某体形扭转的高层结构设计

廖昉，马悦，梁涛

（1重庆城市综合交通枢纽（集团）有限公司，重庆 400025；2中机中联工程有限公司，重庆 400039）

1 工程概况

该工程为重庆市仙桃数据谷项目二期工程1#楼。1#楼为建筑功能办公建筑，地下2层，地上25层。单栋建筑面积约2.2万m2，建筑结构为框架-核心筒结构，结构高度为103m。工程设计年限为50年。结构安全等级为二级，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。基本风压取50年一遇w0=0.40kN/m2进行承载力设计，地面粗糙度为B类。结构嵌固端于基础顶部。整体建筑效果图如图1所示。

图1 建筑效果图

2 结构设计

2.1 结构体系的选择

该项目外形由从底到顶的斜向竖线条构成，形成贯穿建筑的立面斜向线条，斜线条沿底层平面边界指向屋顶，沿顺时针方向形成体形，并勾勒出各层平面。为满足建筑外立面需求，从结构体系、工程造价和施工工艺等多方面进行了对比分析，最后确定采用中间设置核心筒，结合建筑平面在变化较大的位置周边设置沿法向变化的斜框架柱。该方案斜柱相对于核心筒对称设置，传力合理也没有大跨度悬挑梁。方案典型楼层平面布置图：2层、6层、14层、20层和27层 （屋面）， 如图2所示。

图2 建筑效果图典型楼层平面布置图

从图2中可以看出，该楼形成了两头大中间小的建筑形态，2层和屋面层的单层建筑面积约为1004m2，细腰部14层的单层建筑面积为803m2。采用框架-核心筒体，斜柱相对于核心筒两两对称。斜柱通过水平构件传递到核心筒，对称布置的斜柱轴力产生的水平分力与水平荷载作用方向相反，相互抵消。

2.2 主要构件尺寸及材料

核心筒外围剪力墙厚度X向为400mm，Y向为500mm，到屋顶厚度变为300mm，内部墙厚为200mm、250mm、300mm等尺寸。外围框架柱截面尺寸为Φ1000×30mm，Φ900×30mm，Φ900×25mm钢管混凝土，混凝土框架梁均采用型钢混凝土梁，截面为400mm×600mm， 内藏H型钢400mm×475mm×12mm×20mm。混凝土强度等级：剪力墙为C50～C30，钢管柱为C50～C40，标准层梁板混凝土标号为C40。型钢均采用Q345B。结构计算模型如图3所示。

图3 结构计算模型

3 结构分析

3.1 整体计算结果

本文利用工程计算软件盈建科对该结构进行多遇地震作用下的振型分解反应谱计算分析。CQC法的计算结果如表1所示。可以看出，整体结构计算结果均满足《建筑抗震设计规范》[1]和《高程建筑混凝土结构技术规程》[2]要求。

表1 多遇地震CQC法计算结果

3.2 楼面水平构件内力分析

由于建筑功能布置原因，核心筒X向为整片剪力墙，而Y向由于门洞和设备洞口原因需要开洞，核心筒角部的关键区域墙肢较短，截面分别为500mm×1200mm和500mm×1550mm，根据结构特点，针对核心筒关键墙肢做剪力分析。地震计算工况为中震弹性，水平地震影响系数为0.12，荷载组合为1.2×恒+0.6×活+1.3×中震，分析方向为Y向，材料强度取设计值。结合现有研究的分析思路和方法[3-4]，确定该结构的关键构件并编号，如图4所示。

关键构件的计算结果如表2—表4所示。

表2 2层核心筒关键墙肢剪力统计

表3 14层核心筒关键墙肢剪力统计

表4 27层核心筒关键墙肢剪力统计

分析表2—表4可以发现，底层部分的剪力主要由地震力贡献，但斜柱的水平分力对核心筒产生了较大的附加剪力。

3.3 楼面水平构件内力分析

基于结构体形特点，在竖向荷载作用下斜柱轴力的水平分力传递到水平构件和核心筒上，因此通过YJK计算分析水平构件的轴力，楼板采用弹性膜，考虑楼板的面内刚度，框架梁中震工况轴力情况如表5所示。

表5 框架梁中震工况轴力统计

从表5可以看出，由于斜柱受力特性，重力荷载对水平构件产生的轴力较大，2层主要为拉力，14层和27层主要为压力。

4 针对斜柱采取的措施

通过多结构的受力分析，斜柱轴力的水平分力主要由框架梁传递，且建筑对室内净空有严格要求，故通过在框架梁内设置型钢来提高框架梁的承载力。具体措施如下：

（1）W1—W4等关键核心筒墙肢内设型钢，与斜柱相连的暗柱设置型钢增加剪力墙的抗剪能力，按中震弹性对关键构件进行设计；

（2）框架梁内设置型钢，增加框架梁受拉和受压承载力，根据所受拉力和压力大小来合理设置型钢的截面；

（3）外围框架梁内设置型钢，增加外围框架梁刚度；

（4）2层斜柱转直柱层采用180mm厚楼板，标准层采用140mm厚楼板增加平面内刚度，设计时结合应力分析结果进行配筋。

5 整体屈曲分析

由于周边斜柱在结构抗侧力体系和竖向传力体系中发挥着至关重要的作用，需要通过整体屈曲分析来了解结构屈曲模态和对应的屈曲因子，从而对影响结构的薄弱部位进行加强。通过1.0恒载+0.5活载的屈曲计算分析得出表6中的屈曲因子。从计算结果看出，屈曲因子均大于61，表明结构具有良好的整体稳定性，第一屈曲模态出现为层高较高的1层（均为直柱），在后期设计阶段会将该位置柱截面加大。

