浪潮青岛大数据产业园结构设计

周 冰, 马敬友, 秦 乐, 张 晧, 梁振峰, 张 萌, 巩向飞, 张 辉

(北京市建筑设计研究院有限公司，北京 100045)

1 工程概况

浪潮青岛大数据产业园项目位于青岛市市北区,塔楼角部最高点建筑标高为44.5m,平面轮廓呈200m×92m矩形,是以办公为主,展览、配套商业等为辅的大型公共建筑,地上、地下建筑面积分别为7.9万、4.43万m2,建成后实景效果如图1所示。

图1 建筑实景图

本工程地上8层,首层层高5.5m,其余标准层层高4.2m,结构屋面层从18.1m标高(4层顶)至44.5m标高基于“莫比乌斯环”形成整体坡屋面,并设置从室外地面至屋面的人行步道,呈现“互联互通”的建筑效果。该项目塔楼体型较大,南北被切分为两个建筑庭院,中部由16.8m跨连桥连为整体,根据建筑需求结构不设永久缝;西南角、东北角建筑立面造型存在大切角(图2),切角从室外地面延伸至3层顶导致13根边框柱被切面截断;首层南侧入口大堂拔4根框架柱,实现大空间的功能需求。

图2 切角部位人视效果图

2 结构体系及设计重点

2.1 结构体系选型

本工程抗震设防类别为丙类,抗震设防烈度为7度,地震分组为第二组,场地类别为Ⅱ类。方案阶段对可选取的钢框架-混凝土剪力墙、混凝土框架-剪力墙、钢框架-支撑方案进行综合比选(表1)。经比较,钢框架-混凝土剪力墙方案具有抗侧刚度大、构件截面小、施工速度较快、抗震性能强、装配率较高、空间及景观可视性好、经济性适中等优点;并且相比纯钢结构,该体系能够有效避免转换层刚度及受剪承载力突变。

表1 结构体系选型对比

同时,由于入口切角及大堂拔柱位于结构下部楼层,需设置转换结构满足框柱竖向不连续的建筑需求。结构最终采用如图3所示带转换桁架的钢框架-混凝土剪力墙体系,该体系主要由以下三部分组成:1)9组混凝土剪力墙楼电梯筒,承担主要的水平荷载;2)圆钢管柱+钢梁框架体系,楼面采用钢筋桁架混凝土板,主要承受竖向荷载;3)钢结构转换桁架[1]及连桥部位边桁架,实现建筑切角、拔柱及庭院间刚性连接的需求。

图3 结构体系示意图

2.2 转换桁架布置

本工程西南角切口长、短向边长分别为58.2、17.9m,东北角切口长、短向边长分别约为33.0、17.9m,切角断柱导致不同楼层对应位置存在9.5、12.6、17.9m单侧悬挑转换,同时大堂拔柱对应上部存在16.8m大跨转换。为避免逐层分散布置转换桁架对建筑使用产生过多影响,设计中将整层通高转换桁架集中布置于地上4层,通过上托下挂的形式解决框柱不连续问题,转换层关键部位结构布置如图4所示。

图4 转换层关键部位结构布置示意

由于切口角部双向断柱,如设置双向转换桁架将对室内使用空间影响巨大,经与建筑师沟通协商,本项目转换层主受力桁架均沿X向单向布置;在切口短向位置结合建筑斜切面外轮廓设置通高斜撑,斜撑与4层17.9m跨悬挑转换桁架形成整体,共同解决切角短向悬挑受力过大问题。为增加桁架面外稳定,协同各榀桁架间受力,保证结构具有多重传力路径,在悬挑桁架端部设置封边桁架。西南切角及大堂拔柱转换示意如图5所示。

图5 西南角转换桁架示意

2.3 连桥布置

南北庭院在中部位置设有33.5m宽(占主体有效宽度的50%)连桥(图3、4),在结构2层顶、3层顶及坡屋面标高与两侧庭院整体连接互通。设计时综合考虑连桥平面宽度大、跨度相对较小的特点,以及建筑要求不设结构缝的效果需求,将连桥与南北庭院整体刚性连接。

连桥两侧设置通高边桁架,桁架斜腹杆结合建筑需求顺屋面倾斜方向布置;连桥上、中、下3层楼面钢梁沿16.8m短向布置,与连桥范围混凝土楼板、板下水平钢支撑形成平面内水平桁架体系,该3层水平桁架与两侧边桁架共同构成了一个空间桁架体系,有效地增加了连桥抗侧刚度和抗扭刚度。连桥布置示意如图6所示。

