN,桩径800 mm～1 900 mm,扩大头直径800 mm～4 000 mm。当桩长小于5 m,或桩长/扩大头直径小于3 mm,按天然基础墩基础设计。中风化泥岩fak为700 kPa,承载力较小,尽量避免按照墩基础设计。

高层塔楼剪力墙和框架柱下荷载较大,由于采用一柱一桩原则布置,底板相对受力较小,底板厚度范围为600 mm～800 mm,部分受力集中处,根据分析结果进行加厚、加强,厚薄底板交界处加斜腋过渡。

观众厅池座、台仓处等区域,建筑恒载重量小于水浮力,须进行抗浮设计,布置抗浮锚杆,锚杆抗拔承载力特征值335 kN,台仓处长度6.5 m,锚入中风化泥岩,观众厅处长度10 m,锚入卵石层、强风化泥岩、中风化泥岩。

观众厅池座和部分上部结构楼层较少区域,人工挖孔桩在高水位时需满足抗浮设计要求,单桩所需的最大抗拔承载力特征值为1 250 kN,桩长不小于11 m。

地下室竖向构件布置主要为上部结构落下的框架柱和剪力墙。地下室顶板室内外较大板面高差处布置结构找坡梁板,控制板面高差,并通过框架梁梁端加腋等措施,以有效传递水平力。地下室顶板厚度室外部分主要为250 mm,室内部分厚度主要为180 mm。

3 上部结构设计

3.1 主要设计参数

本工程结构设计使用年限为50年,结构安全等级为二级,地基基础设计等级为甲级。工程抗震设防烈度为7度,设计基本地址加速度为0.10g,设计地震分组为第三组,场地类别为Ⅱ类,场地特征周期0.45 s。按《建筑抗震设防分类标注》(GB 50223—2008),本建筑的抗震设防重要性类别为丙类[2]。本工程形体较为复杂,基本风压按成都100年一遇的基本风压取为0.35 kN/m2,地面粗糙度类别为B类。

3.2 结构布置

本建筑造型复杂,在平面接近四角位置结合建筑楼梯、电梯布置四个混凝土核心筒(图2),厚度根据结构刚度要求和控制结构形心与刚度中心尽量一致的原则确定。立面悬挑、倾斜引起的水平力,以及地震作用下的水平力,由就近的核心筒承担,同时结构整体也有较好的抗扭刚度。

结构整体采用钢筋混凝土结构,对于长悬挑、大跨度以及受拉力较大的构件,布置钢骨混凝土构件。

结构整体呈向西南方向外挑倾斜。在建筑外围及内部结合建筑立面布置部分斜柱,斜柱通过水平构件与邻近的剪力墙连接,将水平力有效传递给主抗侧力构件(图3)。

图2 三层结构布置图(单位:mm)Fig.2 Third floor plan (Unit:mm)

图3 ③轴结构立面布置图Fig.3 Elevation of axis 3

在结构底部增设部分剪力墙,既增强底部楼层嵌固刚度,又作为与部分斜柱相连的受拉水平构件的的拉结点。

由于结构外围框架也存在大悬挑、立面倾斜,梁柱组成的框架在局部位置不能满足结构在竖向荷载和地震作用组合下承载力、变形的控制要求,通过在倾斜的立面处局部布置混凝土柱支撑框架(图4),进行针对性加强,使得结构承载力、变形满足控制要求。

图4 三维结构示意图Fig.4 3D structural model

结构顶部连接体结构与主体结构采用刚性连接。对连接体结构最下面和顶层楼面,适当加厚楼板,提高平面刚度,加强对楼板的应力分析,并根据分析结果对应力较大部位采取加强配筋。

屋顶的斜面由幕墙围护结构形成,结构楼面仍为平面,立面各部分及双塔连接体下方建筑造型也由幕墙装饰构架形成。

3.3 结构超限情况和采取的主要措施

根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》(建质[2010]109号),该高层建筑规则性分析如下:

(1) 扭转不规则:考虑偶然偏心的扭转位移比大于1.2(最大为1.24),小于1.4,属扭转不规则。

(2) 楼板不连续:部分楼层有效宽度大于50%,楼板开洞面积大于30%。

(3) 尺寸突变:局部悬挑较大,大于10%和4 m。结构整体呈向西南方向倾斜外挑,结合建筑立面造型,在建筑外围及内部结合建筑立面布置部分斜柱,但整个结构的主抗侧力构件剪力墙布置平面较为均匀、竖向连续。

