闽投营运中心塔楼结构设计与分析

李 熹

(福州市规划设计研究院,福州 350108)

1 工程概况

本工程位于福州市鼓楼区古田路南侧,西侧为中美大厦(28层框架-剪力墙混凝土结构,一层地下室),东侧为古乐路,南侧为闽都创业公寓及高桥新村(8～9层框架结构)。拟建建筑为1幢28层框架-支撑芯筒结构办公楼,大屋面标高116.70 m,建筑高度129.45 m;1幢24层框架-支撑芯筒结构酒店,大屋面标高91.85 m,建筑高度99.45 m。2幢高层间为5层商业裙楼,三者间设置抗震缝完全断开,满堂布置四层地下室。本工程+0.00相当于罗零7.60,场地整平标高约6.0 m,基坑周长约500 m,单层地下室面积约10 000 m2,坑底相对标高为-20.150 m,实际开挖深度约18.55 m,建筑效果图如图1所示,办公楼剖面图如图2所示。

2 结构体系与结构布置

本工程两座塔楼采用框架-支撑芯筒结构体系,外框架采用钢管混凝土柱和型钢混凝土梁组成的抗侧力体系,内核心筒采用矩形钢管混凝土柱和型钢支撑组合而成的支撑芯筒抗侧力体系。区别于传统的钢筋混凝土剪力墙核心筒,本工程采用支撑芯筒主要出于以下几点考虑:

图1 建筑效果图Fig.1 Architecture rendering drawing

图2 办公楼剖面图(单位:mm)Fig.2 Office building section view (Unit:mm)

(1) 支撑芯筒可以减轻核心筒的自重,对地基和基础的设计产生直接的经济效益。

(2) 支撑芯筒可以方便地调整支撑布置和刚度,达到调整整个核心筒抗侧刚度的目的。如以传统的钢筋混凝土剪力墙核心筒概念设计,本工程剪力墙墙厚为400～500 mm;对于层高突变的避难层、设备层,刚度的调整一般是通过墙厚的增减来实现,调整难度很大,容易形成薄弱层。而支撑芯筒可以通过调整支撑的截面、支撑的布置来实现刚度的调整,因而支撑芯筒更加科学合理。

因本工程与地铁相邻,工期紧,拟采用盖挖逆作法进行地下室的设计与施工。传统的剪力墙核心筒如采用逆作法施工,剪力墙的施工质量较难控制,因而常采用顺作施工,效率不高,工期较长,不能完全发挥出逆作法的优势。采用支撑芯筒,主体芯筒的钢管混凝土柱可以同时作为逆作法支撑体系的一部分,避免了传统做法需要设置托梁的工序,充分利用主体结构,地上地下可以同时施工,减少了工期,经济合理。

本工程较高塔楼(办公楼)标准层平面布置图如图3所示,标准层布置轴侧图如图4所示,1-1剖面如图5所示,2-2剖面如图6所示。

图3 办公楼标准层结构布置平面图(单位:mm)Fig.3 Typical structure plan of office building (Unit:mm)

图4 办公楼标准层结构布置轴测图Fig.4 Typical structure isometric view of office building

图5 1-1剖面 Fig.5 1-1 section view

图6 2-2剖面Fig.6 2-2 section view

3 设计参数

3.1 主要设计参数

本工程设计使用年限为50年,结构安全等级为二级;基本风压取0.70 kN/m2,地面粗糙类别C类,风压体型系数取1.4,结构抗震设防类别为标准设防类,场地类别为Ⅲ类,抗震设防烈度为7度(0.1g),设计地震分组为三组,阻尼比取0.04。