图6 连桥布置示意

2.4 整体坡屋面设计策略

为减小整体坡屋面错层收进对结构层间受力的不利影响,避免屋面与下部标准楼层连接时出现净高过低的无效建筑空间,设计时与建筑协商一致,将坡屋面与下部各层楼板均断开设置(图7)。计算中将整个屋面指定为一个楼层进行内力、变形分析及指标统计,坡屋面楼层位移及位移角根据图8所示角点变形手工统计;同时考虑到南北庭院楼层数相差较多,扭转位移比按南北两个庭院分块统计。

图7 坡屋面与下部楼层关系及塔楼分块示意

图8 坡屋面层结构透视图

3 抗震设计思路及措施

本工程平面存在扭转不规则、偏心布置、细腰形、楼板不连续、尺寸突变、转换层、错层、连体共计7项结构不规则,设计中从以下几方面采取有针对性的加强措施以保证结构设计的安全、合理。

3.1 通用措施

采取如下通用加强措施:1)混凝土剪力墙根据质量分布分散布置于庭院角部,提高结构整体抗侧及扭转刚度。2)对关键构件采取性能化抗震设计[2-3],提高其安全储备。3)提高二道防线钢框架的抗侧能力,框架剪力按0.25V0和1.8Vf,max(V0、Vf,max分别为各分段底层地震总剪力标准值、分段各层框架承担总剪力标准值中的最大值)的较小值进行调整[4]。3)薄弱连接、转换桁架范围楼板,坡屋面及层间人行步道斜板采用“弹性膜”单元,真实考虑其面内刚度及变形。4)进行施工模拟分析,真实考虑楼层及构件施工先后顺序对结构变形及内力的影响。5)采用多个不同力学模型的结构分析软件进行整体计算,确保其结果合理、有效。6)进行多遇地震下弹性时程分析,罕遇地震下动力弹塑性时程分析,考察结构构件大震下塑性发展及损伤情况。

3.2 剪力墙加强措施

混凝土剪力墙楼电梯筒是整个结构最重要的第一道抗震防线,其承载及变形能力关系到整个结构的安危,为提高其抗震延性,采取以下措施:1)剪力墙底部加强区范围延伸到转换层以上两层,并全楼设置约束边缘构件。2)底部加强区剪力墙抗震构造等级提高为特一级,筒体角部设置型钢;中震双向水平地震作用下,墙肢全截面名义拉应力超过混凝土抗拉强度标准值ftk时增设型钢承担全部拉力,并控制墙肢平均名义拉应力<2ftk[5]。3)连梁跨高比小于2.5时,布置交叉斜筋或对角斜筋以提高其抗剪承载力。

3.3 转换层及角部斜撑加强措施

转换层及角部斜撑采取如下加强措施:1)悬挑桁架向内延伸一跨,转换桁架、斜撑、连桥边桁架、与桁架相连框柱、吊柱抗震等级提高一级。2)转换层顶、底板厚提高至150mm,并按小震混凝土不裂、中震楼板钢筋受拉保持弹性设计。3)转换桁架及相邻过渡部位板下设置水平交叉钢支撑,并验算楼板退出工作后桁架上下弦杆承载力。4)对转换、大悬挑范围进行竖向地震、舒适度、复杂节点、防连续倒塌专项分析研究[6-7]。5)将角部斜撑延伸入地下钢筋混凝土剪力墙中,通过屈曲分析确保斜撑及框支穿层柱的稳定性。

3.4 连体加强措施

连体部位采取如下加强措施:1)优化剪力墙布置,使两侧庭院单体(无连桥)平动周期尽量接近;考虑连桥退出工作后,对两侧庭院单体进行抗震承载力包络设计。2)连桥边桁架弦杆向主体内延伸一跨,桁架及相连框柱抗震等级提高一级。3)连桥及相邻一跨范围板厚提高至150mm,并按小震混凝土不裂、中震楼板钢筋受拉保持弹性设计。4)待两侧庭院主体施工完毕后进行连桥范围结构合拢,减小混凝土收缩及温度作用影响。

3.5 斜屋面加强措施

斜屋面采取如下加强措施:1)屋面板厚加强至130mm(剪力墙筒体内部板厚150mm),双层双向配筋,并按小震混凝土不裂、中震楼板钢筋受拉保持弹性设计。2)根据温度工况下楼板应力分析结果加强配筋。3)钢梁上翼缘平行斜板布置,适当加密钢梁栓钉排布,保证内力的有效传递。

3.6 抗震性能目标

综合考虑结构超限情况和经济性,本工程性能目标接近C级,结构及构件抗震性能目标见表2。

表2 结构及构件抗震性能目标

4 主要计算结果

4.1 整体弹性分析

本工程采用PKPM-Spas、BIAD-Paco、MIDAS Gen进行进小震弹性分析,主要计算结果对比见表3,各软件计算结果基本一致,均满足规范要求。同时采用PKPM-Spas对结构进行中大震反应谱等效弹性设计,确保关键构件满足预设性能目标。