(4) 构件间断:本建筑为双塔连体建筑。

(5) 存在局部的穿层柱,斜柱以及个别构件转换。

因此,本工程为高度不超限,包含平面不规则和竖向不规则的的A级高度超限高层建筑,按要求进行并通过了抗震设防专项审查。

对于该超限高层建筑,主要采取了以下优化布置和加强措施[3-7]:

(1) 结构布置上尽量做到抗侧力构件分布与结构平面、立面布置匹配,使结构刚心和质心尽量一致,并满足刚度要求。为提高结构平面的抗扭刚度,对结构外围构件进行适当加强。现偶然偏心工况下水平位移比不大于1.4,以扭转为主的第一自振周期与以平动为主的第一自振周期之比小于0.85。

(2) 按《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010),对体型收进部位上、下各2层的竖向构件、连体高度范围及其下层的抗震等级予以加强提高,结构一层及三层竖向构件的抗震等级为一级,七层至屋顶层的结构构件的抗震等级为一级;斜柱及其相连的框架梁、剪力墙抗震等级为一级。

(3) 对底部加强部位剪力墙,加强其截面,严格控制轴压比,适当加强约束边缘构件的箍筋配置,提高延性和抗剪强度。对于连体高度范围及其下层与连接体相连的框架柱箍筋全柱段加密配置,轴压比限值比其他楼层减小0.05;对于连体高度范围及其下层与连接体相连的剪力墙设置约束边缘构件;针对此连体结构,按照《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)加强剪力墙构造边缘构件的配筋。

(4) 对于连接体部位,以及长悬挑部位,考虑竖向地震作用的影响,适当加强构件设计。

(5) 由于底部楼层层高较高,地下一层、一层、一夹层、二层及三层结构层高分别为7.3 m、8.6 m、5.4 m、7.2 m及6.3 m,上部楼层标准层层高为4.5 m,存在刚度变化较大情况,通过墙、框架柱、框架梁截面的合理布置,尽量减小刚度变化的幅度,消除薄弱层、软弱层。

(6) 计算方面,主要采用ETABS和MDIAS进行分析。分析时采用CQC振型效应组合方式,考虑扭转耦联效应,同时考虑偶然偏心的影响。针对本高层建筑存在少量斜交抗侧力构件,计算了不同方向的地震作用,各方向的计算结果均满足规范要求。

(7) 在振型分解反应谱法计算的基础上进行了小震的弹性时程分析,中震及大震的弹塑性时程分析,了解结构在地震时程下的响应过程,并寻找结构薄弱部位进行针对性加强。计算结果满足规范要求。

(8) 对不规则平面楼板、联系薄弱的楼板,提高平面刚度,加强对楼板的应力分析,并双层双向配筋。对不规则平面楼板、联系薄弱的楼板进行中震分析,其满足“中震不屈服”承载力要求,并根据分析结果对应力较大部位(主要集中在洞口角部、折角部位)采取集中配置斜向钢筋,局部连接薄弱处通过进一步适当加厚和加强配筋。对连接体部位楼板厚度不小于150 mm,并采用双层双向配筋,单层单向的配筋率不小于0.25%,并对连接体部位最下面和顶层楼面特别加强。对2层竖向体型突变部位楼板适当加强,楼板厚度不小于150 mm,并采用双层双向配筋,单层单向的配筋率不小于0.25%,体型突变楼层的上、下层楼板也采取相应构造措施加强。

(9) 对重要构件进行专门分析。外斜的框架柱及与其相连受拉的框架梁、剪力墙,顶部楼层连接体部位大跨度梁等进行专门分析,提高其抗震性能目标。对外斜的框架柱及与其相连受拉的框架梁、剪力墙加强配筋,并对受力较大的构件配置钢骨。

(10) 根据《建筑工程抗震设防分类标准》附录M要求,保证中震及大震下的层间位移角分别不大于3/800和0.9/100。

3.4 主要计算结果

3.4.1振型分解反应谱法

1) 嵌固端确定

本工程地下室仅一层,由于设置剧院功能,地下室顶板开洞范围较大,不宜作为嵌固端,故将地下室底板作为嵌固端[6-7]。

2) 振型分解反应谱法[8]