3.2 阻尼比的讨论

影响结构阻尼比的因素很多,因此准确确定结构的阻尼比是一件比较困难的事情。本工程抗侧力构件主要是钢管混凝土柱,主梁常用的做法是采用钢梁或者钢筋混凝土梁,但是基于本项目甲方防火防腐维护成本及使用空间的要求,提出了主梁采用型钢混凝土梁的方案,阻尼比指标主要以《高层建筑混凝土结构技术规程》[2]《钢管混凝土结构技术规范》[3]《组合结构设计规范》[4]为参考依据。相关规范条文如表1所示。

表1阻尼比规范相关条文

Table 1Code rules for damping ratio

由本工程梁柱所使用的材料可知,本工程的结构可定性为混合结构,阻尼比宜取0.04,取值大于《钢管混凝土结构技术规范》[3]中采用钢梁的实心钢管混凝土结构的阻尼比0.035,是合理的。

3.3 位移角的讨论

本工程抗侧力构件主要是钢管混凝土柱,位移控制参考指标以《钢管混凝土结构技术规范》[3]《组合结构设计规范》[4]《高层建筑混凝土结构技术规程》[2]《建筑抗震设计规范》[1]为依据,本工程由于采用了支撑芯筒,结构体系上可以参考框架结构、框架-支撑结构、框架-核心筒结构来进行界定,虽然采用了支撑芯筒,但是完全参照框架-核心筒位移指标来进行设计又显得不太合理,传统框架-核心筒的位移指标大部分是基于钢筋混凝土的实践和经验得来的,由《钢管混凝土结构技术规范》[3]的条文说明可知,钢管混凝土的抗震性能和抗倒塌性能优于钢筋混凝土结构,位移指标可以得到适当放宽,《钢管混凝土结构技术规范》[3]里框架-核心筒的“核心筒”指的是钢筋混凝土剪力墙核心筒,而本工程采用的是支撑芯筒,从体系上来说又类似框架-支撑结构体系,从这个角度出发,位移角也可以适当放宽,若勉强要满足框架-核心筒1/800的要求,则结构的主要抗侧构件尺寸(如支撑)将大幅加大,不利于建筑的空间使用和门洞布置,从综合经济和使用角度来说并不合理。根据本工程超限审查专家组的意见[9],本工程的位移角指标可参考《建筑抗震设计规范》[1]附录G.1.4-4条的规定,按框架和框架-核心筒结构内插确定,因本工程主梁采用型钢混凝土的做法在高层建筑中比较少见,位移角指标保守取为1/700。

3.4 抗震等级

本工程根据《钢管混凝土结构技术规范》[3]对于框架-支撑、框架-核心筒,《高层建筑混凝土结构技术规程》[2]对于钢管混凝土框架-钢筋混凝土核心筒,以及《组合结构设计规范》[4]对于钢管混凝土框架-钢筋混凝土核心筒的规定,设防烈度为7度,高度小于130 m,框架和支撑芯筒的抗震等级确定为二级。

4 结构超限情况

4.1 结构体系超限

结构体系超限分析如表2所示。

表2结构体系超限情况

Table 2Out of code assessment for structure system

4.2 不规则情况分析

不规则情况分析如表3所示。

表3结构不规则情况

Table 3Regularity assessment for structure system

4.3 超限情况小结

办公楼采用规范未规定的新结构体系,办公楼存在两项不规则:扭转不规则,楼板不连续。

5 结构性能目标

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》[2]3.11.1及3.11.2规定,本工程总体结构性能目标为C级;根据《高层建筑混凝土结构技术规程》[2]3.11.1及3.11.2规定,《建筑抗震设计规范》[1]M.1.1规定,本工程构件性能目标如表4所示。

