浙江某银行办公楼结构设计与分析

肖 阳

(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

本项目上部结构分为裙房和塔楼，出于建筑效果考虑，两者之间不设抗震缝。塔楼地下2层，地上27层，房屋高度118.000 m。塔楼平面尺寸约为36 m×36 m，采用钢筋混凝土框架—核心筒结构。主楼7层以下外框柱设置钢骨。裙房地下2层，地上4层，房屋高度20.800 m。裙房平面尺寸约为90 m×68 m，采用钢筋混凝土框架结构。1层主入口处4层～5层区域采用钢桁架结构。地下室为两层且连为整体，平面尺寸约112 m×110 m，埋深11.5 m～12.4 m。主楼对应地下室采用钢筋混凝土框架—核心筒结构，其余采用钢筋混凝土框架结构。工程为6度区，裙房范围内楼层划分为重点设防类；裙房以上塔楼取标准设防类。建筑效果图见图1。

2 结构选型

2.1 承重体系

竖向承重体系由楼面梁板结构传递给柱和剪力墙。

塔楼：主梁截面主要为300×700～700×1 600(部分为钢骨梁)，次梁截面主要为250×600～300×700;4层～6层楼板厚度为150 mm，其他楼层核心筒外楼板厚度主要为120 mm，核心筒内楼板厚度主要为140 mm。框架柱主要截面为800×800～1 000×1 000(7层以下设置十字形钢骨)，剪力墙厚度为300 mm～600 mm。

裙房：主梁截面主要为300×700～800×1 500，次梁截面主要为250×600～300×700；2层，3层楼板厚度主要为120 mm，局部楼面开洞较大处及弱连接处楼板厚度为150 mm；4层，5层楼板厚度为150 mm；柱主要截面为600×600～800×1 300(局部设置十字钢骨)，主入口处设置φ1 450钢骨柱(圆柱)。桁架两端框架柱截面1 100×1 400(钢骨截面：H1 000×600×50×50)。

2.2 抗侧力体系

结构的抗侧刚度由剪力墙和框架柱共同提供。通过调整抗侧力构件的布置，使得质心和刚心尽量接近，加强整体结构扭转刚度，尽可能减小扭转效应。在结构弱连接处及结构竖向收进处楼板厚度增加至150 mm，减小楼板水平拉应力并使楼板有效传递水平力。

2.3 钢桁架布置

裙房主入口顶部4层～5层采用钢桁架结构，最大跨度约为56 m，与钢桁架连接的左右各一跨混凝土框架采用钢骨混凝土形式以保证组合结构的有效连接及应力分配(见图2)。

2.4 屈曲约束支撑

5层裙房南侧由于桁架作用，刚度较大，层间位移小，原X向位移比大于1.5；为满足层间位移比要求塔楼北侧设置屈曲约束支撑，增加刚度，减少北侧层间位移后，位移比小于1.4(见图3)。

2.5 梁上立柱

根据建筑需求，在24层，塔楼右侧5颗框架柱不连续(梁上立柱)，采用钢骨梁转换，转换梁截面为850×1 500(H1 000×500×20×40)，上部结构荷载由转换梁传递给两侧的框架柱，转换梁及两侧框架柱抗震等级均提高一级。

2.6 塔冠

塔冠结构位于塔楼屋面设备层(建筑标高118 m)以上，总高度约为17.8 m。平面投影为正方形，尺寸约为39 m×39 m。整个塔冠结构由核心筒+外围钢骨混凝土柱+四周环向钢梁+屋盖钢梁组成(见图4)。

3 结构抗震等级及性能目标

结构抗震等级见表1。

表1 结构构件抗震等级

预设性能目标：D级。

4 超限判别

本单体具有扭转不规则(位移比大于1.2)、楼板不连续(地上4层，5层裙房局部有效宽度47%)、构件间断(地上24层～27层部分框架柱不连续)、承载力突变、局部不规则(穿层柱)5项小超和塔楼偏置(单塔与大底盘的质心偏心距与底盘相应边长之比X向为33%，Y向为30%，大于20%)一项大超[1]。

5 小震分析

5.1 小震反应谱法主要计算结果

计算结果见表2。

表2 主要计算结果

主要结论：

1)两种软件的计算结果基本一致，计算结果可靠，虽然部分结果存在一定偏差，但变化规律、基本形态均相同。

2)结构具有适当的强度和刚度，满足各种工况下的计算要求。

5.2 弹性时程分析

时程分析见表3。

主要结论：

1)每条时程曲线下结构底部剪力均大于反应谱法计算结果的65%，多条时程曲线下结构底部剪力平均值大于反应谱法计算结果的80%，满足GB 50011—2010建筑抗震设计规范(简称抗规)的规定[2]。

2)时程分析方法显示结构的反应特征、变化规律与反应谱法分析基本一致。时程分析法的计算结果均略小于反应谱法计算结果，反应谱法采用的地震影响系数不需要放大。

表3 时程分析与反应谱分析的底部剪力对比

6 中震分析

地震影响系数最大值αmax=0.12，特征周期Tg=0.35 s，阻尼比取0.05。内力调整系数取1.0，材料强度取设计值。分析目的主要是计算关键构件配筋及楼板应力，用于指导关键构件和楼板的配筋设计，作为多遇地震组合构件承载力设计的补充。中震的计算结果表明：