抗震分析采用CQC振型效应组合方式,考虑扭转耦联效应,分别考虑了双向地震作用以及偶然偏心的影响。本建筑存在较多斜柱,软件按照斜柱模拟,可考虑斜柱的抗弯特性。部分楼层存在分塔,顶部为连体,在进行计算分析时考虑此部分楼层的分塔和顶部的连体。在分塔楼层段通过分塔模型统计结构扭转位移比。主要计算结果见表1。

表1 ETABS和MIDAS主要计算结果Table 1 Results of ETABS and MIDAS

由表1可知,两种计算程序结果基本规律一致,相互较吻合,且符合规范有关规定。

层间位移角由地震作用控制,由计算结果可知,满足《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)第3.7.3-1条中层间位移角不大于1/800的要求。考虑到本结构的外围通过斜柱向上外斜,外斜的斜柱在转折位置通过水平楼面梁与抵抗侧向变形的剪力墙连接,为防止剪力墙开裂使承载力丧失,现严格控制该剪力墙在竖向荷载与多遇地震作用组合下的层间位移角不大于1/1 100,故结构在地震作用下的层间位移角较小。

中震下,X向和Y向的最大层间位移角分别为1/718和1/705,不大于3/800,满足性能目标的要求。

3.4.2弹性时程分析[9]

在反应谱法计算的基础上进行了弹性时程分析。弹性时程分析选用两组实测地震波TH4TG045、TH5TG045和一组人工地震波RH1TG045。规范要求设防烈度7度(0.10g)时,多遇地震时程分析采用加速度时程曲线的最大值为35 cm/s2。时程分析法中步长取0.02 s,阻尼比0.05。

主要计算结果见表2及表3。由表2及表3可知,结构位移基本连续,结果满足单条地震波计算的底部剪力不小于反应谱法计算值的65%,以及多条地震波计算的底部剪力平均值不小于反应谱法计算值的80%。总体而言,弹性时程分析与反应谱法计算结果基本吻合,满足规范有关规定。

表2 时程分析法与反应谱法结构底部剪力对比Table 2 Base shear comparison between time history method and response spectrum method

表3 时程分析法与反应谱法计算结果比较Table 3 Results comparison between time history method and response spectrum method

3.4.3弹塑性时程分析[9]

本高层建筑采用Midas-building软件的动力弹塑性分析功能进行弹塑性时程分析,评估结构在中震及大震下的抗震性能。

根据地震波分析结果,中震下输入地震波为两组实测地震波TH4TG045、TH5TG045和一组人工地震波RH1TG045,与多遇地震相同;大震下输入地震波为两组实测地震波TH3TG050、TH4TG050和一组人工地震波RH1TG050。

从时程分析结果可以看出,在中震作用下,结构的层间位移角最大值X向为1/659,Y向为1/644,均小于3/800的限值;部分框架梁端出现塑性铰,不存在框架柱端出现塑性铰;仅个别剪力墙肢进入屈服状态;不存在同一楼层的竖向构件全部进入屈服的情况。在大震作用下,结构的层间位移角最大值X向为1/325,Y向为1/333,均小于0.9/100的限值;较多框架梁端出现塑性铰,部分框架柱端也出现塑性铰;少量剪力墙肢进入屈服状态;不存在同一楼层的竖向构件全部进入屈服的情况。在进行结构设计时,将针对薄弱部位进一步采取加强措施。

3.5 专门补充分析

3.5.1斜柱及与其相连的框架梁、剪力墙及楼板的详细分析

斜柱及与其相连的梁、剪力墙、楼板对于结构安全至关重要,故将其抗震等级提高为一级,且斜柱及与其相连的梁性能目标提高为中震弹性,剪力墙性能目标提高为抗剪中震弹性,抗弯中震不屈服。在计算构件内力时,考虑0.2Q0调整、剪重比、软弱层及薄弱层、内力放大系数以及抗震承载力调整系数等内力调整系数,并进行了与斜柱相连受拉区域的楼板应力分析,根据楼板应力分析结果加强楼板,板筋按照受拉锚固要求锚入剪力墙内。

经计算可知,与斜柱相连的梁适当设置钢骨,可满足中震弹性要求;通过在暗柱区设置钢骨,可以满足与斜柱相连的剪力墙抗剪中震弹性,抗弯中震不屈服的要求;与斜柱相连的受拉区域的楼板,在竖向荷载和设防地震作用组合下的楼板应力大部分区域不大于2.0 MPa,个别区域楼板应力最大约为3.0 MPa,通过加强配筋可以实现楼板中震不屈服。

