銀川某鋼管混凝土框架一鋼支撐體系塔樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
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劉軍， 馮春雷
（1東南大學(xué)土木工程學(xué)院，南京210096；2紫杉建筑設(shè)計(jì)股份有限公司，昆明650051）
[摘要] 銀川某超高層建筑塔樓的建筑高度為219.3m，采用鋼管混凝土框架一鋼支撐結(jié)構(gòu)體系，并采用了屈曲約束支撐作為消能減震措施。主要介紹了本工程結(jié)構(gòu)體系和抗側(cè)力體系的確定、屋頂穹拱設(shè)計(jì)、斜柱分析及抗震加強(qiáng)措施，并采用YJK，MIDAS/Gen軟件對(duì)塔樓進(jìn)行了彈性反應(yīng)譜分析，補(bǔ)充了彈性時(shí)程分析以及動(dòng)力彈塑性分析。結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足規(guī)范要求，能夠?qū)崿F(xiàn)“大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)。
[關(guān)鍵詞] 超高層建筑；鋼管混凝土；超限結(jié)構(gòu)；消能減震；屈曲約束支撐
1 工程概況
本工程位于寧夏回族自治區(qū)銀川市，總建筑面積為165 073.9m2，占地面積62 439m2。塔樓建筑為一集五星級(jí)酒店、辦公、商業(yè)、旅游為一體的綜合性超高層建筑，塔頂建筑高度為219. 30m，地上43層，其中1~4層為酒店附屬及配套用房，層高5. 5m;5—9，11~20層為高檔辦公樓層，層高4.2m；10，21，32層為避難層，層高4. 5m；22~31，33~40層為客房，層高3. 9m；41，42層為觀光層，層高分別為5.7，7.2m;43層為禮拜堂，層高22. Im。裙房為酒店附屬用房，共4層，層高5. 5m，建筑高度為22. 90m。主樓及裙房下設(shè)兩層地下室，地下2層層高為3. 8m，為停車場；地下1層層高為7.3m，為酒店附屬用房及商業(yè)。塔樓在地下室頂板以上和裙房之間設(shè)置防震縫，塔樓連接部分裙房。建筑效果圖及剖面圖見圖1，2，結(jié)構(gòu)平面及防震縫布置見圖3。本文重點(diǎn)介紹塔樓的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
該工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年，安全等級(jí)為二級(jí)，場地類別為Ⅱ類。抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0. 20g，抗震設(shè)防類別為丙類。基本風(fēng)壓為0. 65kPa，場地粗糙度類別為C類。
2 結(jié)構(gòu)選型
目前常用的結(jié)構(gòu)形式是帶鋼骨的鋼筋混凝土框架·核心筒結(jié)構(gòu)體系，考慮到本工程的建筑核心筒為三角形，如采用鋼筋混凝土核心筒，相比常見的矩形核心筒其抗側(cè)效率較低。在方案選型階段，為探討鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在本工程中的可行性，選取了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層，通過對(duì)比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的土建成本得出，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的土建造價(jià)低約20 010，經(jīng)濟(jì)性較好。另外，采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)還可減小結(jié)構(gòu)構(gòu)件（梁、柱）的截面，從而增加建筑使用面積。故最終采用鋼管混凝土框架．鋼支撐結(jié)構(gòu)體系。
3 結(jié)構(gòu)體系
3.1抗側(cè)力體系
本工程上部結(jié)構(gòu)嵌固端設(shè)在地下室頂板，地下室周圍土體無高差，對(duì)地下室具有很好的約束作用，滿足嵌固端要求。上部結(jié)構(gòu)需要有效的抗側(cè)力體系以保證塔樓在風(fēng)荷載和地震作用下的安全性，并且達(dá)到預(yù)期的性能水平。
塔樓抗側(cè)力體系采用鋼管混凝土框架，鋼支撐結(jié)構(gòu)體系，其中部分鋼支撐為屈曲約束支撐（簡稱BRB，布置在地震力較大的區(qū)域），充分利用其優(yōu)良的耗能能力，以提高整體結(jié)構(gòu)的抗震性能；其他鋼支撐為普通鋼支撐，布置在核心筒處，人字形鋼支撐與V字形鋼支撐交替布置，在地下室部位以剪力墻的形式延伸至基礎(chǔ)，解決了地震作用的傳遞問題。在該結(jié)構(gòu)體系中，鋼支撐及與其相連的框架柱作為主要的抗側(cè)力體系，BRB為第一道防線，普通鋼支撐為第二道防線，鋼管混凝土框架柱作為第三道防線，形成多重抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系，多重抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系示意見圖4，塔樓主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面及材料強(qiáng)度等級(jí)如表1所示。
采用鋼管混凝土柱與鋼梁組成的框架體系，充分利用了鋼管混凝土柱中混凝土在鋼管約束下具有較高的抗壓承載力以及鋼管本身具有的較高延性的特點(diǎn)。樓板采用鋼筋桁架樓板。結(jié)構(gòu)平面示意及鋼支撐布置見圖5，其中虛線為鋼支撐。
