某办公楼双塔连体结构设计

2022-10-15邵兴宇黄国胜

广东土木与建筑 2022年9期

邵兴宇，陈兴，周翔，黄国胜，刘柳

（中南建筑设计院股份有限公司武汉 430071）

1 工程概况

某项目位于武汉市黄陂区，总建筑面积约为62 821.5 m2，北楼为综合办公楼，无交通管制功能，其建筑实景如图1所示。

北楼建筑物共9层，平面呈“口”字型布置，建筑外轮廓尺寸为81 m×130.5 m，典型柱网8.1 m×8.1 m，建筑高度38.25 m，单层地下室。根据建筑功能设置防震缝，将结构划分为相对规则的4 个区，如图2 所示。除A 区结构外，其余部分均为相对规则的建筑，本文仅针对A区结构展开叙述。

2 设计参数及结构布置

2.1 设计参数

本项目主体结构设计使用年限为50年。根据《建筑抗震设计规范（2016 年版）：GB 50011—2010》和地勘报告［1］，结构抗震设防烈度为6度，抗震设防类别为标准设防类（丙类），设计基本地震加速度0.05g，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类，多遇地震下场地特征周期Tg=0.35 s，水平地震影响系数最大值为0.04。采用重现期50 年的基本风压和雪压，基本风压取0.35 kN/m2，雪压取0.50 kN/m2。

参考《武汉天河机场三期建设工程场地地震安全性评价报告》，地震影响系数最大值大于规范值，计算出的结构底部剪力大于按《建筑抗震设计规范：GB 50011—2010》计算的剪力值，地震作用设计参数取值如表1所示。

表1 地震作用设计参数Tab.1 Seismic Action Design Parameters

2.2 结构布置

A 区结构高度38.25 m，采用钢筋混凝土框架-剪力墙，框架与剪力墙共同作用，构成双重抗侧力体系，地下室顶板为上部结构的嵌固端。因建筑运控大厅功能于28.85 m 以上为连体部位，8～屋面层（28.85～37.80 m）的连体部分采用跨层钢桁架，其中9层（32.8 m）连体处无楼板，连体跨度为32.4 m，高度为8.9 m，连体跨高比为3.6。塔楼屋盖采用现浇混凝土梁板结构，楼面采用现浇钢筋桁架楼板。结构模型如图3所示。

结构塔楼与连体连接的型钢柱截面尺寸为1 000 mm×1 000 mm 和800 mm×1 000 mm；剪力墙布置于楼梯间及电梯间四周，墙体厚度为400 mm和350 mm；竖向构件的混凝土强度等级为C40，水平构件混凝土强度等级为C35；梁截面尺寸主要为250 mm×600 mm、400 mm×750 mm等，楼板厚度一般为120 mm。

连体与两侧主体结构采用刚性连接［2］。跨层钢桁架伸入主体结构一跨，以保证可靠连接，主体结构与连体相连的跨内楼板采用150 mm 钢筋桁架楼板。主体结构与连体相连接的框架柱为型钢混凝土柱，框架梁为钢梁。连体钢构件截面如表2 所示，钢材强度等级为Q345B。

表2 连体结构钢构件Tab.2 Jointed Structural Steel Members

连体及与连体相连的结构构件在连体高度范围及其下一层，抗震等级提高一级采用。即此范围内的钢桁架、钢框架梁抗震等级为三级，框架柱和框架梁抗震等级为二级。

3 抗震性能目标和加强措施

3.1 超限判定

在本工程中，结构超限内容判定如表3所示，属于同时具有5 不规则的超限高层建筑。因此，本工程属于超限高层建筑工程。

表3 结构超限列表Tab.3 Structure Overload List

3.2 抗震性能目标

根据建筑使用功能，综合考虑抗震设防类别、设防烈度、场地条件、建造费用以及震后损失等各方面的因素，确定结构抗震性能目标确定为C 级，相应结构的具体要求如表4所示。

表4 C级抗震性能要求Tab.4 Requirements for Class C Seismic Performance

3.3 超限专家主要意见和解决方案

超限专家主要意见：①本项目中与连体相连的型钢混凝土框架柱的安全等级为一级，结构重要性系数为1.1；②减小结构的扭转效应加强结构抗扭刚度；③因第7层柱均为短柱，应采取加强措施。

针对专家意见解决方案如下：对结构相关部位的安全等级提高为一级，对应构件重要性系数为1.1；因两个塔楼在地震作用下存在相对平动，导致周边框架柱在地震作用下承担的扭转效应显著，所以在抗震性能设计中作为关键构件提高其抗震性能目标。在设计中加大了边框架柱的截面，加宽了外圈梁的宽度；设计中将第7 层框架柱抗震等级提高一级，体积配箍率增大为1.4%，剪力墙水平分布筋最小直径采用φ10 mm，最大间距采用150 mm。

4 结构性能分析

4.1 模态分析

建立无高位连体的模型作为对比，结构前三阶周期如表5所示。有连体与无连体的第一阶模态变形基本一致，第二阶模态如图4 所示。当为两栋单独塔楼时，在地震作用下塔楼由于核心筒偏置第二振型均出现扭转。结构设置连体时两栋塔楼共同作用相互约束影响，第二振型成为Y向的平动周期。连体结构起到协调两栋单塔楼变形的作用，结构整体的刚度增加周期变短［3］。