表6 屈曲分析结果

6 静力弹塑性（PushOver）分析

为分析结构在大震下的抗震性能并发现结构薄弱部位，采用软件YJK-PushOver对结构进行静力弹塑性（PushOver）推覆分析。

非线性分析时，考虑P-Δ二阶效应的影响。随着侧推荷载的逐步增大，结构位移逐渐增加，从而得到基底剪力-位移曲线，转化为结构的能力谱。能力谱和需求谱交点即为性能点。该点对应的结构状态应处于目标性能范围之内。结构所承受的初始竖向荷载为重力荷载代表值，即1.0×恒+0.5×活，材料强度取标准值。该结构X向的动力特性和结构刚度较弱，故主要分析X向的计算结果，罕遇地震作用下需求谱-能力谱曲线如图5所示。

图5 罕遇地震作用下结构需求谱与能力谱曲线关系

从图5可以看出，结构的性能点对应的最大弹塑性层间位移角为1/489（25层），满足规范1/100的限值。顶点位移为147.8mm，对应的底部总剪力为20459.5kN。

结构在罕遇地震作用下性能点的结构损伤状态如图6所示。

图6 罕遇地震作用下性能点结构损伤状态

从推覆分析的过程中可以发现，结构的塑性铰首先出现在上部楼层核心筒中间的连梁上，随后出现在核心筒与外框柱（斜柱和直柱）的框架梁上，随着荷载进一步增加，部分连梁和框架梁出现了轻微损伤，部分核心筒底层洞口两侧的剪力墙出现轻微损伤，外框柱（斜柱和直柱）仅仅在塔楼上部1/2范围出现了较多轻微损伤。整个推覆分析损伤情况显示结构具有较高的安全储备，能够达到大震不倒的性能目标。

7 斜柱N-M曲线

斜柱受力特性复杂，与直柱相比承受更大的弯矩。同时，斜柱框架柱是此结构的关键构件，因此对结构框架柱提出了在设防地震作用下保持弹性的性能要求，并在中震弹性工况下进行正截面承载力验算，以分析斜柱构件承载能力的富余度。本文读取YJK软件框架柱内力计算结果，得到了图7所示的重要斜柱KZ1和图8所示重要斜柱KZ3的N-M曲线。

图7 KZ1中震弹性N-M相关曲线

图8 KZ3中震弹性N-M相关曲线

分析图7和图8可以发现，中震弹性工况下各点均处于外圈包络曲线以内，N-M曲线的包络情况良好，两个重要斜柱能够满足承载力要求且具有较大的富余度。

8 节点设计

根据斜柱和水平构件内力的分析结果，在结构2层位置由斜柱转为直柱的范围构件内力较大，考虑到此节点较为关键，对该节点进行加强设计。在对比多种节点转折构造后，最终采用的设计方案为在节点核心区设置4个厚20mm内加劲环板，并通过8个平均分布的竖向加劲板把4个厚20mm加劲环板连接在一起，如图5所示。节点的钢材均采用Q345B级钢，构件连接采用坡口焊，整个节点在工厂加工，在现场进行上下柱位置焊接，保证其完整性和精度。斜柱典型节点设计及透视图如图9所示。

图9 斜柱典型节点设计图

9 风荷载补充分析

因该工程建筑外观扭转明显，本文根据顾磊、张默、黄滢等[5-7]的应用经验，利用工程软件ANSYS-FLUENT，以Transition-SST模型分析了风荷载对结构设计的影响。

该工程首先通过曲面处理软件处理了建筑模型，然后通过AutoCAD、ANSYS Structural/FLOTRAN等软件进行模型的转换工作。本文在FLUENT中采用速度进口边界条件velocity-inlet和压强出口边界条件，定义风场为B类风场，编写脚本文件并在FLUNET中读入，实现了随高度变化的入射风场，完成了该结构的风荷载有限元分析。

图10 风荷载影响压强分析云图（单位：Pa）

图11 风荷载影响流速分析云图（单位：m/s）

经过计算所得到的分析结果云图如图10和图11所示。

从图10和图11中可以看出，风荷载对该结构产生明显的不利影响，采用现行规范中的相关荷载要求能够包络风荷载有限元分析的结果。

10 结论

（1）该工程为建筑立面扭转的工程，经过分析比较，确定了核心筒加外框斜柱的结构方案。

（2）对结构进行了整体分析，分析了设置斜柱对核心筒和框架梁产生的不利影响，根据分析结果提出了对核心筒关键墙肢内设型钢、框架梁内设置型钢和加厚楼板等针对性措施。其次补充了整体屈曲分析，屈曲因子均大于61，结构具有良好的整体稳定性。

（3）对结构进行了静力推覆分析，结构的性能点对应的最大弹塑性层间位移角为1/489（25层），满足规范1/100的限值。整个推覆分析损伤情况显示结构具有较高的安全储备，能够达到大震不倒的性能目标。

（4）补充分析了风荷载对扭转外立面的不利影响，对后期的结构设计和幕墙设计提供了数据参考。