表4构件性能目标

Table 4Performance goals for structure members

6 多遇地震结构分析

本工程分别采用盈建科和MIDAS BUILDING两种软件对结构体系进行分析,具体对比结果如表5所示。通过对比可知,两种软件在主要计算控制指标上数值接近,由软件得到的计算结果是比较合理准确的,结构设计可以满足安全可靠的要求。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》[2]4.3.4条的规定,大于100 m的7度丙类高层需要采用弹性时程分析法进行多遇地震下的补充计算。因此本工程选取了7条地震波(5条地震波,2条人工波)对结构体系进行了多遇地震的时程分析,分析结果表明,本工程选择的单条波计算所得结构底部剪力不小于振型分解反应谱法计算结果的65%,多条波计算所得结构底部剪力的平均值不小于振型分解反应谱法计算结果的80%,多组时程波的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所用的地震影响系数曲线相比,在对应于结构主要振型的周期点上相差不大于20%,满足《高层建筑混凝土结构技术规程》[2]和《建筑抗震设计规范》[1]的要求。

表5整体结构计算结果对比

Table 5Comparison of results for structure system

7 多道防线分析

本结构采用框架-支撑芯筒结构体系,支撑芯筒为抗震第一道防线,外框架为抗震第二道防线,由于软件统计的是所有框架柱和支撑的剪力和倾覆弯矩,采用人工计算复核外框架和支撑芯筒的剪力和倾覆弯矩分配比例,计算结果如表6所示。核心筒的剪力比和倾覆弯矩比均大于50%,可以作为抗震第一道防线,外框架的剪力比大于10%,满足《高层建筑混凝土结构技术规程》[2]9.1.11条对框架-核心筒结构外框架的要求,可以作为抗震第二道防线。 经复核,本工程各层框架承担的地震剪力均不小于结构底部纵地震剪力的20%,根据《高层建筑混凝土结构技术规程》[2]9.1.11条的条文说明,框架地震剪力可不进行调整。

表6底部倾覆弯矩分配比例

Table 6Distribution ratio of bottom overturning moment

8 设防地震结构分析

根据表4构件性能目标及超限审查的要求,底部加强部位以下的竖向构件和支撑均按中震不屈服复核,局部跃层柱按中震弹性复核。跃层柱承担的剪力应不小于相应楼层框架柱平均剪力的1.2倍,需考虑在中震下水平位移所产生的二阶效应,并按跃层柱高度进行稳定性验算及采取加强措施。经复核,底层竖向构件中震最大应力比为0.94,支撑最大应力比为0.99,跃层柱最大应力比为0.98,均满足规范要求。

9 罕遇地震结构分析

采用MIDAS BUILDING对本工程结构体系进行静力弹塑性分析,得出以下结论:

(1) 罕遇地震下X方向最大层间位移角为1/103,Y方向最大层间位移角为1/156,均满足规范要求。

(2) 罕遇地震下,支撑芯筒先于外框架进入非线性状态,框架能充分发挥抗震第二道防线的作用。对于支撑芯筒,芯筒内的支撑比芯筒内的框架柱先进入非线性状态,可以起到耗能作用,保护了芯筒内的框架柱。

(3) 本工程在性能点处大部分柱铰处于弹性状态,只有少部分底部加强区的柱铰进入了FEMA规定的IO(直接使用)弹塑性状态。对于框架梁铰,约17%处于IO(直接使用)弹塑性状态,8%处于LS(生命安全)弹塑性状态,仅在底部加强区出现了个别的CP(防止倒塌)塑性铰,其余大部分框架铰仍处于弹性状态。

以上结果表明本工程结构体系耗能良好,安全可靠。

10 结 论

本文对闽投营运中心的框架-支撑芯筒结构体系进行了综合的计算分析和阐述,并对相关的一些设计参数作出了探讨。通过两种软件和多种地震情况下的对比分析,本工程所采用的结构体系具有多道抗震防线,耗能性良好,能满足规范要求的各项指标,实现了抗震性能化设计,安全合理。由于建筑方案的限制,支撑芯筒中支撑布置的方案可选择性不多,对于支撑芯筒中最优最合理的支撑布置可以进行更深一步的研究。框架-支撑芯筒结构体系跟传统的框架核心筒结构体系有一些区别,外框架和支撑芯筒的协同作用也有待更进一步的研究。