3.5.2顶部连接体部位补充计算分析

在地震作用下,刚性连接的连体部分需要协调两侧塔楼的变形,故采用刚性连接的连体部位楼板进行了受剪截面及承载力验算,计算公式采用《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)第10.2.24条的公式:

(1)

(2)

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)第10.5.7条条文说明,计算剪力取连体楼板承担的两侧塔楼楼层地震作用力之和的较小值。经计算,连接体部位楼板受剪截面及承载力验算均满足要求。

同时,考虑竖向地震作用的顶部楼层连接体部位大跨度梁及其相连的框架柱满足“中震弹性承载力设计”。

顶部连接体楼层的大跨度梁与主体结构采用刚性连接,大跨度梁及与其连接的框架柱采用钢骨混凝土构件,钢骨混凝土梁伸入主体结构两侧至少一跨并可靠连接;对于主体结构内部存在核心筒剪力墙的部位,钢骨构件延伸至核心筒剪力墙处可靠连接。

3.5.3关键节点有限元分析

部分钢骨混凝土节点构造复杂,选取典型关键节点,采用ANSYS软件进行有限元分析(图5),为节点设计提供可靠依据。考虑节点区域受力的复杂性,节点有限元分析按照钢构件进行,未考虑混凝土的有利作用,仅考虑钢骨部分的作用。

图5 复杂节点有限元分析图Fig.5 Finite element model of typical connection

由于板件均较厚,为计算精准,采用高精度的Solid95实体单元进行模拟;材料弹性模量、泊松比按钢材分别取2.06×105MPa和0.3,用TB,BKIN定义材料本构关系为双线性随动强化模型,即理想弹塑性模型,并能考虑包辛格效应。

由ANSYS分析结果可知,该节点大部分区域应力比均小于0.8,仅在各钢骨梁上翼缘相交部分区域的局部很小范围内出现应力集中,应力接近265 MPa,节点区域满足设计要求。

3.5.4与斜柱连接的剪力墙层间位移角计算

结构的外围通过斜柱向上外斜,达到建筑底部收进的效果,外斜的斜柱在转折位置通过水平楼面梁与抵抗侧向变形的剪力墙连接,来承担上部结构传递下来的荷载。因此,限制与斜柱连接的剪力墙的层间位移角的大小,防止剪力墙开裂导致承载力丧失,是关系到结构安全的重要问题。

根据本结构的特点,严格控制竖向荷载与多遇地震作用组合下的层间位移角满足规范要求,特别是与斜柱连接的剪力墙在竖向荷载与多遇地震组合下的层间位移角不大于1/1 100,保证结构安全。

3.6 主要节点设计

按本工程抗震性能目标,与外斜框架柱相连的受拉钢骨混凝土梁与核心筒剪力墙角部的连接节点满足“中震弹性”承载力要求。

按要求提取构件内力进行分析设计,并对关键节点进行有限元分析。根据分析结果,通过适当加厚节点区域的钢骨板件壁厚进行针对性加强。如图6所示,剪力墙内暗梁通长埋置钢骨与受拉钢骨混凝土梁相连。

图6 钢骨混凝土梁与剪力墙內埋钢骨柱连接节点(单位:mm)Fig.6 SR beam to SRC shear wall connection (Unit:mm)

4 结 论

(1) 本项目存在整体结构长悬挑、立面倾斜,以及存在大量楼层中空、楼板缺失的不规则情况,整体为超限复杂结构。对于此类结构,抗侧力体系可采用框架-剪力墙结构。

(2) 对于立面结构倾斜造成的结构受力特殊情况,楼层中空造成的结构联系薄弱,通过合理的结构布置使结构刚度分布均匀、布置立面斜撑、加大楼板厚度等措施提高结构的整体抗震性能。

(3) 对于此类复杂结构,在反应谱法计算结果的基础上,采用时程分析法复核。

(4) 设计中采取了基于性能的抗震设计方法,对整体结构及关键构件设定了性能目标,整体结构的多模型线性及非线性分析结果表明,结构整体满足预期的性能目标,能够达到规范规定的“小震不坏,中震可修,大震不倒”的设计目标。

(5) 本工程主要采用人工挖孔桩基础,基础设计考虑了上部荷载、土层分布情况和地下水浮力等因素,深台仓设计中采用锚杆抗浮,可供类似工程参考。

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