1)裙房楼面弱连接处的框架梁在中震弹性计算下未超筋，与小震组合下配筋相比，配筋增加约10%～15%；塔楼框架梁在中震弹性计算下未超筋，与小震组合下配筋相比，配筋增加约5%～15%。

2)裙房对于跃层柱、楼面弱连接部位的柱，在中震弹性计算下未超筋，柱配筋增加5%以内；塔楼框架柱在中震弹性计算下未超筋，个别柱配筋增加15%以内。

3)核心筒内剪力墙，在中震弹性计算下不超筋，局部水平筋增加30%左右，竖向筋基本无增加，个别边缘构件配筋由构造配筋增加为计算配筋。

4)核心筒部位墙肢均未出现拉应力，满足规范要求。

5)最大楼板应力发生在5层，最大楼板应力1.83 kPa，小于混凝土强度标准值。

对于楼面楼板加强措施：

1)塔楼自大底盘收进部分及上下各一层(4层～6层)楼板的厚度采用150 mm。

2)在阴角处配置附加双层斜向钢筋，增强楼板受力性能。

3)对洞边混凝土梁，拉通面筋并加强腰筋配置。

7 大震弹塑性时程分析

采用MIDAS软件进行大震下的弹塑性时程分析。混凝土本构关系采用GB 50010—2010混凝土结构设计规范(2015年版)(简称混规)附录C[3]中的单轴受压应力—应变本构模型，采用一维杆件模型模拟梁、柱两种杆单元。构件的塑性损伤采用集中铰模拟。在框架柱两端设置P-M-M铰。混凝土柱及钢骨混凝土柱构件的滞回模型采用程序自带的随动强化三折线滞回模型(见图5,图6)。

主要结论：

1)大震下结构处于稳定状态，满足“大震不倒”的设防目标。

2)大震作用下，基底剪力是小震作用下5倍～6倍，最大层间位移角1/393远小于1/100，可判断结构整体上进入了轻微～轻度(偏轻微)的塑性，见表4。

表4 各地震工况下的基底剪力

序号地震波X主向Y主向基底剪力/kN剪重比/%基底剪力/kN剪重比/%1RH434 3134.0135 3904.142TH644 4685.2046 4855.433TH10945 3685.3037 1624.344平均值41 3834.8439 6794.645CQC7 4430.877 4860.876包络值与小震弹性比值5.565.30

3)桁架及所连框架柱、体型收进处上下各两层塔楼框架柱基本无损坏或者有轻度损坏，大跨框架及跃层柱有轻度损坏。底层柱最多至第一屈服状态，开裂但尚未屈服。连梁大部分进入第二屈服状态，起到很好的塑性耗能作用。

4)核心筒大部分处于弹性，墙体剪切变形基本处于弹性状态；框架柱基本处于弹性阶段；框架梁及连梁端部形成充分的塑性铰，实现了耗能机制。结构具有良好抗震性能，能实现既定的抗震性能目标。

5)钢连廊构件全部处于弹性状态，具有一定的安全储备。

6)防屈曲约束支撑在大震作用下未损坏，能够很好的发挥作用。

8 温度作用分析

考虑季节温差及混凝土徐变影响，进行温度作用分析，计算结果显示，2层～5层最大拉应力分别为1.4 MPa，1.2 MPa，0.7 MPa,0.6 MPa。下部楼层竖向构件(柱及剪力墙)变形较小，与楼板收缩变形不协调产生拉应力，但均未超过C30混凝土抗拉强度设计值1.43 MPa。上部楼层虽然楼面长度超长，但楼层较高处竖向构件变形较大，对楼板平面刚度约束较弱，故楼板温度应力不显著(见图7)。

9 钢桁架楼面舒适度分析

裙房主入口上方(标高15.950)处钢桁架，跨度55 m，高度5.5 m，上弦梁截面为H1 400×700×60×60，H1 200×500×60×60；下弦梁截面为H950×700×60×60，H650×450×30×30，竖杆截面为H1 000×450×60×60，斜杆截面为H500×450×20×25，H400×450×20×20，钢材标号为Q420GJC，板为150 mm厚C30的钢筋桁架楼板(见图8)。

JGJ 3—2010高层建筑混凝土结构技术规程(简称高规)第3.7.7条[4]规定楼盖结构竖向振动频率不宜小于3 Hz；混规第3.4.6条规定楼盖结构竖向振动频率办公楼不宜小于4 Hz，大跨度公共建筑不宜小于3 Hz。使用YJK1.9.1软件进行舒适度分析，钢桁架部位楼板在考虑1.0D+0.5L为质量源情况下，竖向振动频率为4.4 Hz，满足规范要求。

10 跃层柱计算长度确定

表5 跃层柱计算长度

裙房主入口上方钢桁架存在跃层柱，最大跃层层高为16 m，采用欧拉屈曲公式，对跃层柱的计算长度进行确定，选取整体模型通过下式，得到框架柱的计算长度(见表5，图9)。

11 主要结论

鉴于本工程的设防烈度、场地条件、不规则的情况以及经济性等方面的综合考虑，本工程结构抗震设计设定了与建筑物本身相匹配的较为合理的性能目标。由于在结构设计中采取了较为合理的结构布置，并对结构的薄弱处采取了有效的措施，从而减少了不规则带来的不利影响。由计算结果分析得知，结构设计实际达到C级性能目标，超过了预设的标准。结构具有良好的抗震性能，计算结果满足抗规和高规的要求。