3.2屋頂穹拱構(gòu)架
本工程塔樓頂部的穹頂是建筑設(shè)計(jì)的亮點(diǎn)，建筑功能為穆斯林空中禮拜堂。穹頂復(fù)雜的幾何形狀和受力狀況是整個(gè)塔樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。禮拜堂位于結(jié)構(gòu)43層，塔頂高度自該層計(jì)算共33. 2m，結(jié)構(gòu)是由一個(gè)底部呈三角形的外框柱彎曲形成的穹拱（圖6），主要構(gòu)件截面為：柱口600×600×20×20，梁H 600×200×14×18，支撐H 300×300 x18×25；柱、梁鋼材等級(jí)為Q390B，支撐鋼材等級(jí)為Q235B。為保證塔頂?shù)恼w剛度，在與建筑和建設(shè)方充分溝通的情況下做了如下處理：1）穹拱外圍設(shè)置與水平梁連接的V字形鋼支撐，以增強(qiáng)穹拱的抗側(cè)剛度；2）穹拱底部的角部三個(gè)框架柱繼續(xù)向上延伸至穹拱頂；3）距離穹拱頂部18m高度內(nèi)每3m設(shè)置水平梁及樓板，以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體水平剛度；4）在42層外圍框架布置鋼支撐與穹拱底部鋼支撐相連，并適當(dāng)控制支撐截面，保證結(jié)構(gòu)剛度從樓層到穹拱的順利過渡。
4 框架節(jié)點(diǎn)
為提高本工程框架節(jié)點(diǎn)的抗震性能，滿足“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)、弱構(gòu)件”，本工程框架節(jié)點(diǎn)采用《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》( GB 50011-2010)（簡稱抗規(guī)）中推薦的梁端擴(kuò)大形連接（圖7）。
5 超限判定及性能目標(biāo)
計(jì)算結(jié)果顯示，考慮偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比最大值X向?yàn)?. 38（4層），大于1.2，屬于平面扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。塔樓底部帶部分裙房，偏心率為16 010，大于15%，屬于平面布置不規(guī)則；結(jié)構(gòu)豎向剛度無突變。本工程采用鋼管混凝土框架一鋼支撐結(jié)構(gòu)體系，抗規(guī)中只有鋼框架一中心支撐體系，根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)計(jì)專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》（建質(zhì)[ 2010] 109號(hào)）規(guī)定，本工程屬于抗規(guī)、《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》( JGJ 3-2010)（簡稱高規(guī)）和《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》( JGJ 99-98)暫未列入的其他高層建筑結(jié)構(gòu)，需要進(jìn)行超限高層建筑工程抗震設(shè)計(jì)專項(xiàng)審查。結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)見表2，滿足抗規(guī)附錄M中性能水準(zhǔn)4的相關(guān)要求。
6 計(jì)算分析
6.1結(jié)構(gòu)彈性計(jì)算
小震下采用YJK，MIDAS/Gen軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，依照本工程安評(píng)報(bào)告提供的場地設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)（50年超越概率10%），抗震設(shè)防烈度為8度，工程場地地震水平峰值加速度為230gal；由于該建筑平面形狀不規(guī)則，計(jì)算時(shí)附加了5個(gè)方向(15。，30。，45。，60。，75。)的地震作用分析，并進(jìn)行了按不同角度輸入風(fēng)荷載的分析比較，在此僅列出結(jié)構(gòu)X，Y，向的分析結(jié)果見表3。由表3可以看出，兩種軟件計(jì)算結(jié)果較為吻合，且均滿足規(guī)范要求。
6.2頂層斜柱分析
頂層斜柱需滿足在小震作用下抗規(guī)的各項(xiàng)要求，并根據(jù)高規(guī)第3. 11.3條中第3款驗(yàn)算中震下各斜柱的受力情況。計(jì)算中考慮自重引起的二階效應(yīng)，計(jì)算結(jié)果表明，各斜柱在中震作用下能夠達(dá)到受剪承載力要求。
6.3彈性時(shí)程分析