表5 结构前三阶周期对比Tab.5 Comparison of the Periods of the Structure

4.2 中震性能分析

采用YJK 软件进行中震性能分析，底部加强区剪力墙满足中震抗剪弹性性能要求，非加强区剪力墙满足中震不屈服要求。在中震作用下底部剪力墙出现拉力的墙肢如图5所示。

填充处为拉应力最大墙肢，结果表明双向水平地震下，墙肢全截面由轴向力产生的平均拉应力不超过2 倍混凝土抗拉强度标准值，设计中通过在墙肢端部设置型钢抵抗中震引起的拉力。

4.3 罕遇地震弹塑性时程分析

根据弹性时程分析结果［4］，选取基底剪力最大的2 条天然波和1 条人工波采用Midas Gen 对结构进行弹塑性时程分析［5-7］，部分结果如图6～图7所示。

位移角满足性能目标要求，X向剪力与位移角均在第9 层出现突变，是因为9 层因跨层桁架的斜腹杆导致楼层剪力明显大于8 层，且斜腹杆提供较大抗侧刚度，层间位移角明显小于8和10层。

选取天然波中剪力较大的TRB1展示各构件的出铰情况，结果如图8～图10所示。

根据时程分析结果可以得到如下结论：

⑴罕遇地震作用下，连梁和框架梁先于竖向构件出现塑性铰，轻度损伤和中度损伤各占50%，能很好地起到耗能的作用；

⑵竖向构件少量塑性铰出现区域主要为结构底部区域和楼梯梯柱，且均为轻度损伤；

⑶项目处于6度区，即使在罕遇地震作用下连体桁架楼层出现楼层剪力突变，但总体地震作用较小，钢桁架连廊及与之相连接的型钢混凝土柱处于弹性状态，安全储备较高。

整体结构构件均满足性C级性能目标的要求。

5 舒适度分析

连体为跨度32.4 m 钢桁架结构，具有阻尼小、柔性大、基频低的特点，在人的活动下容易产生竖向振动，当振动超过一定限度就会引起使用者的不适。楼盖结构竖向振动加速度不仅与楼盖结构的竖向频率有关，还与建筑使用功能及振动激励有关。结构可采用模态分析和稳态分析进行计算。计算时钢-混凝土组合楼盖混凝土弹性模量取1.3Ec，有效均布活荷载取0.3 kN/m2，同时对于行走激励为主的钢-混凝土组合楼盖阻尼比采用0.04［8］。

结构第7 振型为连体楼盖的竖向振动，自振频率f=4.02 Hz＞3 Hz，满足《建筑楼盖结构振动舒适度技术标准：JGJ/T 441—2019》楼盖结构竖向频率不宜小于3 Hz的要求，连体竖向振动模态如图11所示。

采用稳态分析方法对连体结构在人行激励下的动力响应进行计算，荷载取值为0.7 kN，单足落步曲线选用KERR等人［9］所得出的名义单足落步曲线。

当考虑一人行走时，人行走步行频率取1.0～2.8 Hz。连体结构在不同人行荷载频率下监测点处竖向峰值加速度约为0.01 m/s2（见图12），小于《建筑楼盖结构振动舒适度技术标准：JGJ/T 441—2019》限值0.05 m/s2，可满足设计要求。

作为公共空间，一般会有较多人员使用，根据“普通办公室每人使用面积不应小于6 m2”的原则［10］，将连体的最大人数设置为64人，考虑较为不利的情况按表6 设置4 种工况，各工况的计算结果如图13 和表7所示。根据计算结果在人群荷载作用下，楼板跨中检测点处竖向振动峰值加速度均能满足《建筑楼盖结构振动舒适度技术标准：JGJ/T 441—2019》要求。

表6 人群荷载工况Tab.6 Crowd Load Conditions

表7 各工况峰值结果Tab.7 Peak Results of Each Working Condition（m/s2）

6 楼板应力分析

本工程项目总长为81 m，且存在楼板开洞和连体结构，采用Midas Gen 对主体结构楼板进行温度作用和大震作用下的受力分析。选取连体结构楼层计算结果如图14和图15所示。

结果显示在温度效应作用下，大部分楼板产生的应力为-3 MPa～2 MPa，C35 混凝土强度可满足要求；在大震作用下，大部分楼板剪应力均在3.0 MPa 以内，根据《高层建筑混凝土结构技术规程：JGJ 3—2010》第10.2.24 条截面剪力验算要求，即V≤（0.1βcfckbt）/γRE，150 mm 厚楼板满足。由于楼板开洞和板面单元不规则引起局部应力集中，可采用平均周边单元的方式来进行设计。

在本层设计时楼板加大配筋，采用双层双向配筋且单层最小配筋率不小于0.35%，钢筋直径不小10 mm，间距不大于150 mm。保证楼板在温度和罕遇地震作用下的完整性。