表3 小震弹性计算结果对比

楼层分块扭转位移比及无连桥作用下单体平动周期结果见表4,屋面以下楼层分块扭转位移比大于1.2且不超过1.4(屋面层扭转位移比结果仅为示意),两侧庭院单体平动周期差距小于10%,刚度分布较为合理。

表4 分块扭转位移比及单体平动周期

4.2 大震弹塑性分析

采用SAUSAGE进行罕遇地震下结构弹塑性动力时程分析。计算结果显示,结构X向、Y向最大层间位移角分别为1/141、1/131,无明显的薄弱楼层;大部分钢筋混凝土连梁进入塑性状态,形成了铰机制,有效地耗散了地震能量,墙肢基本处于无损坏到轻度损坏之间,仅3.4%超轻度损坏(图9);连桥、角部斜撑、转换桁架及相连框柱、吊柱均无损坏,普通钢框架仅个别构件进入轻微破坏;连桥、桁架范围楼板及屋面斜板处于无损坏或轻微损坏,仅局部进入轻度损坏。结构体系满足“大震不倒”的设计要求,且有一定的安全储备。

图9 墙肢包络性能水平评价

4.3 竖向地震分析

本工程悬挑及大跨转换桁架部位对竖向地震作用较为敏感,分别采用反应谱法、弹性时程法对其竖向地震下构件内力进行对比[8]。计算结果显示,除16.8m大跨转换桁架斜腹杆外,两种方法计算结果较为接近,反应谱承载力设计时按表5中放大系数调整相应杆件竖向地震下的内力。

表5 竖向地震下杆件最大轴力对比

4.4 舒适度分析

模态分析显示,西南切角桁架上部4.2m悬挑部位竖向刚度最小,其竖向自振频率为2.61 Hz。当在悬挑端部施加如图10所示多人同时连续行走激励时[9],楼板峰值加速度为3.63cm/s2,小于规范限值5.0cm/s2,舒适度满足要求。

图10 人行荷载布置图

4.5 防倒塌分析

转换桁架的破坏容易引起大面积倒塌的连锁反应,按《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)[2]、《高层民用建筑钢结构技术规程》(JGJ 99—2015)[10]推荐的拆除构件法,分别拆除西南切角如图11所示悬挑转换桁架斜腹杆(抽杆位置1)、大堂转换桁架斜腹杆(抽杆位置2)、角部斜撑(抽杆位置3),对应桁架剩余构件最大应力比分别为0.67、0.58、0.82,满足防连续倒塌的性能要求。

图11 西南切角桁架拆除及节点分析部位示意

4.6 复杂节点分析

采用ANSYS对图11中悬挑桁架端节点1、大堂拔柱转换桁架节点2、角部斜撑与4层桁架连接节点3进行罕遇地震控制工况作用下实体有限元分析。计算结果如图12所示,可以看出罕遇地震控制工况作用下节点大部分范围等效应力较小,处于弹性状态;仅局部板件相交边界处略微进入塑性,且成点状,节点均满足大震不屈服的性能要求。

图12 节点分析应力云图/(N/mm2)

4.7 屈曲稳定性分析

与转换桁架相连框支穿层柱、角部斜撑等跃层构件的稳定性对整体结构的安全至关重要,设计中采用SAP2000对其进行弹性屈曲分析。分析结果显示,西南切角框支穿层柱、西南切角通高斜撑、东北切角框支穿层柱、东北切角通高斜撑屈曲模态临界荷载系数分别为23.6、27.9、35.9、24.2(图13),均具有较大的安全度,设计中根据欧拉公式验算跃层构件计算长度系数取值。

图13 构件屈曲模态

5 结语

浪潮青岛大数据产业园项目结构复杂,造型独特,结构设计与建筑紧密结合,通过9组混凝土剪力墙楼电梯筒承担主要的水平荷载,集中设置于4层的转换桁架采用上托下挂的形式实现建筑立面大切角、首层大堂拔柱的功能与效果需求。设计中将斜屋面与下部各层楼板断开设置,有效减小了整体坡屋面错层收进对结构层间受力的不利影响;并在细腰连桥部位设置空间桁架体系,有效地增加了钢连桥抗侧刚度和抗扭刚度。最终通过多程序、多模型计算分析,抗震性能化设计以及特殊部位的专项研究等,对关键部位及结构不规则项提出了详细的技术措施,保证了结构的安全性、合理性及可实施性。