選用中國建筑科學(xué)研究院提供的人工波( YRD1，YRD2)和天然波(YTD1～YTD5)，采用YJK軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行小震彈性時(shí)程分析，考慮雙向地震，地震輸入點(diǎn)在模型與基礎(chǔ)承臺(tái)面的節(jié)點(diǎn)處，結(jié)構(gòu)底部剪力計(jì)算結(jié)果見表4。由表4可知，每條地震波計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力大于振型分解反應(yīng)譜法（CQC法）求得的65%，多條地震波計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值大于CQC法求得的80%，另外通過對(duì)比地震波平均反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜得到地震波的平均反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜吻合較好，在對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)主要振型周期點(diǎn)上相差不大于20%。綜上所述，所選地震波滿足抗規(guī)要求。7條地震波下結(jié)構(gòu)底部剪力平均值小于CQC法計(jì)算結(jié)果，抗震驗(yàn)算時(shí)采用CQC法計(jì)算結(jié)果。
6.4動(dòng)力彈塑性分析
采用MIDAS/Gen軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析。從結(jié)構(gòu)在中國建筑科學(xué)研究院提供的2條天然波（YTH1，YTH2波）和1條人工波(YRH1波)（加速度峰值為416gal，雙向地震）作用下的反應(yīng)、構(gòu)件屈服的順序和位置可得，結(jié)構(gòu)具有較好的抗震性能，具體表現(xiàn)如下：
(1)結(jié)構(gòu)的總體變形：結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)的最大位移約為1569mm，整體層間位移角約為1/139，結(jié)構(gòu)在3條地震波作用下X，Y，向的最大層間位移角分別約為1/106，1/88，均小于1/50。最大層間位移角出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)頂部和中部靠下，從結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)看，這些層的豎向構(gòu)件并未出現(xiàn)塑性損傷，由此可以判斷結(jié)構(gòu)位移主要由結(jié)構(gòu)整體彎曲引起。在考慮重力二階效應(yīng)及大變形的情況下，結(jié)構(gòu)始終保持直立，滿足“大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)。
(2)構(gòu)件的損傷情況：在罕遇地震作用下均有結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)入非線性狀態(tài)，根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的極限變形進(jìn)行分析，框架柱未出現(xiàn)明顯損傷；框架梁的損傷主要集中在外框架柱與布置鋼支撐的核心筒之間的部位，其次出現(xiàn)在周邊框架部分，主要出現(xiàn)在設(shè)置BRB以上的樓層；部分鋼支撐進(jìn)入屈服耗能階段，從時(shí)程分析過程來看，BRB作為第一道抗震防線先發(fā)生耗能，鋼支撐作為第二道防線隨后破壞，框架梁作為重要的防線最后出現(xiàn)塑性鉸。
(3)結(jié)構(gòu)的薄弱層及薄弱部位：從結(jié)構(gòu)層間位移角曲線（圖8）可以看出，在地震波作用下，裙房以上6~8層的X向?qū)娱g位移角沿結(jié)構(gòu)高度有急劇增大的趨勢(shì)，說明該部分X向剛度偏小，在施工圖階段應(yīng)適當(dāng)調(diào)整構(gòu)件斷面，避免X向的抗側(cè)剛度沿豎向突變；結(jié)構(gòu)在36層有突變，此位置為斜柱起始部位，應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)；43層以上層間位移角沿結(jié)構(gòu)高度有急劇減小的趨勢(shì)，說明屋頂穹拱結(jié)構(gòu)方案布置基本合理。布置鋼支撐的核心筒角部圓鋼管混凝土柱有局部損傷，在施工圖階段應(yīng)調(diào)整斷面，避免形成薄弱部位。
(4)結(jié)構(gòu)體系評(píng)判：結(jié)構(gòu)在3條地震波作用下，框架柱大部分處于彈性狀態(tài)；BRB耗能明顯，滯回耗能曲線飽滿（圖9），有效減小了樓層的側(cè)向位移，作為第一道防線基本可靠；底部普通鋼支撐出現(xiàn)塑性屈服，極大地延緩了框架柱塑性鉸的發(fā)生時(shí)間；外框架柱與布置鋼支撐的核心筒之間的框架梁塑性發(fā)展較為充分，耗散了部分地震能量，外框架柱與中間鋼支撐框架形成的完整的框架體系提高了結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備。
結(jié)構(gòu)動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)體系抗震防線明確，滿足“強(qiáng)柱弱梁”和“大震不倒”設(shè)防水準(zhǔn)。
7 結(jié)論
(1)本工程采用鋼管混凝土框架，鋼支撐結(jié)構(gòu)體系，并在關(guān)鍵部位配以屈曲約束支撐。由分析可知，該結(jié)構(gòu)各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足規(guī)范要求。屈曲約束支撐在小震下保持彈性工作狀態(tài)，中震下開始耗能并提供附加阻尼比，降低地震作用。
(2)大震彈塑性分析結(jié)果表明，豎向構(gòu)件損傷較小，表明屈曲約束支撐可有效減小地震作用，充分發(fā)揮了屈曲約束支撐和框架的耗能作用，有效提高結(jié)構(gòu)抗震性能。
本工程已順利通過全國超限審查，現(xiàn)已進(jìn)入施工階段，進(jìn)展順利。
